比較不同物質(zhì)的吸熱能力實(shí)驗(yàn)的探究與改進(jìn)

黃孝松

【摘 要】 “比熱容”是初中熱學(xué)中最重要的概念，也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何做好“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成概念是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】 比熱容；吸熱能力實(shí)驗(yàn)；探究與改進(jìn)

【中圖分類號】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2015）15-0-02

比熱容這節(jié)內(nèi)容的探究實(shí)驗(yàn)──“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”，一直讓我們一線工作的物理教師覺得為難，一難是實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜；二難是實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，且難于控制；三難是讀數(shù)困難，實(shí)驗(yàn)誤差大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果牽強(qiáng)附會(huì)。

隨著物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，我將這個(gè)實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，降低了操作難度，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也使得讀數(shù)更加方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠。更加有助于通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

一、原來實(shí)驗(yàn)的原理及其實(shí)施過程中遇到的問題

原版教材實(shí)驗(yàn)方法是采用兩個(gè)酒精燈分別對同質(zhì)量的水和植物油加熱相同的時(shí)間，使這兩種物質(zhì)吸收的熱量相等，根據(jù)水和植物油升高的溫度來說明不同物質(zhì)的吸熱能力是不同的。這就給實(shí)驗(yàn)帶來了四個(gè)難題。

一是實(shí)驗(yàn)器材多，裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度大。實(shí)驗(yàn)裝置要求把鐵圈、石棉網(wǎng)、復(fù)夾、溫度計(jì)裝在鐵架臺適當(dāng)?shù)奈恢茫⒎謩e用兩個(gè)同樣的酒精燈的外焰給石棉網(wǎng)上的燒杯里同質(zhì)量的水和植物油加熱，老師完成這個(gè)裝配都需要五分鐘左右的時(shí)間，所以這個(gè)重要的研究實(shí)驗(yàn)通常都作為演示實(shí)驗(yàn)來開設(shè)。任課教師一般都只能提前進(jìn)入教室把實(shí)驗(yàn)裝置裝配好，還得小心守著別讓好動(dòng)的學(xué)生在碰翻了。

二是實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較長，且難于控制。酒精燈的熱功率比較小且不穩(wěn)定，加熱時(shí)間不容易控制，這就造成了這節(jié)課的課堂教學(xué)時(shí)間的不確定，使任課老師不能很到地把握課堂的節(jié)奏。

三是讀數(shù)困難。大家知道實(shí)驗(yàn)室用的普通溫度計(jì)是利用玻璃泡內(nèi)的液體熱脹冷縮的原理來工作的，從被測物體的溫度變化到玻璃泡內(nèi)液體的體積變化需要一定的時(shí)間，所以在介紹溫度計(jì)的使用方法時(shí)，要求待溫度計(jì)的示數(shù)穩(wěn)定后在讀數(shù)記錄。在進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無論是在加熱的過程中讀數(shù)還是把酒精燈移開后讀數(shù)，測量對象的溫度都是動(dòng)態(tài)值，前一種方法是吸熱溫度升高，后一種是溫度降低。讀數(shù)時(shí)難于做到時(shí)間的一致，也影響了數(shù)據(jù)的可靠性。也因?yàn)樽x數(shù)困難這個(gè)原因，原來的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只讀取一組數(shù)據(jù)，這種采集數(shù)據(jù)的方法，對探究物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)來說，沒有做到避免實(shí)驗(yàn)的偶然性。

四是實(shí)驗(yàn)可信度不高，科學(xué)性不強(qiáng)。除了讀數(shù)的原因，主要問題是讓兩個(gè)酒精燈在相同的時(shí)間內(nèi)放出的熱量相等操作難度大，植物油和水在加熱的過程中向周圍空間散發(fā)的熱量也不同，所以，該實(shí)驗(yàn)的條件──同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸收相同的熱量就無法得到保證，造成了實(shí)驗(yàn)的可信度、實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性打了折扣。

在以往的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生曾經(jīng)提出：在相同的時(shí)間內(nèi)這兩個(gè)酒精燈放出的熱量真的是一樣的嗎？看了比熱容的表，學(xué)生又會(huì)問：煤油的比熱容是水的一半，吸收相同的熱量煤油升高的溫度為什么不是水的兩倍呢？對于這些問題，我們只能用實(shí)驗(yàn)誤差、誤差在允許的范圍內(nèi)……等答案來回答學(xué)生。可能也是這個(gè)原因，現(xiàn)行教材把比熱容正好是水的一半的煤油換成了沒在比熱容表上的植物油。原版教材比熱容的概念是安排電學(xué)前進(jìn)行的，從學(xué)生的認(rèn)知程度來考慮，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)就只能用酒精燈作為熱源加熱。

