升华与凝华：物态变化的临界探索

升华与凝华：物态变化的临界探索

——初中九年级物理（沪科版）全一册培优教学设计

一、教学背景分析

（一）课标解读与教材定位

本节课内容属于“物质”这一一级主题下的“物态变化”二级主题。课程标准要求学生能区别升华与凝华现象，并能用这些知识解释生活中的相关现象。相较于基础课程，培优教学需在此基础上，深化对升华与凝华过程中分子动理论本质的理解，探讨其与熔点、沸点及饱和汽压的内在联系，并能综合运用物态变化知识分析更为复杂的自然现象与科技应用，培养学生的物质观念、能量观念及模型建构的科学思维。本课在教材中位于熔化和凝固、汽化和液化之后，是物态变化知识体系的完结篇，也是对学生前概念整合与应用能力的一次提升。

（二）学情分析与认知起点

学生已经学习了熔化和凝固、汽化和液化，对物态变化的条件和吸放热规律有了基本认识。然而，对于固态与气态之间的直接转变，由于生活中常见例子（如“樟脑丸变小”、“霜的形成”）背后的原理较为隐蔽，学生可能存在“固体必须先熔化再汽化”、“霜是露水凝固而来”等迷思概念。九年级学生具备了一定的实验探究能力和抽象思维能力，但在建立微观模型与宏观现象之间的联系、进行多因素综合分析方面仍有不足。培优教学需要精准诊断这些迷思概念，通过高阶思维活动和实证探究，帮助学生实现概念的转变与深化。

