《比熱容》探究實驗的改進

(江蘇省南京市寧海中學分校，江蘇 南京 210036)

1 教學背景分析

蘇科版九年級物理教材第十二章的第三節的內容是“比熱容”，“比熱容”是熱學部分一個很重要的物理量，對內能相關知識學習十分重要.在新課學習過程中，學生很難理解比熱容概念，比熱容到底是表示物質什么性質的物理量、比熱容與什么因素有關等，這些問題讓學生感到困惑.2013年出版的蘇科版九年級教材對比熱容的定義做了改進，還原了比值法的定義方式，某種物體溫度升高吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比叫這種物質的比熱容.初中階段，由比值法定義的物理量都是由另外兩個物理量之比來定義的(如密度定義為質量與體積之比)，而比熱容是物質吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比，涉及三個物理量，幫助學生學會這個定義有一定的難度.因此.利用好“探究沙子和水升溫問題”的學生活動，對建立比熱容概念十分重要.筆者及同備課組其他老師都發現，這個探究實驗存在四個難以回避的問題：

(1)實驗器材多，裝置復雜，實驗裝置要求把鐵圈、石棉網、復夾、溫度計裝在鐵架臺適當的位置，并分別用兩個同樣的酒精燈的外焰給石棉網上的燒杯里同質量的水和沙子加熱，實驗難度大.

(2)實驗設備落后，課堂實驗效率低、時間長，酒精燈加熱效率低，容易受到周圍環境因素影響，散熱明顯，加熱時間不容易控制.此外，讓兩個酒精燈在相同的時間內放出的熱量相等操作難度大，沙子和水在加熱的過程中向周圍空間散發的熱量也不同，該實驗的條件──同質量的不同物質吸收相同的熱量就無法得到保證，造成實驗的可信度、實驗的科學性大打折扣.

(3)實驗精確度不高，讀數困難大、誤差大.本次實驗利用液體溫度計，讀數時要求待溫度計的示數穩定后進行.而實驗時溫度計示數是動態值，讀數誤差大.

(4)實驗操作要求高，學生不易做到.除了器材裝配問題，本實驗程序繁瑣，學生首先要熟悉實驗步驟，知道每步操作的目的，此外，沙子是熱的不良導體，加熱過程中要不斷用玻璃棒攪拌，容易和玻璃溫度計發生碰撞，造成溫度計的損壞，乃至誤傷到學生，對課堂教學產生影響.

鑒于以上問題，筆者嘗試對學生實驗進行了改進和創新，整個探究過程如下.

2 探究活動——探究水和沙子吸熱升溫的現象

(1)實驗器材有：600瓦電磁爐、水、沙子、易拉罐、鐵架臺、天平、電子溫度計、秒表等.

圖1

解釋：①用傳統的酒精燈加熱不容易控制相同時間放熱相等，受到環境干擾比較大.②玻璃制溫度計易被攪拌棒碰碎，且在升溫過程中讀數誤差大.因此實驗改用電磁爐和電子溫度計，容器改為鐵質易拉罐(如圖1).

教師指導實驗過程，安排4～6人一組共同完成實驗，做好工作分工.

學生1：負責利用天平稱取100g水和100g沙子，放到相同的鐵質易拉罐中.

學生2：負責開關電磁爐，并觀察秒表，每隔1min提醒記錄員記錄沙子和水的溫度，實驗4～5min.

學生3：一手按住裝水的容器不讓它移動，手持溫度計插入水中，注意不碰到容器底和壁，注意觀察示數，每隔1min報一次溫度數據.

學生4：一手按住裝沙子的容器不讓它移動，手持溫度計插入水中，做到溫度計不碰到容器底和壁，注意觀察示數，每隔1min報一次溫度數據.

學生5：負責攪拌沙子，注意按住裝沙子的容器不讓它移動.

學生6：記錄數據，實驗后和團隊分享并分析數據，做好匯報交流的準備.

(2)進行實驗并收集證據.

按照教師指導要求做好分工，按步驟進行實驗.實驗完畢后，將數據填入下表，描繪溫度T隨加熱時間t的圖像，從中尋找規律.

