從冰的熔解熱看物理實(shí)驗(yàn)教與學(xué)中存在的問(wèn)題

張春玲，唐 蕾，錢 鈞，孫 騫，宋 峰

（1.南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，天津300071；2.武警后勤學(xué)院數(shù)理教研室，天津300162）

1 引 言

2011年天津市中學(xué)生物理奧賽10月在南開(kāi)大學(xué)舉辦.競(jìng)賽分為理論考試和實(shí)驗(yàn)考試兩部分.實(shí)驗(yàn)考試部分要求考生在3h內(nèi)完成1個(gè)力熱實(shí)驗(yàn)、1個(gè)電磁實(shí)驗(yàn)和1個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn).由于熱學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，而目前中學(xué)物理中的熱學(xué)內(nèi)容相對(duì)較少，因此我們希望通過(guò)設(shè)立熱學(xué)競(jìng)賽題目以考促學(xué)[1]，促進(jìn)中學(xué)物理教學(xué)重視熱學(xué)，最終力熱實(shí)驗(yàn)考試題目定為用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱.實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)得比較簡(jiǎn)單，要求用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱，做出T－t圖（溫度－時(shí)間圖）.筆者參加了實(shí)驗(yàn)考試的命題和監(jiān)考，在監(jiān)考期間發(fā)現(xiàn)了一些中學(xué)生出現(xiàn)較多的問(wèn)題，而這些問(wèn)題也頻繁出現(xiàn)在大學(xué)本科生的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中.因此，本文列舉了其中較為普遍的一些問(wèn)題，希望借助仔細(xì)分析這些問(wèn)題，找出促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的方法，對(duì)中學(xué)和大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有幫助.

2 問(wèn) 題

競(jìng)賽中學(xué)生出現(xiàn)較多的問(wèn)題主要可歸為以下幾類.

2.1 不能在理解的基礎(chǔ)上應(yīng)用物理概念

物質(zhì)從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟南嘧冞^(guò)程稱為熔解.1kg物質(zhì)的某種晶體熔解成為同溫度的液體所吸收的能量，叫做該晶體的熔解潛熱，簡(jiǎn)稱熔解熱或熔化熱，單位J·kg－1.有多種方法可用來(lái)測(cè)定冰的熔解熱[2]，其中混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱是常用的熱學(xué)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中使用量熱器使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為孤立系統(tǒng)（即系統(tǒng)與外界沒(méi)有熱量交換），量熱器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 量熱器結(jié)構(gòu)示意圖

若忽略溫度計(jì)浸入水中部分的熱容，則根據(jù)混合量熱法可得冰的熔解熱為

其中m1和m2是量熱器內(nèi)筒和攪拌器的質(zhì)量，m0和T2是內(nèi)筒中所加水的質(zhì)量和初溫，M和T1為投入冰塊的質(zhì)量和初溫，T0為冰的熔點(diǎn)，T3為冰完全熔化為水時(shí)系統(tǒng)的平衡溫度，c0和c3是水和冰的比熱容，c1和c2是內(nèi)筒和攪拌器的比熱容.

很多教材和文獻(xiàn)對(duì)此實(shí)驗(yàn)的基本原理、儀器和實(shí)驗(yàn)步驟都有詳細(xì)說(shuō)明[3－4].因?yàn)椴蝗菀子秒娮訙囟扔?jì)準(zhǔn)確測(cè)定冰塊的初溫，因此競(jìng)賽中為學(xué)生提供的是冰水混合物，這樣競(jìng)賽中實(shí)際使用的公式變?yōu)?/p>

但是學(xué)生往往不能充分理解冰的熔解熱的概念，從而影響了他們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程.首先，未充分理解冰的熔解熱的概念，最突出的表現(xiàn)是對(duì)于冰的初溫的確定上.雖然學(xué)生都知道冰水混合物的溫度是0℃，但是有的學(xué)生還要重復(fù)地問(wèn)教師冰的初溫是多少.

其次，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該向量熱器內(nèi)筒的溫水中投放冰塊，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)質(zhì)量和溫度的變化計(jì)算出所投放冰塊的質(zhì)量和冰的熔解熱.標(biāo)準(zhǔn)的操作應(yīng)該是從冰水混合物中取出冰塊，用干拭布擦干冰塊表面的水后投入量熱器內(nèi)筒中的溫水里.但是，在競(jìng)賽中70%左右的學(xué)生直接將冰水混合物倒進(jìn)溫水中，20%左右的學(xué)生用手將冰塊從冰水混合物中撈出來(lái)后投進(jìn)溫水中.這2種錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致放入內(nèi)筒中的不是冰，而是冰水混合物，究其原因都是由于對(duì)冰的熔解熱的概念理解不準(zhǔn)確造成的.

在物理學(xué)習(xí)中，準(zhǔn)確理解物理概念是根本，在準(zhǔn)確理解物理概念之后才可能消化吸收物理學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究.因此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)該首先讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到準(zhǔn)確理解物理概念、原理的重要性.