二、教学目标设计

（一）物理观念

1.能从分子动理论的角度【基础】理解升华是物质从固态直接变为气态，凝华是物质从气态直接变为固态，这两种过程都是分子运动剧烈程度发生质变的表现。

2.能准确辨识生活及自然界中常见的升华与凝华现象【高频考点】，并能运用物态变化观念解释其成因，形成“物质状态随温度等条件变化”的动态物质观。

3.深入理解升华吸热、凝华放热【重要】，并能将其纳入物态变化的能量守恒框架中，构建完整的能量观念。

（二）科学思维

1.模型建构：能够构建固态、液态、气态三种状态下分子间作用力与分子排列的微观模型，并以此模型解释升华与凝华的微观机制【难点】。

2.科学推理：基于实验现象和证据，推理出升华和凝华发生的条件，并能够辨析其与蒸发、沸腾等过程的异同，培养严谨的逻辑推理能力。

3.质疑创新：通过对“人工造雪”、“舞台烟雾”等前沿或艺术案例的讨论【热点】，敢于对传统解释提出质疑，探索实现特定物态变化的新方法、新途径。

（三）科学探究

1.问题探究：通过“探究碘的升华与凝华”实验【非常重要】，经历“提出问题—猜想假设—设计实验—进行实验—收集证据—解释结论—交流评估”的完整科学探究过程。

2.证据意识：能够严谨地观察并记录碘升华实验中的现象，特别是对“是否存在液态碘”进行重点辨析，获取可靠证据以支持结论。

3.合作交流：在小组实验和案例分析中，能够有效沟通，协作解决问题，并对不同观点进行客观评估。

（四）科学态度与责任

1.通过探究“霜”与“雾凇”的形成【热点】，激发对大自然奇妙现象的探究欲望，养成实事求是的科学态度。

2.了解干冰（固态二氧化碳）在人工降雨、食品冷藏、冷链运输等领域的重要应用，认识物理知识对社会发展和环境保护的积极意义【重要】，树立科技服务人类的价值观。

三、教学重难点

（一）教学重点

1.识别生活中的升华与凝华现象，并准确判断其吸放热情况。【高频考点】

2.通过实验探究，理解升华与凝华的概念及其发生的条件。

3.用分子动理论的观点初步解释升华与凝华现象。【基础】

（二）教学难点

1.区分升华与先熔化后汽化、凝华与先液化后凝固的过程，辨析“白气”与“白烟”的本质区别。

2.理解升华和凝华过程中物质的内能变化与分子势能、分子动能变化的关系。

3.将升华凝华与熔点、沸点、饱和汽压等概念建立联系，解释复杂情境下的物态变化。

四、教学方法与准备

（一）教学方法

采用“问题驱动—实验探究—模型建构—迁移应用”的探究式教学模式。融合讲授法、实验法、讨论法、案例分析法。强调学生的自主构建与高阶思维参与。

（二）教学准备

1.分组实验器材：碘升华实验装置（试管、酒精灯、铁架台、石棉网、烧杯、冷水）、樟脑丸、松枝、细线、放大镜。

2.演示实验器材：干冰（固态二氧化碳）、透明容器、热水、蜡烛、火柴、深色金属盘、电热吹风机、易拉罐、温度计、盐、碎冰。

3.多媒体资源：展示“霜”、“雾凇”、“雪”、“冰冻衣服变干”、“舞台烟雾”、“人工降雨”等高清图片与视频；微观粒子动态模拟软件（或动画）。

五、教学实施过程（核心环节）

一、情境创设与概念锚定

（一）激趣引入，暴露前概念

教师首先在讲台上展示一个刚从冰柜取出的、外壁布满霜的易拉罐啤酒，并向学生提问：“大家观察到了什么？易拉罐外壁的‘白霜’是怎么形成的？”学生基于生活经验和已有知识，可能会回答“是空气中的水蒸气遇冷变成的小冰晶”、“是罐壁上的水结成的冰”或“是空气中的水先液化再凝固”。教师不急于评判，而是继续展示一个放在透明密封袋中、已经明显变小且表面附着有白色粉末的樟脑丸（卫生球），并提问：“樟脑丸为什么变小了？表面的粉末是什么？它是怎么来的？”这两个情境紧密联系生活【热点】，能迅速激发认知冲突，精准暴露学生可能存在的“霜是水凝固而来”、“固体变小一定是先熔化”等迷思概念，为新课的深度学习做好铺垫。

（二）目标呈现，明确探究方向

教师基于学生的问题，顺势引出本节课的核心探究任务：“物质能否从固态不经过液态，直接变成气态？反之，气态能否直接变成固态？如果可以，这个过程遵循怎样的规律？在生活和科技中又有哪些应用？”从而明确本节课的【基础】概念探究方向和【重要】的知识价值，引导学生带着明确的问题进入学习状态。

二、概念建立与微观探析

（一）实验探究：碘的升华与凝华【非常重要】

1.猜想与假设：教师引导学生对樟脑丸和易拉罐霜的形成原因进行初步猜想，并聚焦于碘的升华实验，作为验证“固态与气态直接转变”的核心证据。教师提出问题：“如果给碘锤（装有少量碘晶体的密封玻璃管）微微加热，碘可能会发生什么变化？冷却后又会怎样？”

2.设计与进行实验：学生分组实验，用酒精灯对碘锤的一端微微加热（强调使用石棉网或小火，防止温度过高），仔细观察碘锤内发生的现象。重点观察：是否有液态碘出现？固态碘是否直接减少？加热端附近玻璃壁上有何现象？随后停止加热，将碘锤的加热端放入冷水中冷却，再次观察现象。

3.证据收集与分析：学生细致记录实验现象。加热时，观察到固态碘晶体直接变成紫色的碘蒸气，充满试管，且没有看到液态碘出现。冷却时，紫色的碘蒸气直接消失，在较冷的玻璃壁上析出晶莹的固态碘晶体。

4.结论与解释：学生汇报交流，得出结论：固态碘可以直接变成气态的碘蒸气，这个过程叫升华；气态的碘蒸气可以直接变成固态的碘，这个过程叫凝华。教师引导学生从分子动理论进行微观解释【难点】：加热时，碘分子吸收热量，分子运动加剧，一部分动能极大的分子直接克服了固态时分子间强大的作用力束缚，跃迁到空气中成为自由分子，这是升华；冷却时，气态碘分子运动减缓，其动能不足以维持自由状态，分子间作用力重新“捕获”它们，使其有规则地排列形成晶体，这是凝华。通过微观动画模拟，直观展示分子间作用力与分子热运动的博弈，帮助学生实现从宏观现象到微观机制的思维跃迁，建立清晰的物理模型。

