认识熔化凝固图像

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自然界发生的熔化与凝固现象实在是太常见了：河水结冰、冰川消融……下面，我们通过实验“探究冰、石蜡的熔化特点”来阐述一下如何科学合理地运用图像法来研究物理问题.

探究过程：设计如图1装置

在图1甲试管中放入碎冰，并在碎冰中插入温度计，利用空气对冰进行加热，每隔0.5min记录一下温度计的示数，同时注意观察试管中冰的状态变化，直到冰块全部熔化后2min为止.

在图1乙试管中放入碎石蜡，并在碎石蜡中插入温度计，利用水浴法对石蜡均匀加热，每隔0.5min记录一下温度计的示数，同时注意观察试管中石蜡的状态变化，直到石蜡全部熔化后2min为止.

将实验收集的数据记录在表格中：

（下表为笔者收集的实验数据）

对实验数据进行整理和分析，可以总结出冰和石蜡在熔化前、熔化过程中和熔化后三个阶段的温度特点和状态特点：

冰在整个实验过程中不断吸热，熔化前温度上升，呈固态；熔化过程中温度不变，呈固液共存态；熔化结束后温度不断上升，呈液态.

石蜡在整个实验过程中不断吸热，熔化前温度上升，呈固态；熔化过程中温度上升，由固态逐渐变软、变粘稠、能流淌；熔化结束后温度上升，呈液态.

为了更直观地表示并研究温度随时间变化的规律，我们采用图像法.首先要画出方格纸，一般用纵轴表示温度，横轴表示时间，根据表中数据在方格纸上描点，然后将这些点用平滑曲线连接，便得到了冰和石蜡熔化时温度随时间变化的图像，如图2.（同理我们也能得到凝固图）

通过对比表格和图像，我们发现，应用图像法对实验数据进行处理后，能更直观地体现规律，有助于对熔化和凝固知识的理解与掌握.

根据图像可以看出冰有固定的熔化温度——熔点，且在熔化过程中温度保持不变.而石蜡没有固定的熔化温度，且在整个过程中温度一直上升.因此，我们根据实验中出现的差异，将类似于冰一样的有固定熔化温度的固体称为晶体，将类似于石蜡一样的没有固定熔化温度的固体称为非晶体.

那么，如何理解图像的物理含义呢？

图3是晶体的熔化图像，图像中各线段所表示的过程及物理意义为：

AB段表示固态晶体的吸热升温过程.

BC段表示晶体的熔化过程，该过程中，晶体不断吸热，但温度保持不变，BC段对应的温度值就是该晶体的熔点，BC段对应的时间即为熔化时间.

CD段表示晶体的液态吸热升温过程.

B点表示该晶体温度刚上升到熔点，将要熔化还未熔化的瞬间，此时仍处于固态.

C点表示该晶体刚熔化结束，将要升温还未升温的瞬间，此时全部为液态.

图4为非晶体的熔化图像，通过图像能快速发现非晶体的熔化特点：吸热、不断升温、没有固定的熔化温度.

同理我们也能解释晶体和非晶体的液态凝固图像的物理意义.

图5为晶体的液态凝固图像，图像中各线段所表示的过程及物理意义为：

DE段表示晶体的液态放热降温过程.

EF段表示晶体的液态凝固过程，该过程中，物质继续放热，但温度保持不变，EF段对应的温度值就是该晶体的凝固点，EF段对应的时间即为凝固时间.

FG段表示固态晶体放热降温过程.

E点表示该晶体的液态温度刚下降到凝固点，将要凝固还未凝固的瞬间，此时仍处于液态.

F点表示该晶体刚凝固结束，将要降温还未降温的瞬间，此时全部为固态.

通过图6也能快速发现非晶体的液态凝固特点：放热、不断降温、没有固定的凝固温度.

请同学们根据图7回答：

（1）反应晶体熔化、凝固时温度变化规律的是图 .

（2）图线中线段 表示晶体在熔化过程中，图线中线段 表示晶体在凝固过程中.

（3）把A和C两种物质混合在一起（假设它们不会发生化学变化），在温度升高过程中， 将先熔化，在温度降低过程中， 先凝固.

解析 （1）A中FG段温度保持不变，C中LM段温度保持不变，所以A、C是晶体.B、D温度在整个过程不断变化，所以是非晶体.故答案为A、C.

（2）A中温度随时间有上升的趋势，所以A为晶体的熔化图像，FG段温度保持不变，所以FG表示晶体的熔化过程.C中温度随时间有下降的趋势，所以C为晶体液态时的凝固图像，LM段温度保持不变，所以LM为晶体液态时的凝固过程.故答案为FG；LM.

（3）由图知：A的熔点（或凝固点）为80℃，C的熔点（或凝固点）为30℃.所以在温度升高时，先达到C的熔点，所以C先熔化，在温度降低时A先凝固.故答案为C；A.

说明 晶体熔化需要同时具备两个条件：一是温度要达到熔点；二是能继续吸热.同理，液体凝固成晶体的条件是：温度下降到凝固点并能继续放热.

在熔点或凝固点时的晶体可能是固态，可能是液态，还可能是固液共存态.如图8中，B点是固态，C点是液态，BC之间的任一点都是固液共存态.因此，我们可以通过测量晶体呈固液共存态时的温度来知道它的熔点和凝固点，并能发现同种晶体熔点和凝固点是相同的.

温度处于熔点的物质是发生熔化还是凝固以及是否发生物态变化都是不确定的，这要看物质达到熔点后是吸热还是放热以及是否能吸放热.只有对实际情景进行具体分析，才能做出具体的判断，切不可想当然得出结论.