“升华和凝华”实验教学的研究
车国华
【研究背景】
沪科粤教2012年第1版义务教育教科书《物理》八年级上册第四章第四节 “升华和凝华”虽然不是重点内容，但日常生活中关于升华和凝华的实例比较丰富，有利于激发学生的学习兴趣和培养学生分析问题的能力.但教学中存在以下几个问题.
一是开篇展示的四幅图片所描述的日常生活现象及课文结束介绍的人工降雨，对于当地学生来说都是没见过或不太熟悉的，尤其是干冰，当地市场无法购买，也不易保存.
二是“碘升华凝华”实验存在不足或不科学之处：（1）气密性不好，而碘单质的腐蚀性很强，碘蒸气会对呼吸道产生强烈刺激甚至损害;（2）加热温度难以控制.碘的熔点和沸点都在200 ℃以下，远远低于酒精灯火焰温度，实验中极易出现固态碘先发生熔化，接着液态碘再迅速发生汽化，而不是升华过程;（3）碘的清洗成本高不易回收、器材难以反复利用.
三是“升华吸热，凝华放热”规律是直接告诉学生的，不符合课程的教学理念，剥夺了学生的探究体验权，不符合学生的认知规律.
【教学实践】
一、演示实验：现场制作干冰，再现舞台“烟雾”
目的： 激发学生直接兴趣，引入课题.
器材：二氧化碳灭火器（先用厚的长袜子包好瓶身，不让学生认出，最后揭秘），厚布袋（或剪一个旧棉衣袖筒），碗一只，热水等.
实验操作：先倒上大半碗热水，再将厚布袋套住二氧化碳灭火器的喷嘴，拔出保险销，按压把四五次，制取适量干冰（先对学生讲是白色固体），给每个小组分发少量，置于桌面让学生观察（为后面建立升华概念作铺垫），将剩余部分倒入碗中，看到翻滚的白色“烟雾”.
讲解：这位神秘嘉宾是谁？用它产生的白色固体是什么？白色固体能制造“烟雾”的奥秘又是什么呢？大家想知道吗？这就是本节课我们要探讨的内容.
二、演示实验：观察“白气”
目的：理解液态二氧化碳的致冷原理，为“模拟冰窗花”实验作铺垫.
器材：汽车降温剂.
讲解：舞台上的“烟雾”实际上是“白气”.我们用别的方法也能制造“白气”.
实验操作：用汽车降温剂（先说明是无毒的）在空中喷一下，产生大量的“白气”.
提问：“白气”是什么呢？它是怎样产生的呢？
学生分析：“白气”是空气中的水蒸气液化成小水滴飘浮在空中形成的雾.
提问：水蒸气液化要放热，说明降温剂能吸收热量，能起到迅速降温的作用.汽车降温剂的主要成份是液态的二氧化碳.那么，它是怎样起到降温作用的呢？
学生分析：液态的二氧化碳迅速汽化，在瞬间吸收大量的热，起到急剧降温的效果.
三、演示实验：模拟冰窗花
目的：观察水蒸气没有经过液态直接变成冰，为建立凝华概念作铺垫.
器材：汽车降温剂.
实验操作：先让学生观察平面镜正面和背面（将塑料底板中心剪掉一部分），再一手将平面镜水平持住，另一手用汽车降温剂对准背面喷五六次，喷雾时喷嘴距镜子约6 cm.
现象：原本干燥清晰的镜面模糊不清了（图3）.
讲解：是产生了水附在上面吗？用手摸一摸，是干的还是湿的？
演示：用塑料卡片刮一下，能刮起象雪一样的东西，镜面上留有刮痕.
学生分析：附在镜面上的是固态的冰.这个实验说明了水蒸气可以直接变成固态的小冰晶.
四、分组实验：人工造霜
目的：观察水蒸气变成霜，为建立凝华概念作铺垫.
器材：易拉罐（去盖），小冰块，食盐.
实验操作：教师准备好小冰块和食盐，在上课前三分钟，布置各小组组长在干燥的易拉罐中装入大半筒的冰，再洒上两勺盐，轻轻摇几下，静置观察.待分析完“模拟冰窗花”实验之后再来分析.
讲解：冰和盐的混合物也是一种降温剂，它的温度最低可以达到零下20多摄氏度.现在请大家观察桌上的易拉罐外表面出现了什么？（学生能知道是霜）
学生分析：霜和冰的特征有明显不同，霜是由微小的冰晶附在物体表面形成的.易拉罐表面开始并没有水，加入冰和盐后，易拉罐温度急剧降低，霜是由周围的水蒸气遇到冷的易拉罐形成的.