（二）辨析与深化：严格的条件性

教师提出思辨性问题：【难点】“为什么实验中强调‘微微加热’？如果对碘锤持续、猛烈地加热，会观察到什么现象？”引导学生联系已有知识（熔点和沸点），认识到碘在标准大气压下有固定的熔点（113.7℃）和沸点（184.4℃）。微微加热，温度未达到其熔点时，固态碘就能直接升华。但如果猛烈加热，使其温度迅速超过熔点甚至沸点，就会观察到熔化甚至沸腾现象。这表明，升华和凝华的发生是有严格条件的，主要取决于温度和气压。升华是固态物质在其熔点以下，由表面分子直接汽化的过程。这个辨析过程至关重要，它彻底厘清了学生对“升华就是直接变成气”的简单化理解，使其认识到物态变化是受温压条件控制的复杂过程，升华与先熔化后汽化（即熔化和汽化两个过程）存在本质区别。这为学生【高频考点】中准确判断各种物态变化现象奠定了坚实的理论基础。

三、现象辨析与规律归纳

（一）回归生活，辨识升华与凝华现象【高频考点】

1.剖析初始问题：引导学生用刚建立的升华凝华概念，重新解释“樟脑丸变小”和“易拉罐外壁的霜”。樟脑丸变小是固态物质直接变成气态，属于升华现象，吸热。易拉罐外壁的霜，是因为罐体温度极低，使周围空气中的水蒸气遇冷直接从气态变成固态小冰晶，属于凝华现象，放热。同时，教师引导学生辨析：“如果是罐壁上渗出的水结冰，那是凝固，需要罐体温度低于0℃且表面有水。而霜的形成，水蒸气来自空气，不需罐体有水，只要温度足够低（低于0℃且低于空气的露点）即可。”通过这种对比分析，精准击破学生的迷思概念。

2.拓展举例：师生共同列举生活中的其他升华和凝华现象。升华现象：【重要】冰冻的衣服在寒冬里也能晾干（冰升华）；用久的白炽灯灯丝变细（钨丝高温升华）；舞台上撒干冰产生的“烟雾”效果（干冰升华吸热，使周围水蒸气遇冷液化或凝华形成小液滴/小冰晶）；衣柜里的樟脑丸/卫生球变小；利用“碘锤”进行物理实验。凝华现象：【重要】初冬季节，瓦片上的白霜；寒冷的早晨，窗玻璃内侧出现的冰花（室内温暖水蒸气遇到极冷玻璃直接凝华）；雪的形成（云层中的水蒸气直接凝华为小冰晶，下落过程中未融化而形成雪）；雾凇（过冷水雾滴或水蒸气直接凝华在树枝等物体上形成的白色冰晶）；深秋季节，草地上、农作物上的霜。

3.重点辨析：“白气”与“白烟”【非常重要】：“舞台上的烟雾是干冰升华形成的吗？”教师提问，引发深入思考。学生讨论后明确：干冰升华产生的是无色的二氧化碳气体，并非可见的“白烟”。我们看到的是干冰升华时从周围大量吸热，导致空气温度急剧下降，使空气中的水蒸气遇冷液化（或凝华）形成的大量小水珠（或小冰晶）悬浮在空气中，看起来像“白烟”。同样，冬天人呼出的“白气”是呼出的水蒸气遇冷液化形成的，不是汽化。而燃烧产生的“烟”是固体小颗粒，与凝华无关。这个辨析过程，整合了已学的所有物态变化，培养了学生综合分析和辨别真伪的能力。

（二）归纳吸放热规律

引导学生基于实验感受和大量生活现象，归纳升华和凝华的吸放热规律。升华是物质从固态到气态，分子间距急剧增大，需要克服巨大的分子间作用力做功，因此必须从外界吸收热量，这是一个吸热过程【重要】。凝华则是其逆过程，分子间距减小，分子间作用力做正功，分子势能减小，以热能形式释放出去，因此是一个放热过程【重要】。教师可将此规律与已学的熔化吸热、凝固放热、汽化吸热、液化放热规律整合，形成完整的物态变化能量图谱，强化学生的能量观念。