2.2 不注意儀器的使用條件

在利用儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先要對(duì)儀器的規(guī)格型號(hào)進(jìn)行了解.如果待測(cè)量與儀器的測(cè)量范圍相差較大會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，甚至?xí)p壞測(cè)量?jī)x器.例如使用電流表和溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都要先估計(jì)測(cè)量值的大小，如果不能進(jìn)行估計(jì)，就要先選用大量程的儀器進(jìn)行粗測(cè)，然后根據(jù)粗測(cè)結(jié)果選用量程合適的儀器進(jìn)行精確測(cè)量.在本次競(jìng)賽中提供的電子天平的稱量范圍是600g，量熱器內(nèi)筒是130g左右，攪拌器20g左右，如果按照實(shí)驗(yàn)要求向內(nèi)筒中加入內(nèi)筒高度的水，水的質(zhì)量應(yīng)該是120～180g左右.實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)操作是將內(nèi)筒連同里面的攪拌器、水和冰塊放在天平上進(jìn)行稱量.但是有的學(xué)生根本不看電子天平的稱量范圍，連同外筒和絕熱蓋子一起放到天平上稱量，總質(zhì)量很容易超過(guò)600g，既不符合操作步驟，還會(huì)損傷電子天平的傳感器.有的學(xué)生不但將整套量熱器放在天平上稱量質(zhì)量，甚至還在天平上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一邊用攪拌器進(jìn)行攪拌，一邊用溫度計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量.如果總質(zhì)量超過(guò)天平量程，天平發(fā)出“嘟，嘟……”的報(bào)錯(cuò)聲，有的學(xué)生能夠注意到稱量范圍，改正測(cè)量方法，但是有的學(xué)生只通過(guò)減少內(nèi)筒中的水量讓天平停止報(bào)錯(cuò)，不考慮過(guò)少的水量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.

2.3 不能合理分配時(shí)間

物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)考試部分每場(chǎng)考試的時(shí)間為60min.因?yàn)閷W(xué)生們都有一本專門的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)，里面的內(nèi)容在競(jìng)賽前應(yīng)該都看過(guò)，而且有的學(xué)校對(duì)競(jìng)賽非常重視，還專門請(qǐng)教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了指導(dǎo)，所以雖然競(jìng)賽時(shí)間比較緊張，但是如果時(shí)間安排合理應(yīng)該能夠完成實(shí)驗(yàn)要求的內(nèi)容.但是，部分學(xué)生在競(jìng)賽中時(shí)間安排得不夠理想.在不清楚物理原理、不了解儀器使用條件的情況下就匆忙上陣，開(kāi)考的前30min手忙腳亂、錯(cuò)誤百出，最后卻剩下10min無(wú)所事事.

2.4 不喜歡動(dòng)腦分析細(xì)節(jié)問(wèn)題

量熱器內(nèi)筒和攪拌器都由黃銅制成，因?yàn)辄S銅導(dǎo)熱性能優(yōu)秀，因此量熱器內(nèi)筒和攪拌器各個(gè)部分的溫度都與內(nèi)筒中水的溫度基本相同，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)定水溫即可基本確定量熱器內(nèi)筒和攪拌器的溫度.但是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中一般都不考慮量熱器的材質(zhì)問(wèn)題.一方面，學(xué)生不清楚為什么要用導(dǎo)熱性好的材質(zhì)作量熱器，另一方面，學(xué)生不考慮量熱器的材質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟的影響.實(shí)驗(yàn)中內(nèi)筒中應(yīng)加內(nèi)筒高度的溫水，水溫應(yīng)該比室溫高10～15℃.我們?yōu)閷W(xué)生準(zhǔn)備了開(kāi)水和自來(lái)水.在配溫水時(shí)，應(yīng)該先向內(nèi)筒中加適量涼水再加熱水，但是有的學(xué)生不加考慮就向量熱器內(nèi)筒加大量的開(kāi)水，由于量熱器內(nèi)筒導(dǎo)熱性很好，熱量傳導(dǎo)使量熱器迅速升溫，導(dǎo)致無(wú)法用手拿住量熱器內(nèi)筒.

綜上所述，中學(xué)生在冰的熔解熱競(jìng)賽中和大學(xué)生在日常的實(shí)驗(yàn)課上出現(xiàn)了多種錯(cuò)誤.這一方面是由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽的重視程度不同、掌握基本實(shí)驗(yàn)技能技巧的能力不同，另一方面也反映出我們?cè)谖锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題.我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常希望學(xué)生能夠“又好又快”地完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)教師先對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解，然后介紹儀器設(shè)備的使用方法，有時(shí)甚至從頭到尾做一遍示范操作.這會(huì)造成學(xué)生課前不充分預(yù)習(xí)也能順利完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在遇到問(wèn)題后不善于動(dòng)腦筋也能找教師解答，在看似幫助學(xué)生的情況下影響了學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)性和提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力.

3 結(jié)束語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)以教法改革為突破口.應(yīng)通過(guò)改革教法使學(xué)生不只是知道怎樣做好具體的實(shí)驗(yàn)，而是要使學(xué)生在面臨物理問(wèn)題時(shí)，知道應(yīng)該從哪些角度出發(fā)去處理問(wèn)題，應(yīng)該抓住哪些關(guān)鍵點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生自己去思考細(xì)節(jié)問(wèn)題.就像在文獻(xiàn)[5]中指出的，教學(xué)改革要將重點(diǎn)放在“引導(dǎo)學(xué)生思考、觀察、分析和判斷，總之是引導(dǎo)學(xué)生自己去解決問(wèn)題”.

[1] 趙升頻.淺議實(shí)驗(yàn)教學(xué)競(jìng)賽對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的作用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20（1）：91－93.

[2] 陳光偉，文景，楊國(guó)彗.電熱法測(cè)定冰的熔化熱實(shí)驗(yàn)儀的研制[J].物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（3）：21－22.

[3] 楊述武，馬葭生，賈玉民，等.普通物理實(shí)驗(yàn)（一、力學(xué)及熱學(xué)部分）[M].北京：高等教育出版社，2000：237－239.

[4] 劉子臣.大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)（力學(xué)熱學(xué)及分子物理分冊(cè)）[M].2版.天津：南開(kāi)大學(xué)出版社，2005：154－158.

[5] 楊述武.漫談物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].物理實(shí)驗(yàn)，2002，22（3）：3－5.

[6] 廖慧敏，荀坤，陳曉林.第12屆亞洲物理奧林匹克競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)題介紹與解答[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（10）：16－25.