提问：这个实验说明了什么呢？
学生分析：气态的水蒸气可以直接变成固态的小冰晶.
五、分组实验：观察干冰升华
目的：为建立升华概念作铺垫.
器材：干冰.
讲解：刚才分发给大家的白色固体现在还有吗？
学生分析：没有了（或只剩下很少了），白色固体并没有熔化变成液体.
提问：这说明了什么？
学生分析：白色固体直接变成了气体跑到空气中了.
六、分组实验：观察碘的升华
目的：加深对升华现象的理解.
器材：碘升华凝华密封管，不锈钢碗，热水等.
讲解：其他物质是否也可以发生升华呢？各小组桌上有一个密封的玻璃管，玻璃管是透明的，管壁清晰、干燥，管内装有颗粒状的碘晶体，想要观察到碘是否能发生明显的升华要怎么办呢？
学生：用酒精灯加热.
讲解：碘的熔点是113 ℃，沸点是184 ℃，而酒精灯加热的温度远远高于碘的熔点和沸点，如果用酒精灯加热会出现什么情况？
学生：碘颗粒不断吸热，当温度达到熔点时就会熔化变成液体，并继续吸热最后发生沸腾变成气体.
引导学生设计实验：应该用温度适宜的热源对碘进行加热.
操作：用手持住玻璃管的手柄，将管身泡在热水中进行加热（水浴法），观察碘颗粒变小，管内产生紫色的碘蒸气.
七、分组实验：观察碘蒸气的凝华
目的：加深对凝华现象的理解.
器材：碘升华凝华密封管.
操作：从热水中取出玻璃管，让管身竖直，用毛巾擦干外面的水，观察碘蒸气颜色逐渐变淡，最后恢复透明，管内壁上附有粉末状的碘晶体.
八、演示实验：升华吸热，凝华放热
目的：经历实验探究，得出升华吸热和凝华放热的规律.
器材：铁架台及附件两套，半封闭式电炉，锥形瓶，单质碘，数显温度计等.
提问：前面我们学习过的四种物态变化过程都有吸热或放热的条件，那么升华和凝华的吸放热情况是怎样的呢？
学生分析：在实验中我们对玻璃管加热，碘就吸收了热量，才发生了明显的升华现象，所以升华要吸热;停止加热后，玻璃管开始冷却，碘蒸气温度下降，放出热量，看到碘蒸气逐渐凝华变成碘晶体，所以凝华要放热.
讲解：同学们的分析很有道理.今天老师给大家准备了一个实验，虽然不是十分严密，但还是能直观地说明升华和凝华的吸热、放热规律.
操作：将两只相同的锥形瓶置于电炉中央上方相同的适当高度处，其中一只加入一药匙的碘颗粒，另一只不加，用橡胶塞盖好，各插入一支数显温度计测量瓶内温度，温度计规格相同，保证探头高度相同.打开电炉电源加热三分钟，再关闭电炉，停止加热并将电炉移开（图5）.将观察到的现象记录在表1中.
学生分析：加热时两只瓶吸收的热量基本相同，瓶内温度上升快慢不同，碘瓶内部温度上升明显更慢，而且看到碘晶体升华变为紫色的碘蒸气，说明碘升华要吸热;停止加热后，瓶子对外界放热，观察到碘蒸气逐渐减少，凝华成碘晶体，碘瓶内温度下降，说明碘凝华要放热.
九、演示实验：灯泡变黑
目的：在实验条件下，短时间内看到灯泡变黑，帮助学生运用所学知识来解释生活中的现象.
器材：无级调压器;“6 V 10 W”机床用小灯泡两只（不能用新型卤素灯泡），玻璃板（包一层汽车贴膜），万用表，灯座，导线，铁架台.
提问：请大家看看日光灯用久了会有什么现象？（灯管两端变黑）与此类似的还有什么？（白炽灯泡）
引导学生分析：白炽灯泡、日光灯管用久了会发黑，说明钨丝发生了升华和凝华.灯泡工作时，灯丝温度很高，有微量的钨发生升华变为钨蒸气;灯泡停止工作时，钨蒸气温度急剧降低，凝华变为钨晶体粉末附着在玻璃泡的内壁上，长时间以后灯泡就变黑了.
讲解：这种现象要经过比较长的时间才能看得出来，但在实验条件控制下可以在短时间内实现，大家想看吗？
操作：取新的“6 V 10 W”小灯泡两只，用无级调压器对其中任一只供电，将电压从零逐渐调到13 V后，持续通电约60秒，再将电压调回零（如图6所示），让学生看到灯丝并没有熔断，再与另一只进行对比，观察其是否变黑.观察过程中将玻璃板挡在灯泡前，避免刺眼.