四、模型深化与综合应用（培优环节）

（一）探究“霜”与“雾凇”的形成机制【热点】【非常重要】

1.演示实验：模拟霜的形成。在一个易拉罐中装入大量碎冰和适量盐，插入温度计，搅拌，观察易拉罐外壁的变化。学生观察到温度计示数迅速降至0℃以下，不久罐体外壁出现了白霜。教师提问：“这个过程中，水蒸气是哪里来的？为什么加入盐可以使温度降得更低？”（联系盐水的凝固点低于纯水）。

2.深层探究：教师引导学生结合地理和气象知识，探讨自然界中霜的形成条件。霜通常形成于晴朗、无风或微风的夜晚。晴朗的夜晚，地面辐射冷却强烈，近地面空气温度迅速下降。当温度降到0℃以下，并且低于空气中水蒸气的露点（即水蒸气达到饱和的温度）时，多余的水蒸气就会直接在地面物体（如草、瓦片）的表面上凝华成霜。【难点】如果风太大，上下层空气容易混合，不易使贴近地面的空气降温到露点以下；如果云层较厚，像一层被子，会减缓地面辐射散热，温度也不易降得过低。雾凇的形成则更为复杂，可以是过冷却雾滴碰撞到物体上迅速冻结（属于凝固过程），也可以是水蒸气直接凝华而成。通过这样的综合分析，学生不仅运用了物理知识，还融合了气象学知识，体现了【跨学科视野】，提升了解决复杂问题的能力。

（二）科技前沿与工程实践：人工影响天气【热点】【非常重要】

1.案例引入：播放一段关于人工降雨（或人工增雨/雪）的视频资料。教师提问：“人工降雨运用了哪些物态变化原理？其中，升华和凝华扮演了什么角色？”

2.原理剖析：教师讲解人工降雨（特别是冷云催化）的常用方法。一种是向云中播撒干冰（固态二氧化碳）。干冰升华（吸热）会迅速降低云层温度，使云中的水蒸气达到过饱和状态，从而大量凝华成冰晶。另一种是播撒碘化银等凝华核。碘化银的晶体结构与水冰晶非常相似，能起到“冰核”的作用，使云中的水蒸气更容易附着在其表面直接凝华成冰晶。冰晶长大到一定程度后下落，可能融化形成雨滴（熔化），也可能直接以雪、霰等形式降落到地面。这个案例，整合了升华（干冰）、凝华（冰晶形成）、熔化、液化等多个物态变化过程，展现了物理知识在改造自然、服务人类生产生活（如缓解干旱、扑灭森林火灾、改善空气质量）中的巨大威力。

3.拓展讨论：引导学生课后查阅资料，探讨人工防雹、消雾等技术的原理，并思考其中可能涉及的风险和伦理问题，培养学生的科学批判精神和社会责任感。

（三）思维导图与知识体系构建

1.课堂总结：教师引导学生以思维导图的形式，将本节课所学的升华与凝华知识，融入到整个物态变化的知识网络中。中心是“物态变化”，向外辐射出“熔化（吸热）”、“凝固（放热）”、“汽化（吸热）”、“液化（放热）”、“升华（吸热）”、“凝华（放热）”六个分支。在每个分支上，标注其定义、微观解释、条件、生活中的典型实例【基础】以及【高频考点】。重点强化各变化之间的区别与联系，特别是升华与先熔化再汽化的区别，凝华与先液化再凝固的区别。

2.难点突破：教师特别强调【难点】：物态变化的路径并非唯一，从固态到气态，既可以选择“升华”的直接路径，也可以选择“先熔化后汽化”的间接路径。选择哪条路径，取决于物质本身的性质（熔点、沸点）以及外部条件（温度、气压）。这使学生对物质的状态变化有了更深刻、更辩证的认识，避免了思维定式。

六、板书设计

（采用纲目式，体现核心结构与逻辑）

第四节升华与凝华

一、升华

1.定义：物质从固态直接变成气态的过程。（【基础】直接转变，不经过液态）

2.微观解释：吸热→分子运动加剧→克服束缚逸出。

3.吸热特点：吸热（【重要】利用：干冰制冷