一、從現(xiàn)象到問題：冬季水管凍裂的常見觀察演講人01從現(xiàn)象到問題：冬季水管凍裂的常見觀察02（展示學生小組成果）03核心原理：水結(jié)冰時的“膨脹魔法”04水管的“抗凍能力”：材料與結(jié)構的影響05綜合分析：為什么有的水管裂，有的不裂？06知識遷移與生活實踐：如何預防水管凍裂？07總結(jié)：從現(xiàn)象到原理，用科學理解生活目錄2025小學三年級科學下冊冬季水管凍裂原因分析課件作為一名從事小學科學教育十余年的教師，每到冬季，我總會帶著學生觀察校園里的水管狀態(tài)——去年12月，學校后墻的鑄鐵水管突然“爆”了，水柱噴了半人高；隔壁王奶奶家的塑料水管也在零下5℃的夜里裂了縫。這些現(xiàn)象總讓孩子們瞪圓眼睛問：“老師，水管好好的，怎么一到冬天就裂了？”今天，我們就一起用科學的眼睛，揭開冬季水管凍裂的秘密。01從現(xiàn)象到問題：冬季水管凍裂的常見觀察1生活中的典型場景冬季水管凍裂不是偶然事件，它像一場“季節(jié)性的考驗”，發(fā)生在我們身邊的各個角落：社區(qū)里：老小區(qū)裸露在外的金屬水管，常在寒潮后的清晨出現(xiàn)裂縫，水流順著墻面結(jié)冰，形成“冰瀑布”；農(nóng)村地區(qū)：露天的鐵皮水塔輸水管，尤其是靠近地面的彎頭處，凍裂概率更高；校園里：連接操場水龍頭的塑料支管，往往在連續(xù)3天低于0℃的夜晚后“罷工”，水管表面能看到明顯的鼓包或裂痕。去年冬天，我?guī)W生記錄了小區(qū)10戶人家的水管狀態(tài)：7戶使用暴露在外的金屬管，其中5戶凍裂；3戶使用埋地塑料水管，僅1戶因埋深不足（僅15厘米）出現(xiàn)輕微裂縫。這些數(shù)據(jù)說明：水管凍裂與材料、位置、環(huán)境溫度都有關系，但最核心的原因，藏在“水”本身的特性里。02（展示學生小組成果）（展示學生小組成果）第三小組的同學用塑料瓶做了“模擬水管”實驗：他們在瓶中裝滿水，標注水位線，放入冰箱冷凍層。第二天取出時，瓶子明顯鼓脹，水位線上升了2厘米；繼續(xù)冷凍48小時后，瓶身出現(xiàn)了細微裂痕?！袄蠋?，水結(jié)冰后怎么變‘胖’了？”這正是我們要探索的第一個科學原理。03核心原理：水結(jié)冰時的“膨脹魔法”1水的三態(tài)變化基礎（回顧舊知）三年級上冊我們學過：水有固態(tài)（冰）、液態(tài)（水）、氣態(tài)（水蒸氣）三種狀態(tài)，狀態(tài)變化與溫度密切相關——0℃是水的“冰點”，當溫度低于0℃時，液態(tài)水會凝固成固態(tài)冰。但同學們可能沒注意到：水在凝固過程中，體積會發(fā)生神奇的變化。大多數(shù)物質(zhì)（比如酒精、汽油）從液態(tài)變固態(tài)時，體積會縮?。ㄒ驗榉肿娱g距變?。莻€“例外”——當水結(jié)冰時，分子會排列成規(guī)則的六邊形結(jié)構，這種結(jié)構比液態(tài)水的分子排列更“松散”，導致體積膨脹約9%。舉個例子：1升水（1000毫升）完全結(jié)冰后，體積會變成約1090毫升。就像我們穿羽絨服——同樣重量的羽絨，蓬松時占的空間更大。2凍脹力的形成與破壞力（關鍵實驗）為了直觀感受這種膨脹的力量，我們做了“冰撐破容器”實驗：1操作步驟：2向試管中注入9分滿的水，用橡膠塞塞緊（留1厘米空隙）；3記錄初始水溫（25℃）和試管外觀（無變形）；4放入冷凍層，每30分鐘觀察一次。