高中物理二年級《物態變化中的升華與凝華：微觀機制與現象深度探究》教案

高中物理二年級《物態變化中的升華與凝華：微觀機制與現象深度探究》教案

一、教學背景與設計理念

【基礎】本節內容屬于高中物理選擇性必修模塊中熱學部分的延伸，是在初中階段對物態變化宏觀現象認知的基礎上，進行的深層次微觀機理探究。不同于初中階段僅要求識別現象和判斷吸放熱，高中階段的教學設計必須立足于分子動理論和熱力學定律，引導學生從能量轉化和微觀粒子相互作用的視角，重新審視固態與氣態之間的直接躍遷過程。本設計秉持“大單元教學”與“深度學習”理念，以“物質三態相互轉化的一致性與其內在驅動力”為大概念，通過問題鏈驅動思維，將實驗觀察、理論建模與生活生產實踐緊密結合，旨在培養學生的物理觀念、科學思維和探究能力，落實核心素養的培養目標。

二、教學內容與學情分析

（一）教材分析

【重要】本課題位于熱學部分的收尾階段，既是對熔化和凝固、汽化和液化的鞏固與拓展，更是構建完整“物態變化”知識體系的關鍵一環。教材從宏觀現象入手，逐步過渡到用分子動理論解釋相變過程，最后落腳于自然界水循環和現代科技應用，體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。本節內容涉及固態、液態、氣態三種聚集態之間的六種變化，其中升華和凝華作為兩種特殊的、不經過液態的直接相變過程，對于理解相變的臨界條件、相變潛熱的微觀本質具有不可替代的作用。

（二）學情分析

【基礎】授課對象為高中二年級學生。學生已在初中階段學習了物態變化的基本概念，能夠列舉生活中的升華（如樟腦丸變小、冰凍衣服變干）和凝華（如霜、霧凇）現象，并知道吸放熱情況。然而，學生對于“為何物質可以不經過液態而直接轉化”“固態分子如何獲得能量直接逸散為氣態”“相變過程中的能量究竟被用于做什么”等問題缺乏深度思考。此外，學生已具備一定的分子動理論基礎，但將其應用于解釋宏觀相變過程的能力尚顯薄弱，思維容易停留在“記住結論”的層面，這正是本節課需要突破的難點。

三、教學目標與核心素養對應

（一）物理觀念

1.理解升華和凝華的概念，能準確區分其與熔化、汽化、凝固、液化的區別與聯系。【基礎】

2.從能量觀念出發，理解升華過程吸熱、凝華過程放熱的微觀本質，并能用分子動理論的語言進行表述。【重要】

3.構建完整的物態變化相互轉化圖，形成物質世界相互聯系的觀念。

（二）科學思維

1.通過觀察碘的升華和凝華實驗，運用比較、分類、類比等方法，建立升華和凝華的物理模型。【基礎】

2.能夠運用微觀理論解釋宏觀現象，培養建模與推理論證能力，理解“直接”二字的物理內涵。【難點突破】

3.通過分析自然界和現代科技中的相關現象，培養知識遷移和綜合應用能力。

（三）科學探究

1.經歷“提出問題—猜想假設—實驗驗證—解釋交流”的探究過程，學會設計實驗證明固態與氣態可以直接轉化。【重要】

2.通過干冰（固態二氧化碳）系列趣味實驗，探究升華吸熱在制造特殊現象中的應用原理，培養觀察、分析和歸納能力。

（四）科學態度與責任

1.通過了解水循環中的物態變化，體會自然的和諧與美妙，增強環保意識。

2.通過了解人工增雨、舞臺煙霧等科技應用，感悟物理知識對社會發展的推動作用，激發學習興趣和科學使命感。

四、教學重點與難點

（一）教學重點

1.升華和凝華概念的建立及其吸放熱規律。【基礎】

2.運用升華和凝華知識解釋自然界和生產生活中的相關現象。【高頻考點】

（二）教學難點

1.理解升華和凝華是固態與氣態之間的“直接”轉化，不經歷液態過程。【難點】

2.從分子動理論層面理解升華吸熱和凝華放熱的微觀機制。【非常重要】

五、教學方法與準備

（一）教學方法

問題驅動法、實驗探究法、小組合作學習法、類比分析法。本節課采用“宏觀現象—微觀解釋—符號表征—實際應用”的四階教學模式，引導學生的思維逐層深入。

（二）教學準備

1.【實驗器材】密封的碘升華凝華演示管、酒精燈、火柴、鐵架臺、石棉網、燒杯、熱水、冷水、玻璃片、樟腦丸、功率較大的激光筆、干冰（固態二氧化碳）、透明亞克力箱、洗潔精水、溫水、多媒體課件。

