高中物理二年级《物态变化中的升华与凝华：微观机制与现象深度探究》教案

高中物理二年级《物态变化中的升华与凝华：微观机制与现象深度探究》教案

一、教学背景与设计理念

【基础】本节内容属于高中物理选择性必修模块中热学部分的延伸，是在初中阶段对物态变化宏观现象认知的基础上，进行的深层次微观机理探究。不同于初中阶段仅要求识别现象和判断吸放热，高中阶段的教学设计必须立足于分子动理论和热力学定律，引导学生从能量转化和微观粒子相互作用的视角，重新审视固态与气态之间的直接跃迁过程。本设计秉持“大单元教学”与“深度学习”理念，以“物质三态相互转化的一致性与其内在驱动力”为大概念，通过问题链驱动思维，将实验观察、理论建模与生活生产实践紧密结合，旨在培养学生的物理观念、科学思维和探究能力，落实核心素养的培养目标。

二、教学内容与学情分析

（一）教材分析

【重要】本课题位于热学部分的收尾阶段，既是对熔化和凝固、汽化和液化的巩固与拓展，更是构建完整“物态变化”知识体系的关键一环。教材从宏观现象入手，逐步过渡到用分子动理论解释相变过程，最后落脚于自然界水循环和现代科技应用，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。本节内容涉及固态、液态、气态三种聚集态之间的六种变化，其中升华和凝华作为两种特殊的、不经过液态的直接相变过程，对于理解相变的临界条件、相变潜热的微观本质具有不可替代的作用。

（二）学情分析

【基础】授课对象为高中二年级学生。学生已在初中阶段学习了物态变化的基本概念，能够列举生活中的升华（如樟脑丸变小、冰冻衣服变干）和凝华（如霜、雾凇）现象，并知道吸放热情况。然而，学生对于“为何物质可以不经过液态而直接转化”“固态分子如何获得能量直接逸散为气态”“相变过程中的能量究竟被用于做什么”等问题缺乏深度思考。此外，学生已具备一定的分子动理论基础，但将其应用于解释宏观相变过程的能力尚显薄弱，思维容易停留在“记住结论”的层面，这正是本节课需要突破的难点。

三、教学目标与核心素养对应

（一）物理观念

1.理解升华和凝华的概念，能准确区分其与熔化、汽化、凝固、液化的区别与联系。【基础】

2.从能量观念出发，理解升华过程吸热、凝华过程放热的微观本质，并能用分子动理论的语言进行表述。【重要】

3.构建完整的物态变化相互转化图，形成物质世界相互联系的观念。

（二）科学思维

1.通过观察碘的升华和凝华实验，运用比较、分类、类比等方法，建立升华和凝华的物理模型。【基础】

2.能够运用微观理论解释宏观现象，培养建模与推理论证能力，理解“直接”二字的物理内涵。【难点突破】

3.通过分析自然界和现代科技中的相关现象，培养知识迁移和综合应用能力。

（三）科学探究

1.经历“提出问题—猜想假设—实验验证—解释交流”的探究过程，学会设计实验证明固态与气态可以直接转化。【重要】

2.通过干冰（固态二氧化碳）系列趣味实验，探究升华吸热在制造特殊现象中的应用原理，培养观察、分析和归纳能力。

（四）科学态度与责任

1.通过了解水循环中的物态变化，体会自然的和谐与美妙，增强环保意识。

2.通过了解人工增雨、舞台烟雾等科技应用，感悟物理知识对社会发展的推动作用，激发学习兴趣和科学使命感。

四、教学重点与难点

（一）教学重点

1.升华和凝华概念的建立及其吸放热规律。【基础】

2.运用升华和凝华知识解释自然界和生产生活中的相关现象。【高频考点】

（二）教学难点

1.理解升华和凝华是固态与气态之间的“直接”转化，不经历液态过程。【难点】

2.从分子动理论层面理解升华吸热和凝华放热的微观机制。【非常重要】

五、教学方法与准备

（一）教学方法

问题驱动法、实验探究法、小组合作学习法、类比分析法。本节课采用“宏观现象—微观解释—符号表征—实际应用”的四阶教学模式，引导学生的思维逐层深入。

（二）教学准备

1.【实验器材】密封的碘升华凝华演示管、酒精灯、火柴、铁架台、石棉网、烧杯、热水、冷水、玻璃片、樟脑丸、功率较大的激光笔、干冰（固态二氧化碳）、透明亚克力箱、洗洁精水、温水、多媒体课件。