5實驗現(xiàn)象：62小時后，水溫降至0℃，試管內(nèi)開始出現(xiàn)冰晶；74小時后，橡膠塞被“頂”出3毫米，試管壁出現(xiàn)細微裂紋；86小時后，試管完全凍裂，冰柱從裂縫中“擠”出來。9實驗材料：玻璃試管（細口）、橡膠塞、溫度計、清水、冰箱冷凍層。102凍脹力的形成與破壞力（關鍵實驗）這個實驗告訴我們：當水在封閉的水管中結(jié)冰時，膨脹的冰會對水管內(nèi)壁產(chǎn)生巨大的壓力（科學上稱為“凍脹力”）。普通塑料水管能承受的最大內(nèi)壓約為1兆帕（相當于100米水深的壓力），而水結(jié)冰時產(chǎn)生的凍脹力可達20-25兆帕——這相當于2000米水深的壓力！再堅固的水管，也難以抵抗這種“冰的力量”。3為什么其他季節(jié)不裂？（對比分析）有同學問：“夏天水管里也有水，為什么不裂？”這是因為夏季水溫高于0℃，水保持液態(tài)，體積穩(wěn)定；而冬季水溫低于0℃時，水結(jié)冰膨脹，才會產(chǎn)生凍脹力。就像氣球——往里面吹氣（體積膨脹）會撐破，正常裝空氣（體積穩(wěn)定）就不會破。04水管的“抗凍能力”：材料與結(jié)構的影響1常見水管材料的特性對比不同材料的水管，對凍脹力的“抵抗力”差異很大。我們整理了小學常見的3類水管數(shù)據(jù)：|材料類型|代表材質(zhì)|彈性（受擠壓后恢復能力）|抗裂性（受凍脹力時的斷裂概率）|常見應用場景||----------|----------------|--------------------------|--------------------------------|----------------------||金屬管|鑄鐵、鍍鋅鋼管|低（硬而脆）|高（易斷裂）|老建筑、公共水管||塑料管|PVC、PE管|高（軟而韌）|低（不易斷裂，但過度膨脹仍裂）|新建住宅、校園水管|1常見水管材料的特性對比|復合管|鋁塑復合管|中等（剛?cè)岵﹟中等（需配合防凍措施）|高端住宅、精密管道|去年冬天，學校更換了部分水管：原來的鑄鐵管凍裂率30%，換成PE塑料管后，僅1%的水管因長期暴露在-10℃環(huán)境中出現(xiàn)裂縫。這說明：材料的彈性和韌性是抵抗凍脹力的關鍵——金屬管像玻璃，硬但易脆；塑料管像橡皮筋，軟但能“撐一撐”。2水管的安裝環(huán)境與防凍設計（生活智慧）除了材料，水管的安裝方式也直接影響是否凍裂。觀察我們身邊的水管，會發(fā)現(xiàn)這些“防凍小心機”：埋地深度：市政水管通常埋在地下1.5米以下，因為地下溫度比地表高（土壤有保溫作用），不易達到0℃；包裹保溫層：暴露在外的水管會纏上泡沫棉、石棉繩，就像給水管穿“羽絨服”，減緩熱量散失；排空設計：農(nóng)村的手動壓水井，冬季不用時會打開閥門排空水管內(nèi)的水，避免殘留水結(jié)冰；流水防凍：有些家庭冬天讓水龍頭保持“細水長流”，流動的水不易結(jié)冰（因為水流動時熱量散失慢）。我曾帶學生采訪小區(qū)物業(yè)師傅，他說：“最容易凍裂的是‘死水管’——長期不用、里面存水的支管。比如一樓的備用水龍頭，整個冬天沒開過，水管里的水就成了‘定時炸彈’。”05綜合分析：為什么有的水管裂，有的不裂？1溫度：“冷到什么程度”是關鍵凍裂的前提是水管內(nèi)的水達到0℃以下。但并非只要降溫就會裂——持續(xù)低溫的時間和最低溫度同樣重要。短期降溫（比如夜間-2℃，白天5℃）：水管內(nèi)的水可能剛結(jié)冰就融化，體積膨脹不徹底，不易裂；持續(xù)低溫（比如連續(xù)3天-5℃）：水完全結(jié)冰，體積充分膨脹，凍脹力達到最大值，水管易裂；極端低溫（比如-15℃）：即使是彈性好的塑料管，也會因低溫變硬（塑料在低溫下韌性下降），更容易斷裂。