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海波的过冷现象探索及思考
南京市江宁区湖熟初级中学 张德祥
一、发现问题
为了准备海波（硫代硫酸钠）的熔化和凝固实验，我想自己先做一遍以期做到心中有数。我用水浴法加热，注意控制海波与水之间水温差始终保持在1℃～2℃。在海波全部熔化后，我得到了相应的实验数据。正当我沉浸在实验中时，一阵急促的电话铃声响起，我不得不熄灭酒精灯冲冲离开了实验室。下午，当我再次来到实验室时我发现海波竟然是液态的。我看了看温度计，示数显示23℃.正在我惊奇疑惑之时，更惊奇的现象出现了，试管内的海波温度急剧上升，并且开始变模糊，海波凝固了！此时温度计显示47℃！
怎么回事？！惊讶之余，我的大脑里逐渐浮出三个问题。
二、问题的思考
问题一：温度低于凝固点很多时，海波为什么不凝固？
翻开教学参考资料，我发现原来这种现象称为“过冷现象”。教参还指出为了使熔融状态的海波在凝固点凝固，在温度降至49℃时，应向海波内投入几粒海波晶体，并不断搅拌破坏表面结晶方能使海波凝固。如同雨、雾的形成，需要以灰尘作为液化核；水在沸腾时需要以水中溶有的空气以及容器比小空穴附着的空气作为汽化核一样。熔融状态的晶体凝固也需要结晶核。这加入的几粒海波就起到了结晶核的作用。而我在实验时没有撒入海波晶体，其熔化后温度降至熔点时，由于缺少结晶核而无法形成结晶，即无法凝固。
但是就“过冷现象”我还有个疑问，那就是当天气温如果更低，比如20℃、15℃、10℃海波还会继续处于“过冷”状态吗？为此我查阅了其他老师实验数据，有的是在38℃附近海波自然凝固、有的是20℃、也有18℃的。究竟是多少。等到冬季期末考试以后，气温已降到10℃以下，我再次重做该实验。让海波熔化后从55℃停止加热，并将海波放在空气中自然冷却，海波在18℃时出现凝固升温现象。为了排除实验的偶然因素，我连续做了三次实验，海波都是在18℃出现凝固现象。然而，其他老师的实验数据是错误的吗？不太可能。我想海波的过冷温度应该是一个范围，不同的纯度应该有一个不同对应值，只有在相应的值，过冷状态的海波才会结晶。
3、还有个问题，海波降温后没有凝结核为什么还能凝固为了弄清原因我又找到了《固体物理学》，书中指出有些特别纯净的熔融状态的晶体处于过冷状态时，在温度足够低时由于涨落的原因可以自行形成结晶核而凝固。
问题二：看过温度计后，为什么海波就突然凝固了？
这个问题我百思不得其解，经多方请教，我逐渐弄清缘由。温度低于凝固点以后，海波处于过冷状态。这种状态极不稳定，称为“亚稳态”，是一种极易被破坏的状态。此时只需要微小的扰动，其状态就能很快发生转变。
我看温度计时的动作势必破坏了原有的平衡状态，使得温度计附近的海波率先开始凝固，形成结晶核，又由于温度已经远低于凝固点，所以试管中的其它海波会以它们为中心迅速凝固。
其实，类似的现象生活中也是有的。比如北方冬天下雨的时候，天空中落下的明明是雨，落到地上就全部变成了冰。这主要是因为纯净的水温度虽然远低于凝固点，但由于缺少结晶核无法形成结晶。当落到地面时以地面灰尘为结晶核逐渐结冰了。
问题三：海波的温度为什么会上升？
从表象上看，温度上升是由于海波凝固放热，但我的问题是凝固放热的能量从何而来。过冷状态的海波开始凝固时，温度不降反升，直至凝固温度47℃左右。然后保持温度不变。当海波基本凝固后（尚有小部分液态海波）温度才继续下降。固态海波熔化是吸收热量，增加了分子动能，当达到熔点时，海波继续吸热这时所吸收的热量用来离解海波晶体结构，这部分能量成为晶体的结合能（主要是分子势能）。当液体海波温度下降过程中主要是分子动能在减少，晶体结合能即分子势能并不发生变化，也就是说液体海波不会发生变化而凝固。当液态海波受到微小的扰动而开始结晶时，这时才放出晶体的结合能，海波的温度反而上升，直至凝固点。海波完全结晶后，晶体的结合能释放完毕，继续放热晶体的分子动能减小，温度下降。
三、两点反思
反思一、学生到底要不要做熔化和凝固实验？
这个问题问的似乎很可笑，熔化和凝固是初中物理一个比较重要的探究实验怎能不做呢？但实际上该实验无论用冰或是用海波来做，实验从准备到操作都比较麻烦，而且往往实验不容易成功。因此许多老师都以条件不足为理由用“嘴和粉笔”代替实验。之所以出现这样的情况条件不足、怕麻烦是一个方面，另一个方面许多教师认为实验做不做无所谓，只要把概念、规律讲清楚就可以了。于是，学生在教师“嘴和粉笔”的指引下接受了海波在48℃熔化、且熔化过程中温度保持不变。这样“实验”变得简单易行，节省了大量的时间。对于老师描述出的“现象”相信吗？物理课程的目标是提高学生的科学素质。用“嘴和粉笔”代替实验学生最多只能获得一点点“知识”，就连最基本的操作技能都无法形成，就无从谈起经历探究过程，在过程中观察、发现、思考、讨论，更不要说在实验中获得发现的惊奇、成功的喜悦了。
反思二、新课改学生要探究，老师呢？
1、该实验操作较难，海波会出现外层先熔化，图像水平阶段较短等问题。对于这些问题教师应当反复实验，借鉴其他老师的实验方法，不断改进自己的实验方案，使得实验效果力求最优化。
2、对于实验中出现的异常现象，如同本文中提到的“过冷”现象，笔者没有轻易放过而是不断思考、反复实验、查阅资料、咨询同行等手段终于弄清缘由。
教师在实验的过程中对于实验方案的最优化的追求、对于实验中出现的异常现象的探索，是教师探索精神的体现。只有教师具有探索精神才能够指导学生进行探索。
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