【研究背景】
沪科粤教2012年第1版义务教育教科书《物理》八年级上册第四章第四节 “升华和凝华”虽然不是重点内容，但日常生活中关于升华和凝华的实例比较丰富，有利于激发学生的学习兴趣和培养学生分析问题的能力.但教学中存在以下几个问题.
一是开篇展示的四幅图片所描述的日常生活现象及课文结束介绍的人工降雨，对于当地学生来说都是没见过或不太熟悉的，尤其是干冰，当地市场无法购买，也不易保存.
二是“碘升华凝华”实验存在不足或不科学之处：（1）气密性不好，而碘单质的腐蚀性很强，碘蒸气会对呼吸道产生强烈刺激甚至损害;（2）加热温度难以控制.碘的熔点和沸点都在200 ℃以下，远远低于酒精灯火焰温度，实验中极易出现固态碘先发生熔化，接着液态碘再迅速发生汽化，而不是升华过程;（3）碘的清洗成本高不易回收、器材难以反复利用.
三是“升华吸热，凝华放热”规律是直接告诉学生的，不符合课程的教学理念，剥夺了学生的探究体验权，不符合学生的认知规律.
【教学实践】
一、演示实验：现场制作干冰，再现舞台“烟雾”
目的： 激发学生直接兴趣，引入课题.
器材：二氧化碳灭火器（先用厚的长袜子包好瓶身，不让学生认出，最后揭秘），厚布袋（或剪一个旧棉衣袖筒），碗一只，热水等.
实验操作：先倒上大半碗热水，再将厚布袋套住二氧化碳灭火器的喷嘴，拔出保险销，按压把四五次，制取适量干冰（先对学生讲是白色固体），给每个小组分发少量，置于桌面让学生观察（为后面建立升华概念作铺垫），将剩余部分倒入碗中，看到翻滚的白色“烟雾”.
讲解：这位神秘嘉宾是谁？用它产生的白色固体是什么？白色固体能制造“烟雾”的奥秘又是什么呢？大家想知道吗？这就是本节课我们要探讨的内容.
二、演示实验：观察“白气”
目的：理解液态二氧化碳的致冷原理，为“模拟冰窗花”实验作铺垫.
器材：汽车降温剂.
讲解：舞台上的“烟雾”实际上是“白气”.我们用别的方法也能制造“白气”.
实验操作：用汽车降温剂（先说明是无毒的）在空中喷一下，产生大量的“白气”.
提问：“白气”是什么呢？它是怎样产生的呢？
学生分析：“白气”是空气中的水蒸气液化成小水滴飘浮在空中形成的雾.
提问：水蒸气液化要放热，说明降温剂能吸收热量，能起到迅速降温的作用.汽车降温剂的主要成份是液态的二氧化碳.那么，它是怎样起到降温作用的呢？
学生分析：液态的二氧化碳迅速汽化，在瞬间吸收大量的热，起到急剧降温的效果.
三、演示实验：模拟冰窗花
目的：观察水蒸气没有经过液态直接变成冰，为建立凝华概念作铺垫.
器材：汽车降温剂.
实验操作：先让学生观察平面镜正面和背面（将塑料底板中心剪掉一部分），再一手将平面镜水平持住，另一手用汽车降温剂对准背面喷五六次，喷雾时喷嘴距镜子约6 cm.
现象：原本干燥清晰的镜面模糊不清了（图3）.
讲解：是产生了水附在上面吗？用手摸一摸，是干的还是湿的？
演示：用塑料卡片刮一下，能刮起象雪一样的东西，镜面上留有刮痕.
学生分析：附在镜面上的是固态的冰.这个实验说明了水蒸气可以直接变成固态的小冰晶.
四、分组实验：人工造霜
目的：观察水蒸气变成霜，为建立凝华概念作铺垫.
器材：易拉罐（去盖），小冰块，食盐.
实验操作：教师准备好小冰块和食盐，在上课前三分钟，布置各小组组长在干燥的易拉罐中装入大半筒的冰，再洒上两勺盐，轻轻摇几下，静置观察.待分析完“模拟冰窗花”实验之后再来分析.
讲解：冰和盐的混合物也是一种降温剂，它的温度最低可以达到零下20多摄氏度.现在请大家观察桌上的易拉罐外表面出现了什么？（学生能知道是霜）
学生分析：霜和冰的特征有明显不同，霜是由微小的冰晶附在物体表面形成的.易拉罐表面开始并没有水，加入冰和盐后，易拉罐温度急剧降低，霜是由周围的水蒸气遇到冷的易拉罐形成的.