去年12月的寒潮中，我們記錄到：暴露在-8℃環(huán)境中的PE管，3小時后開始結(jié)冰，6小時后出現(xiàn)裂縫；而埋在地下50厘米（地溫約-2℃）的同材質(zhì)水管，12小時后才局部結(jié)冰，未出現(xiàn)裂痕。2水量：“存水多少”決定破壞程度水管內(nèi)的存水量越多，結(jié)冰時膨脹的體積越大，凍脹力越強。1滿水管（比如關閉的水龍頭后段）：水完全充滿，結(jié)冰時沒有“緩沖空間”，凍脹力直接作用于管壁；2半水管（比如未關緊的水龍頭，有空氣柱）：空氣能被壓縮，可吸收部分膨脹體積，凍脹力減?。?空水管（排空水的管道）：沒有水結(jié)冰，自然不會裂。4這就是為什么物業(yè)師傅強調(diào)“冬季要排空不用的水管”——哪怕只有一杯水，結(jié)冰后也可能撐裂直徑5厘米的水管！53水管狀態(tài)：“舊管更易裂”的秘密使用多年的水管，本身可能存在隱性損傷（比如金屬管的銹蝕、塑料管的老化），這些損傷會成為“薄弱點”。就像一張紙，原本能承受100克拉力，但如果有折痕，可能50克就破了。我們拆解過一根凍裂的舊鑄鐵管，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有多處銹蝕坑，凍脹力正是從這些坑的邊緣開始，逐漸擴展成裂縫。而新水管表面光滑，能更均勻地分散凍脹力，抗裂能力更強。06知識遷移與生活實踐：如何預防水管凍裂？知識遷移與生活實踐：如何預防水管凍裂？通過前面的分析，我們已經(jīng)掌握了水管凍裂的“三大主因”：水結(jié)冰體積膨脹（核心原理）、水管材料與結(jié)構（抗凍能力）、環(huán)境溫度與存水狀態(tài)（觸發(fā)條件）?，F(xiàn)在，我們可以用這些知識解決實際問題。1家庭預防小妙招（學生可操作）0504020301穿“保暖衣”：用舊毛衣、泡沫板包裹暴露在外的水管，重點保護彎頭、水表等易積水部位；放“流動水”：長期低溫時，讓水龍頭保持滴流狀態(tài)（每分鐘約10滴），流動的水不易結(jié)冰；排“管內(nèi)水”：外出或長期不用的水管，關閉總閥后打開水龍頭排空存水；蓋“保護蓋”：戶外水龍頭安裝保溫蓋（可用塑料瓶剪開后包裹），減少熱量散失。去年冬天，我們班的“防凍小衛(wèi)士”小組給教室外的水管纏上了泡沫棉，整個冬季都沒出現(xiàn)凍裂。同學們說：“原來科學知識能直接保護我們的生活！”2社會層面的防凍措施（拓展視野）市政工程：新建小區(qū)的水管全部埋入地下1.2米以上，或采用“伴熱帶”（通電加熱的電線）包裹水管；01農(nóng)村地區(qū)：推廣“地埋式水窖”，將水管沿地窖墻壁鋪設（地窖內(nèi)溫度高于0℃）；02科技產(chǎn)品：智能水表內(nèi)置溫度傳感器，當水溫低于2℃時自動報警，提醒用戶開啟保溫措施。03這些措施的背后，都是對“水結(jié)冰膨脹”原理的靈活運用?？茖W不僅解釋現(xiàn)象，更能創(chuàng)造解決方案。0407總結(jié)：從現(xiàn)象到原理，用科學理解生活總結(jié)：從現(xiàn)象到原理，用科學理解生活冬季水管凍裂，看似是一個“生活小問題”，背后卻藏著深刻的科學原理：水結(jié)冰時體積膨脹產(chǎn)生的凍脹力，超過了水管的承受能力。這個過程需要水（核心物質(zhì)）、低溫（觸發(fā)條件）、封閉空間（膨脹環(huán)境）三者共同作用。01（展示學生冬季水管防凍設計圖）看，這是同學們