①設計記錄實驗數據的表格(如表1)，實驗中取水和沙子的質量均為100g.

表1

②描繪圖像.

處理數據時可以讓學生借助excel表格處理，輸入數據，自動生成曲線圖，以一組學生實驗數據為例，將記錄的數據用excel處理，自動生成圖像(如圖2).

圖2

(3)分析與結論

通過數據可得到實驗現象：質量相等的沙子和水在加熱時間相同時，沙子升高溫度比水升高溫度多.由此得出結論：質量相等的不同物質在吸熱相同時，升高溫度不同.在此基礎上，教師引導學生得出：質量相等的沙子和水升高相同溫度時，水吸收熱量多.然而，為何質量相等的不同物質，在升高相同的溫度時，吸收的熱量會不同？原因是什么？學生不難得出原因是物質種類不同.由此可見，這種現象也反映了物質的一種屬性——比熱容.

從實驗現象分析結論，可以總結出一種特性.但是到底什么叫做比熱容，需要進一步研究.今天我們研究的是不同物質吸收相同熱量時溫度升高快慢的問題，因此應該建立升高溫度ΔT—加熱時間t的圖像，而初中階段的學生在剛剛認識圖像，利用圖像尋找規律的初期，一下子想到畫出ΔT—t圖像是有難度的，因此通過下述引導進行自然過渡，收效甚佳.

利用excel軟件自動處理處ΔT數據和圖像，如表2和圖3所示，借助excel給兩條軌跡加上趨勢線(如圖4).

表2

圖3

圖4

不難看出，在誤差允許范圍內，兩條加熱軌跡可以看作為過原點的傾斜直線.此時聯系類似這樣的圖像(如質量——體積關系的圖像)，反映橫縱坐標成正比例關系，也就是比值是定值.由圖像可見，同種物質吸收熱量Q和升高的溫度Δt的比值是個定值，不同物質吸收熱量Q和升高的溫度Δt的比值不同，這就表現了不同物質的一種性質，但是這個比值能不能反映比熱容這個物理量呢？剛才的實驗建立在什么物理量相同的情況下？(質量相同).如果質量不同，如何比較吸收熱量Q和升高的溫度Δt的關系？(取質量相同).取單位質量的不同物質研究，也即是研究吸收熱量Q和升高的溫度Δt與質量乘積的比值，這個比值反映了物質的又一種屬性——比熱容.

3 教學反思

(1)改進后實驗的優點及其意義

增強了實驗的精確性.解決了發熱和散熱問題，相同質量的不同物質吸收相同的熱量，這個實驗的條件才得以保證；實驗過程中可以很方便地通過電磁爐來控制加熱時間，確保了兩個容器吸收熱量相同.電子溫度計能準確顯示記錄時的數據，雖然溫度計示數是變化的，但是每時每刻的示數是準確顯現的，使實驗操作更加規范，而實驗室溫度計只能在示數穩定后再讀數并記錄.通過該實驗有助于培養學生嚴謹、認真的科學態度.此外，改進后的實驗減少了器材，簡化了裝置，降低了操作難度.

(2)比熱容概念的建立

比熱容概念的建立是個難點，多數教師常常利用數學手段對比熱容的定義進行講解.將公式Q=cmΔt變形為c=Q/(mΔt),從數學的角度來看，物理量c是將熱量Q除以mΔt，如果質量m變為1(即單位質量)，溫度差Δt變為1，則比熱容的概念：單位質量的某中物質溫度升高(或降低)1℃所吸收(放出)的熱量叫這種物質的比熱容.這種方法并不反映比值定義法的真正要旨，會給學生形成錯誤的概念.

通過圖像分析得出相同質量的同種物質吸收熱量和升高溫度的比值相同，相同質量的不同物質吸收熱量和升高溫度的比值不同，逐漸過渡到同種物質吸收熱量和升高溫度與質量乘積的比值相同、不同物質吸收熱量和升高溫度與質量乘積的比值一般不同，得出吸收熱量和升高溫度與質量乘積的比值反映了物質的比熱容這一屬性.既符合比值定義的要求，也符合教材從圖像入手的目的，真正讓學生領悟了比熱容這一抽象概念.