2.【學生分組】4-5人一組，每組配備觀察記錄表和問題卡。

六、教學實施過程（核心環節）

（一）新課引入：從“消失”與“出現”的謎題開始（約5分鐘）

【基礎】教師展示兩個精心設計的現象：第一，展示一個放有樟腦丸（或衛生球）的密封袋，請學生回憶并描述觀察到的現象——樟腦丸逐漸變小直至消失；第二，展示一只長時間使用的舊白熾燈泡，引導學生觀察燈泡玻璃壁內壁上的黑色物質。提出問題：“固體樟腦丸去哪里了？它變成了什么？是否經過了液態？燈泡壁上的黑色物質原本在哪里？它是如何‘跑’到玻璃壁上的？”這兩個問題直指本節課的核心——固態與氣態之間的直接轉化。

【熱點】教師進一步追問：“樟腦丸‘消失’的過程是吸熱還是放熱？黑色物質‘出現’的過程呢？我們能否用學過的物態變化知識來解釋？”此時學生可能會嘗試用熔化、汽化的過程來解釋，但會發現無法完美自洽。教師順勢引出課題：我們今天要探究的就是物質在固態和氣態之間發生的兩種神奇的物變變化——升華和凝華。板書課題，明確學習目標。

（二）實驗探究：碘的升華與凝華——建立概念（約15分鐘）

1.猜想與假設

【基礎】教師出示裝有少量固態碘的密封玻璃管（俗稱“碘錘”），讓學生觀察碘的初始狀態（紫黑色固體）。提出問題：“如果給碘加熱，它會變成什么？請大家大膽猜想。是會先變成液態再變成氣態，還是直接變成氣態？我們如何通過實驗現象來判斷是否經過了液態？”這一問題旨在激發認知沖突，為建立“直接”轉化的概念奠定基礎。

2.設計實驗與觀察

教師引導學生分組討論實驗方案，明確觀察重點：是否有液態碘出現。隨后指導學生進行實驗操作：用酒精燈微微加熱碘錘的底部，觀察碘的狀態變化；停止加熱，將碘錘放入冷水中，觀察玻璃管內壁及內部的變化。

【非常重要】實驗過程中，教師需通過問題串引導深度觀察：

（1）加熱時，你看到了什么現象？紫色氣體是從哪里來的？玻璃管底部是否有液態物質滴落或流動？（強調“直接”）

（2）將碘錘放入冷水后，玻璃管內壁出現了什么？這些固態的碘是直接從哪里來的？管壁上是先出現液態再凝固的嗎？

（3）對比兩次現象，你能總結出物質從固態變成氣態和從氣態變成固態分別需要什么條件嗎？

3.分析論證

實驗結束后，組織小組交流匯報。學生能夠清晰地觀察到：加熱時，固態碘直接變成了紫色的碘蒸氣，沒有液態碘出現；冷卻時，紫色的碘蒸氣直接附著在較冷的玻璃壁表面，變成閃亮的固態碘晶體，同樣沒有液態過程。

【重要】師生共同歸納得出：

升華：物質從固態直接變成氣態的過程。（吸熱）

凝華：物質從氣態直接變成固態的過程。（放熱）

教師板書定義，并特別強調“直接”二字的物理含義，將其與“熔化+汽化”的間接路徑進行對比，用流程圖表示：

（固態）—升華→（氣態）【直接，吸熱】

（氣態）—凝華→（固態）【直接，放熱】

（固態）—熔化→（液態）—汽化→（氣態）【間接，總吸熱】

通過對比，使學生對概念的理解更加精準。

（三）微觀探秘：用分子動理論解釋升華與凝華（約10分鐘）

【非常重要】本環節是實現從“知其然”到“知其所以然”跨越的關鍵。教師引導學生回顧分子動理論的三個基本觀點：物質由大量分子組成；分子在永不停息地做無規則運動；分子間存在相互作用的引力和斥力。

提出問題：

（1）在固態時，分子的排列、運動和相互作用情況如何？（分子排列緊密，在平衡位置附近振動，分子間作用力很大）

（2）在氣態時，分子的情況又如何？（分子間距很大，以高速無規則運動為主，分子間作用力極小）

（3）給固態碘加熱，能量被誰吸收了？這些能量起到了什么作用？

【難點突破】教師運用動態模擬或類比講解：給固態碘加熱，碘分子吸收能量（吸熱），一部分分子的動能迅速增大，當動能增大到足以克服相鄰分子間強大的引力束縛時，這些分子就可以直接從晶體表面“逃逸”出來，分散到空間中成為自由運動的氣體分子。這個過程沒有經過中間液態的“半束縛”狀態，因此是“直接”轉化。