2.【学生分组】4-5人一组，每组配备观察记录表和问题卡。

六、教学实施过程（核心环节）

（一）新课引入：从“消失”与“出现”的谜题开始（约5分钟）

【基础】教师展示两个精心设计的现象：第一，展示一个放有樟脑丸（或卫生球）的密封袋，请学生回忆并描述观察到的现象——樟脑丸逐渐变小直至消失；第二，展示一只长时间使用的旧白炽灯泡，引导学生观察灯泡玻璃壁内壁上的黑色物质。提出问题：“固体樟脑丸去哪里了？它变成了什么？是否经过了液态？灯泡壁上的黑色物质原本在哪里？它是如何‘跑’到玻璃壁上的？”这两个问题直指本节课的核心——固态与气态之间的直接转化。

【热点】教师进一步追问：“樟脑丸‘消失’的过程是吸热还是放热？黑色物质‘出现’的过程呢？我们能否用学过的物态变化知识来解释？”此时学生可能会尝试用熔化、汽化的过程来解释，但会发现无法完美自洽。教师顺势引出课题：我们今天要探究的就是物质在固态和气态之间发生的两种神奇的物变变化——升华和凝华。板书课题，明确学习目标。

（二）实验探究：碘的升华与凝华——建立概念（约15分钟）

1.猜想与假设

【基础】教师出示装有少量固态碘的密封玻璃管（俗称“碘锤”），让学生观察碘的初始状态（紫黑色固体）。提出问题：“如果给碘加热，它会变成什么？请大家大胆猜想。是会先变成液态再变成气态，还是直接变成气态？我们如何通过实验现象来判断是否经过了液态？”这一问题旨在激发认知冲突，为建立“直接”转化的概念奠定基础。

2.设计实验与观察

教师引导学生分组讨论实验方案，明确观察重点：是否有液态碘出现。随后指导学生进行实验操作：用酒精灯微微加热碘锤的底部，观察碘的状态变化；停止加热，将碘锤放入冷水中，观察玻璃管内壁及内部的变化。

【非常重要】实验过程中，教师需通过问题串引导深度观察：

（1）加热时，你看到了什么现象？紫色气体是从哪里来的？玻璃管底部是否有液态物质滴落或流动？（强调“直接”）

（2）将碘锤放入冷水后，玻璃管内壁出现了什么？这些固态的碘是直接从哪里来的？管壁上是先出现液态再凝固的吗？

（3）对比两次现象，你能总结出物质从固态变成气态和从气态变成固态分别需要什么条件吗？

3.分析论证

实验结束后，组织小组交流汇报。学生能够清晰地观察到：加热时，固态碘直接变成了紫色的碘蒸气，没有液态碘出现；冷却时，紫色的碘蒸气直接附着在较冷的玻璃壁表面，变成闪亮的固态碘晶体，同样没有液态过程。

【重要】师生共同归纳得出：

升华：物质从固态直接变成气态的过程。（吸热）

凝华：物质从气态直接变成固态的过程。（放热）

教师板书定义，并特别强调“直接”二字的物理含义，将其与“熔化+汽化”的间接路径进行对比，用流程图表示：

（固态）—升华→（气态）【直接，吸热】

（气态）—凝华→（固态）【直接，放热】

（固态）—熔化→（液态）—汽化→（气态）【间接，总吸热】

通过对比，使学生对概念的理解更加精准。

（三）微观探秘：用分子动理论解释升华与凝华（约10分钟）

【非常重要】本环节是实现从“知其然”到“知其所以然”跨越的关键。教师引导学生回顾分子动理论的三个基本观点：物质由大量分子组成；分子在永不停息地做无规则运动；分子间存在相互作用的引力和斥力。

提出问题：

（1）在固态时，分子的排列、运动和相互作用情况如何？（分子排列紧密，在平衡位置附近振动，分子间作用力很大）

（2）在气态时，分子的情况又如何？（分子间距很大，以高速无规则运动为主，分子间作用力极小）

（3）给固态碘加热，能量被谁吸收了？这些能量起到了什么作用？

【难点突破】教师运用动态模拟或类比讲解：给固态碘加热，碘分子吸收能量（吸热），一部分分子的动能迅速增大，当动能增大到足以克服相邻分子间强大的引力束缚时，这些分子就可以直接从晶体表面“逃逸”出来，分散到空间中成为自由运动的气体分子。这个过程没有经过中间液态的“半束缚”状态，因此是“直接”转化。

