用電熱水壺定量研究水的比熱容

王宇航　王志茜

(1. 北京市育英學校，北京　100036；2. 北京市西城外國語學校，北京　100044)

·實驗研究·

用電熱水壺定量研究水的比熱容

王宇航1王志茜2

(1. 北京市育英學校，北京100036；2. 北京市西城外國語學校，北京100044)

摘要：針對比熱容的教學現狀，筆者選用能顯示溫度的電熱水壺，借助加熱時間的長短來定量比較水吸熱多少.從實驗數據中可以看到，水在吸熱升溫過程中，加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值不變.這樣的實驗改進能幫助學生建構比熱容的概念.

關鍵詞：比熱容；電熱水壺；定量研究

1比熱容的教學現狀分析

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對比熱容的教學要求如下：“通過實驗，了解比熱容，嘗試用比熱容說明簡單的自然現象.”不同版本的教材中均突出了“比較不同物質的吸熱能力”這個探究性實驗.

從實際教學來看，比熱容是初中物理教學中較復雜的概念，屬于典型的比值定義.與密度、熱值等涉及兩個因素的概念相比，比熱容是初中物理中唯一涉及到三個因素的物理量.但在實際教學中，由于缺乏不同物質吸收熱量與質量、溫度變化乘積的定量實驗，學生們往往是在教師的引導下，在腦海中“想”這樣的實驗.雖然也有老師借助一些編好的實驗數據來幫助學生理解比值不變這個物質特性，但學生內心深處并沒有真正認可這一觀點.即對同一種物質來說，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值不變.所以，比熱容的物理含義和概念建構往往最后是不了了之，學生只得用記憶代替建構、用做題來幫助記憶概念.

2定量研究水的熱容實驗

實際教學中，水的質量和溫度變化的測量是很容易實現.關于水吸收熱量多少的問題，長期以來在教學實踐中，我們是借助加熱時間來定量研究.但由于加熱條件的限制，在常規教學中我們很難創設出讓加熱源均勻放熱的條件，所以借助加熱時間來定量研究吸熱多少是非常粗糙的做法.同時因實際加熱過程中水要散熱，所以我們也很難創設出液體均勻吸熱的條件.

怎樣保證加熱源均勻放熱和水均勻吸熱呢？我們想到了電熱水壺，電熱水壺能保證放熱均勻，它的金屬外殼導熱性良好，可以保證壺內水相對均勻地吸熱.如果能直接顯示壺內水的溫度就更好了.

我們驚喜發現，某公司生產的A600B電熱水壺符合我們的設想.正如說明書所言，這樣的電熱水壺“采用最新電子測溫技術，水溫一目了然、準確”.借助電熱水壺自身攜帶的溫控器，我們還可以設置要加熱的溫度.由于這樣的電熱水壺在工作過程中是均勻加熱，所以通過加熱時間的長短，我們可以定量比較水吸熱多少.

借助這樣的電熱水壺和秒表，我們反復實驗,獲取了大量實驗數據.實驗中，時間的測量可以精確到0.01秒，但考慮到人的反應時間問題，我們統一四舍五入保留到1秒，實驗數據如下表所示：

水的質量(g)水的初溫(℃)水的末溫(℃)水的溫度變化量(℃)加熱時間(s)加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值(s/g·℃)50018100821600.00396001690741740.00397001890721970.00397501890722140.0039

分析實驗數據，我們看到，水在吸熱升溫過程中，加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值基本不改變.換言之，對水來說，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值不變.

在實踐中，我們首先錄制好兩段加熱水的視頻，在視頻中明確標出水的質量和溫度的變化，通過編輯軟件將視頻壓縮到兩分半鐘的時間.在課堂上，除了播放視頻之外，又現場做了一個實驗，但水的質量和視頻之中不同.通過大約五分鐘的實驗，學生們能建構起比熱容的概念，并且意識到比值定義法不僅僅局限于兩個物理量之間.

3對實驗的再思考

在上述實驗中，我們使用的水都是已經放置一晚上的水，所以水的初溫比較穩定.電熱水壺的功率是1350W，如果假設電能完全轉變為水的內能，借助電功公式W=Pt，我們可以從實驗數據中計算出水的比熱容是5265J/(kg·℃).關于實驗誤差，我們認為有如下幾個因素：① 電熱水壺自身散熱的影響；② 這樣類型的電熱水壺自身所帶的測溫器能直接測出水的初溫，但末溫只能設置為5的整數倍，所以也不可避免會帶來一些誤差；③ 在使用電熱水壺設置好加熱水的末溫時，要同時按下計時器，但實際操作中很難做到同時按下.我們認為在水的質量和溫度變化比較大時，誤差會小一些.這樣改進的實驗，確實突出了物理學的實驗特點，也使學生能順利建構起比熱容的概念.

參考文獻：

中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[S].北京：北京師范大學出版社，2012.