反之，氣態碘分子在遇到冷的玻璃壁時，由于溫度降低，分子平均動能減小，當運動到玻璃表面附近時，被固體表面分子的引力捕獲，動能進一步釋放（放熱），重新排列成規則的晶體結構，直接從氣態變為固態。

教師總結：升華吸熱的微觀本質是用于克服固體分子間的引力，增加分子勢能；凝華放熱的微觀本質是氣體分子在凝聚成固體時，分子勢能減小，以熱能形式釋放出來。這一解釋將宏觀的吸放熱與微觀的分子間作用力和能量變化聯系起來，體現了物理觀念的內在統一性。

（四）現象辨析：鏈接生活，辨識誤區（約10分鐘）

【高頻考點】本環節旨在通過大量生活實例的辨析，鞏固概念，同時揭示學生在判斷中容易出現的思維誤區。

教師呈現一系列現象，組織小組搶答或判斷，并說明理由：

1.自然現象類：

（1）冬夜，北方民居玻璃窗上出現的“冰花”（窗花）。【凝華，放熱】重點辨析位置：室內側還是室外側？（室內側，因為室內水蒸氣遇冷玻璃直接凝華）

（2）深秋清晨，草地上白茫茫的霜。【凝華，放熱】辨析：霜與露的區別？（霜是凝華，露是液化，溫度條件不同）

（3）雪的形成。【重要凝華】辨析：雪是雨凝固而成還是水蒸氣直接凝華？（高空中的水蒸氣直接凝華成冰晶，下落過程中可能熔化或繼續增長）

（4）高山上的積雪，在氣溫低于0℃的晴朗天氣里，為什么會逐漸變少？【升華，吸熱】（直接變成水蒸氣）

2.生活現象類：

（1）用了多年的白熾燈，燈絲變細，內壁發黑。【非常重要高頻考點】這是一個組合過程：鎢絲在高溫下升華變成鎢蒸氣（吸熱），鎢蒸氣接觸到溫度較低的燈泡玻璃內壁時，凝華成固態鎢顆粒（放熱）。【難點】學生常誤以為是熔化后流下，需強調燈絲是固態直接變氣態，沒有熔化。

（2）放在衣柜里的樟腦丸（萘）變小直至消失。【升華，吸熱】注意提醒：現在的樟腦丸多為合成樟腦，成分不同但物態變化相同。

（3）冬天，冰凍的衣服（冰）在室外晾干。【升華，吸熱】辨析：與濕衣服晾干的區別？（濕衣服是液態水汽化，冰凍衣服是固態冰升華）

（4）用久的“防潮劑”（如硅膠干燥劑）吸潮后，但有些固體清新劑是直接變小消失。讓學生根據現象判斷屬于哪種變化。

3.辨析易錯點：

【熱點】教師呈現幾組易混淆的表述，由學生判斷正誤：

（1）霧凇是水蒸氣液化后凝固形成的。（錯誤，是水蒸氣直接凝華）

（2）干冰制造的舞臺白霧是二氧化碳氣體。（錯誤，白霧是液化的小水珠，干冰升華吸熱使水蒸氣液化）

（3）雪糕表面的白霜是冰箱中的水蒸氣凝華形成的。（正確）

通過正反例的對比，強化學生對“直接轉化”特征的理解，能夠準確識別各種復雜的物態變化情境。

（五）深度拓展：干冰系列實驗與科技應用（約15分鐘）

【重要】【熱點】干冰（固態二氧化碳）是研究升華現象及其應用的絕佳素材。本環節設計三個層層遞進的實驗活動，讓學生在驚奇中深化理解，提升科學探究興趣。

1.實驗一：干冰的常規升華與凝華觀察

每組分配小塊干冰，用鑷子夾取（嚴禁直接接觸，以防凍傷），放入燒杯中。觀察：常溫下干冰迅速發生變化，產生大量白色氣體（實際上是二氧化碳氣體，無色，我們看到的“白氣”不是二氧化碳本身，而是？——引出實驗二）。