反之，气态碘分子在遇到冷的玻璃壁时，由于温度降低，分子平均动能减小，当运动到玻璃表面附近时，被固体表面分子的引力捕获，动能进一步释放（放热），重新排列成规则的晶体结构，直接从气态变为固态。

教师总结：升华吸热的微观本质是用于克服固体分子间的引力，增加分子势能；凝华放热的微观本质是气体分子在凝聚成固体时，分子势能减小，以热能形式释放出来。这一解释将宏观的吸放热与微观的分子间作用力和能量变化联系起来，体现了物理观念的内在统一性。

（四）现象辨析：链接生活，辨识误区（约10分钟）

【高频考点】本环节旨在通过大量生活实例的辨析，巩固概念，同时揭示学生在判断中容易出现的思维误区。

教师呈现一系列现象，组织小组抢答或判断，并说明理由：

1.自然现象类：

（1）冬夜，北方民居玻璃窗上出现的“冰花”（窗花）。【凝华，放热】重点辨析位置：室内侧还是室外侧？（室内侧，因为室内水蒸气遇冷玻璃直接凝华）

（2）深秋清晨，草地上白茫茫的霜。【凝华，放热】辨析：霜与露的区别？（霜是凝华，露是液化，温度条件不同）

（3）雪的形成。【重要凝华】辨析：雪是雨凝固而成还是水蒸气直接凝华？（高空中的水蒸气直接凝华成冰晶，下落过程中可能熔化或继续增长）

（4）高山上的积雪，在气温低于0℃的晴朗天气里，为什么会逐渐变少？【升华，吸热】（直接变成水蒸气）

2.生活现象类：

（1）用了多年的白炽灯，灯丝变细，内壁发黑。【非常重要高频考点】这是一个组合过程：钨丝在高温下升华变成钨蒸气（吸热），钨蒸气接触到温度较低的灯泡玻璃内壁时，凝华成固态钨颗粒（放热）。【难点】学生常误以为是熔化后流下，需强调灯丝是固态直接变气态，没有熔化。

（2）放在衣柜里的樟脑丸（萘）变小直至消失。【升华，吸热】注意提醒：现在的樟脑丸多为合成樟脑，成分不同但物态变化相同。

（3）冬天，冰冻的衣服（冰）在室外晾干。【升华，吸热】辨析：与湿衣服晾干的区别？（湿衣服是液态水汽化，冰冻衣服是固态冰升华）

（4）用久的“防潮剂”（如硅胶干燥剂）吸潮后，但有些固体清新剂是直接变小消失。让学生根据现象判断属于哪种变化。

3.辨析易错点：

【热点】教师呈现几组易混淆的表述，由学生判断正误：

（1）雾凇是水蒸气液化后凝固形成的。（错误，是水蒸气直接凝华）

（2）干冰制造的舞台白雾是二氧化碳气体。（错误，白雾是液化的小水珠，干冰升华吸热使水蒸气液化）

（3）雪糕表面的白霜是冰箱中的水蒸气凝华形成的。（正确）

通过正反例的对比，强化学生对“直接转化”特征的理解，能够准确识别各种复杂的物态变化情境。

（五）深度拓展：干冰系列实验与科技应用（约15分钟）

【重要】【热点】干冰（固态二氧化碳）是研究升华现象及其应用的绝佳素材。本环节设计三个层层递进的实验活动，让学生在惊奇中深化理解，提升科学探究兴趣。

1.实验一：干冰的常规升华与凝华观察

每组分配小块干冰，用镊子夹取（严禁直接接触，以防冻伤），放入烧杯中。观察：常温下干冰迅速发生变化，产生大量白色气体（实际上是二氧化碳气体，无色，我们看到的“白气”不是二氧化碳本身，而是？——引出实验二）。