提问：这个实验说明了什么呢？
学生分析：气态的水蒸气可以直接变成固态的小冰晶.
五、分组实验：观察干冰升华
目的：为建立升华概念作铺垫.
器材：干冰.
讲解：刚才分发给大家的白色固体现在还有吗？
学生分析：没有了（或只剩下很少了），白色固体并没有熔化变成液体.
提问：这说明了什么？
学生分析：白色固体直接变成了气体跑到空气中了.
六、分组实验：观察碘的升华
目的：加深对升华现象的理解.
器材：碘升华凝华密封管，不锈钢碗，热水等.
讲解：其他物质是否也可以发生升华呢？各小组桌上有一个密封的玻璃管，玻璃管是透明的，管壁清晰、干燥，管内装有颗粒状的碘晶体，想要观察到碘是否能发生明显的升华要怎么办呢？
学生：用酒精灯加热.
讲解：碘的熔点是113 ℃，沸点是184 ℃，而酒精灯加热的温度远远高于碘的熔点和沸点，如果用酒精灯加热会出现什么情况？
学生：碘颗粒不断吸热，当温度达到熔点时就会熔化变成液体，并继续吸热最后发生沸腾变成气体.
引导学生设计实验：应该用温度适宜的热源对碘进行加热.
操作：用手持住玻璃管的手柄，将管身泡在热水中进行加热（水浴法），观察碘颗粒变小，管内产生紫色的碘蒸气.
七、分组实验：观察碘蒸气的凝华
目的：加深对凝华现象的理解.
器材：碘升华凝华密封管.
操作：从热水中取出玻璃管，让管身竖直，用毛巾擦干外面的水，观察碘蒸气颜色逐渐变淡，最后恢复透明，管内壁上附有粉末状的碘晶体.
八、演示实验：升华吸热，凝华放热
目的：经历实验探究，得出升华吸热和凝华放热的规律.
器材：铁架台及附件两套，半封闭式电炉，锥形瓶，单质碘，数显温度计等.
提问：前面我们学习过的四种物态变化过程都有吸热或放热的条件，那么升华和凝华的吸放热情况是怎样的呢？
学生分析：在实验中我们对玻璃管加热，碘就吸收了热量，才发生了明显的升华现象，所以升华要吸热;停止加热后，玻璃管开始冷却，碘蒸气温度下降，放出热量，看到碘蒸气逐渐凝华变成碘晶体，所以凝华要放热.
讲解：同学们的分析很有道理.今天老师给大家准备了一个实验，虽然不是十分严密，但还是能直观地说明升华和凝华的吸热、放热规律.
操作：将两只相同的锥形瓶置于电炉中央上方相同的适当高度处，其中一只加入一药匙的碘颗粒，另一只不加，用橡胶塞盖好，各插入一支数显温度计测量瓶内温度，温度计规格相同，保证探头高度相同.打开电炉电源加热三分钟，再关闭电炉，停止加热并将电炉移开（图5）.将观察到的现象记录在表1中.
学生分析：加热时两只瓶吸收的热量基本相同，瓶内温度上升快慢不同，碘瓶内部温度上升明显更慢，而且看到碘晶体升华变为紫色的碘蒸气，说明碘升华要吸热;停止加热后，瓶子对外界放热，观察到碘蒸气逐渐减少，凝华成碘晶体，碘瓶内温度下降，说明碘凝华要放热.
九、演示实验：灯泡变黑
目的：在实验条件下，短时间内看到灯泡变黑，帮助学生运用所学知识来解释生活中的现象.
器材：无级调压器;“6 V 10 W”机床用小灯泡两只（不能用新型卤素灯泡），玻璃板（包一层汽车贴膜），万用表，灯座，导线，铁架台.
提问：请大家看看日光灯用久了会有什么现象？（灯管两端变黑）与此类似的还有什么？（白炽灯泡）
引导学生分析：白炽灯泡、日光灯管用久了会发黑，说明钨丝发生了升华和凝华.灯泡工作时，灯丝温度很高，有微量的钨发生升华变为钨蒸气;灯泡停止工作时，钨蒸气温度急剧降低，凝华变为钨晶体粉末附着在玻璃泡的内壁上，长时间以后灯泡就变黑了.
讲解：这种现象要经过比较长的时间才能看得出来，但在实验条件控制下可以在短时间内实现，大家想看吗？
操作：取新的“6 V 10 W”小灯泡两只，用无级调压器对其中任一只供电，将电压从零逐渐调到13 V后，持续通电约60秒，再将电压调回零（如图6所示），让学生看到灯丝并没有熔断，再与另一只进行对比，观察其是否变黑.观察过程中将玻璃板挡在灯泡前，避免刺眼.