2.實驗二：制造“舞臺煙霧”——探究白霧成因

【非常重要】將干冰放入裝有溫水的燒杯中，瞬間產生大量滾滾白霧，煙霧下沉。教師引導學生思考并討論：

（1）我們看到的“白霧”是二氧化碳氣體嗎？（不是，二氧化碳無色）那么“白霧”究竟是什么？（是液化的小水珠）

（2）小水珠從何而來？（來自空氣中的水蒸氣）

（3）水蒸氣為什么會液化成小水珠？（干冰升華時從周圍空氣中吸收大量的熱，使周圍空氣溫度急劇下降，空氣中的水蒸氣遇冷液化形成大量小水滴，懸浮在空氣中形成白霧）

（4）為什么這些“白霧”會下沉？（因為小水珠密度比空氣大，且周圍的冷空氣密度也增大，在重力作用下下沉）

通過這一系列問題鏈，引導學生厘清了“干冰升華—吸熱降溫—水蒸氣液化”的因果鏈條，澄清了“白霧是二氧化碳”的常見誤解，同時復習了液化的知識，體現了知識的綜合性。

3.實驗三：干冰泡泡——“抓住”升華的二氧化碳

在透明容器中加入洗潔精和少量溫水，放入一小塊干冰。此時，容器口會冒出大量由二氧化碳氣體填充的泡泡，這些泡泡會下沉并破裂，產生有趣的景觀。教師啟發思考：泡泡中的氣體是什么？為什么泡泡會下沉？這個實驗直觀地展示了升華產生的二氧化碳氣體，其密度比空氣大，再次印證了實驗二的分析。

【熱點拓展】播放人工增雨的視頻資料，引導學生分析其中涉及的物態變化過程：

干冰（固態二氧化碳）→升華→吸熱→周圍空氣溫度急劇下降→高空中的水蒸氣凝華成小冰晶（或液化成小水滴）→小冰晶下落過程中遇到暖氣流熔化成雨滴→增大下落形成降雨。

學生分析出其中涉及的物態變化：升華、凝華、熔化。教師強調，這是一次成功的“氣象干預”，其核心就是利用了升華吸熱的原理。此外，還可拓展干冰在冷鏈運輸、食品保鮮、工業清洗等領域的應用，讓學生感受到物理知識改變世界的巨大力量。

（六）體系構建：完善物態變化全景圖（約5分鐘）

【基礎】教師引導學生回顧已學過的全部六種物態變化：熔化、凝固、汽化、液化、升華、凝華。請學生在筆記本上自主繪制“物態變化關系與吸放熱規律”的結構圖。隨后請一位學生在黑板上展示繪制成果，師生共同修正完善。

最終形成的知識網絡應包含：

固態?液態（熔化吸熱、凝固放熱）

液態?氣態（汽化吸熱、液化放熱）

固態?氣態（升華吸熱、凝華放熱）

教師引導學生從宏觀規律中提煉出一條普適性結論：無論是哪種物態變化，凡是物質從密度大、分子排列緊密的狀態向密度小、分子排列松散的狀態轉變（如固態到液態到氣態），都需要吸熱；反之，從松散到緊密的狀態轉變，都要放熱。這一歸納將知識提升到了能量觀和物質觀的高度。

【難點】教師可略作延伸，簡單提及“三相點”的概念：即在特定的溫度和壓強條件下，物質的三相可以共存，而升華和凝華的發生需要物質的溫度和氣壓低于三相點。這為學生后續深入學習或在競賽中遇到相關問題時埋下伏筆。

（七）課堂總結與反饋（約3分鐘）

教師引導學生從以下三個方面進行總結：

1.知識層面：我學到了什么是升華和凝華？它們的吸放熱規律是怎樣的？我能用微觀理論解釋嗎？

2.方法層面：本節課我們運用了哪些學習方法？（實驗觀察、微觀建模、對比分析、聯系生活等）

3.思維層面：我對“直接”二字有了怎樣新的理解？對于物態變化的整體認識有哪些提升？

請幾位學生分享收獲，教師予以肯定和補充。

（八）分層作業與課后探究（約2分鐘）

【基礎必做】

1.完成課后練習題，重點辨析生活中常見的升華和凝華現象。

2.觀察家中冰箱冷凍室或冷藏室，尋找可能存在的升華和凝華現象（如冰盒里的冰是否變少、冷凍室壁上的霜是如何形成的），并嘗試用所學知識解釋。

【拓展選做】（針對學有余力的學生）

3.【探究性學習】查閱資料，了解“人造雪”的制作原理，分析其中涉及的物態變化。或者探究“3D打印”中使用的某些粉末材料（如某些尼龍粉末）在激光燒結成型過程中，是否涉及升華或凝華過程？

4.【項目式學習】以“舞臺效果中的物理”為主題，設計一個