2.实验二：制造“舞台烟雾”——探究白雾成因

【非常重要】将干冰放入装有温水的烧杯中，瞬间产生大量滚滚白雾，烟雾下沉。教师引导学生思考并讨论：

（1）我们看到的“白雾”是二氧化碳气体吗？（不是，二氧化碳无色）那么“白雾”究竟是什么？（是液化的小水珠）

（2）小水珠从何而来？（来自空气中的水蒸气）

（3）水蒸气为什么会液化成小水珠？（干冰升华时从周围空气中吸收大量的热，使周围空气温度急剧下降，空气中的水蒸气遇冷液化形成大量小水滴，悬浮在空气中形成白雾）

（4）为什么这些“白雾”会下沉？（因为小水珠密度比空气大，且周围的冷空气密度也增大，在重力作用下下沉）

通过这一系列问题链，引导学生厘清了“干冰升华—吸热降温—水蒸气液化”的因果链条，澄清了“白雾是二氧化碳”的常见误解，同时复习了液化的知识，体现了知识的综合性。

3.实验三：干冰泡泡——“抓住”升华的二氧化碳

在透明容器中加入洗洁精和少量温水，放入一小块干冰。此时，容器口会冒出大量由二氧化碳气体填充的泡泡，这些泡泡会下沉并破裂，产生有趣的景观。教师启发思考：泡泡中的气体是什么？为什么泡泡会下沉？这个实验直观地展示了升华产生的二氧化碳气体，其密度比空气大，再次印证了实验二的分析。

【热点拓展】播放人工增雨的视频资料，引导学生分析其中涉及的物态变化过程：

干冰（固态二氧化碳）→升华→吸热→周围空气温度急剧下降→高空中的水蒸气凝华成小冰晶（或液化成小水滴）→小冰晶下落过程中遇到暖气流熔化成雨滴→增大下落形成降雨。

学生分析出其中涉及的物态变化：升华、凝华、熔化。教师强调，这是一次成功的“气象干预”，其核心就是利用了升华吸热的原理。此外，还可拓展干冰在冷链运输、食品保鲜、工业清洗等领域的应用，让学生感受到物理知识改变世界的巨大力量。

（六）体系构建：完善物态变化全景图（约5分钟）

【基础】教师引导学生回顾已学过的全部六种物态变化：熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华。请学生在笔记本上自主绘制“物态变化关系与吸放热规律”的结构图。随后请一位学生在黑板上展示绘制成果，师生共同修正完善。

最终形成的知识网络应包含：

固态⇄液态（熔化吸热、凝固放热）

液态⇄气态（汽化吸热、液化放热）

固态⇄气态（升华吸热、凝华放热）

教师引导学生从宏观规律中提炼出一条普适性结论：无论是哪种物态变化，凡是物质从密度大、分子排列紧密的状态向密度小、分子排列松散的状态转变（如固态到液态到气态），都需要吸热；反之，从松散到紧密的状态转变，都要放热。这一归纳将知识提升到了能量观和物质观的高度。

【难点】教师可略作延伸，简单提及“三相点”的概念：即在特定的温度和压强条件下，物质的三相可以共存，而升华和凝华的发生需要物质的温度和气压低于三相点。这为学生后续深入学习或在竞赛中遇到相关问题时埋下伏笔。

（七）课堂总结与反馈（约3分钟）

教师引导学生从以下三个方面进行总结：

1.知识层面：我学到了什么是升华和凝华？它们的吸放热规律是怎样的？我能用微观理论解释吗？

2.方法层面：本节课我们运用了哪些学习方法？（实验观察、微观建模、对比分析、联系生活等）

3.思维层面：我对“直接”二字有了怎样新的理解？对于物态变化的整体认识有哪些提升？

请几位学生分享收获，教师予以肯定和补充。

（八）分层作业与课后探究（约2分钟）

【基础必做】

1.完成课后练习题，重点辨析生活中常见的升华和凝华现象。

2.观察家中冰箱冷冻室或冷藏室，寻找可能存在的升华和凝华现象（如冰盒里的冰是否变少、冷冻室壁上的霜是如何形成的），并尝试用所学知识解释。

【拓展选做】（针对学有余力的学生）

3.【探究性学习】查阅资料，了解“人造雪”的制作原理，分析其中涉及的物态变化。或者探究“3D打印”中使用的某些粉末材料（如某些尼龙粉末）在激光烧结成型过程中，是否涉及升华或凝华过程？

4.【项目式学习】以“舞台效果中的物理”为主题，设计一个