二、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的客觀條件及解決問題的具體方法

原來實(shí)驗(yàn)的問題中，最主要的實(shí)驗(yàn)可信度不高、科學(xué)性不強(qiáng)。造成這個(gè)結(jié)果的原因有兩個(gè)，一是兩個(gè)酒精燈熱功率不相同，二是研究對象與周圍空間的熱交換。新課程標(biāo)準(zhǔn)把比熱容的概念安排到了九年級的物理教材，為作者用電熱作為熱源解決這個(gè)問題提供了創(chuàng)造了客觀條件。學(xué)生在八年級下期學(xué)習(xí)了電與熱，知道了焦耳定律──電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電導(dǎo)體成正比，在這個(gè)認(rèn)知基礎(chǔ)上學(xué)生能夠理解到兩個(gè)阻值相同的電阻絲串聯(lián)在電路中，在任何時(shí)間內(nèi)這兩個(gè)電阻產(chǎn)出的熱量都相等。

我用兩根串聯(lián)起來的阻值相等的電熱絲代替火焰強(qiáng)度相同的酒精燈作熱源，解決熱源熱功率的問題。因?yàn)榇?lián)電路中電流強(qiáng)度相等，兩個(gè)電阻絲的阻值相等，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，這兩個(gè)串聯(lián)的電阻絲在任何時(shí)間產(chǎn)生的熱量一定相等。

仿照量熱器的原理，我在大燒杯的底部放隔熱的膠木墊，裝有煤油或水的小燒杯放在膠木墊上，用插著溫度計(jì)、連接有電阻絲的膠木蓋，蓋住大燒杯口。因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，裝著水和煤油的小燒杯與大燒杯之間隔著相對封閉的空氣，封閉的空氣不能對流，所以就能比較有效地避免電熱絲產(chǎn)生的熱量向大燒杯周圍空間傳遞。解決了熱源和散熱兩個(gè)問題，實(shí)驗(yàn)中遇到的其他問題也都迎刃而解了。

三、改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)及其意義

首先是增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可信度和科學(xué)性。

解決的發(fā)熱和散熱問題，相同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸收相同的熱量，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件才得以保證；實(shí)驗(yàn)過程中可以很方便地通過開關(guān)來控制加熱時(shí)間，可以在停止加熱后，注意觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化，等待示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)并記錄，使實(shí)驗(yàn)操作更加規(guī)范；還可以多測幾組數(shù)據(jù)找規(guī)律，避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，煤油上升的溫度正好是水上升溫度的兩倍。通過這樣的實(shí)驗(yàn)更有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

其次是減少了實(shí)驗(yàn)器材，簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，降低了操作難度。完成原來的實(shí)驗(yàn)加熱過程需要的器材有：鐵架臺2個(gè)，酒精燈2個(gè)、鐵圈2個(gè)、石棉網(wǎng)2個(gè)、燒杯2個(gè)，厚紙片2張（蓋在燒杯口避免散發(fā)散熱），溫度計(jì)2支、復(fù)夾2個(gè)（掛溫度計(jì)）、火柴1盒。現(xiàn)在只要安裝有電阻絲插有溫度計(jì)的膠木蓋2個(gè)、大燒杯2個(gè)、小燒杯2個(gè)，穩(wěn)壓電源一個(gè)就可以了，并且避免了把鐵圈、石棉網(wǎng)、復(fù)夾、溫度計(jì)裝在鐵架臺適當(dāng)?shù)奈恢茫@個(gè)繁瑣的過程。為把這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件，能讓學(xué)生更多地享受探究的過程和成功帶來的樂趣。

再者因?yàn)殡姛峤z發(fā)熱功率穩(wěn)定，任課老師可以更好地控制上課的節(jié)奏。在介紹實(shí)驗(yàn)原理的時(shí)候也可以幫助同學(xué)們回顧以前所學(xué)的知識，這對鞏固學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維也是很有幫助的。

四、改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置尚存的不足

首先，外面燒杯的燒杯口影響了兩燒杯間空氣密封程度。我做了多方努力，沒找到適當(dāng)?shù)拇萌菝螅?jīng)考慮過用量熱器做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。但量熱器不是透明的，直觀性有所降低，也不能確定溫度計(jì)的使用是否符合要求。

其次燒杯是透明的，會(huì)有輻射熱損失。但水和煤油的溫度不超過60℃，輻射散熱對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大。

最后是作為演示實(shí)驗(yàn)來說，溫度計(jì)里溫度的變化情況還是沒能使下面聽課的同學(xué)看得很明白，建議有條件的學(xué)校把這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)作學(xué)生實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行，結(jié)合焦耳定律，學(xué)生甚至能計(jì)算出水的比熱容，這是電熱結(jié)合的一個(gè)很好的例子。

五、2011人教版本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷

說點(diǎn)這里，問題似乎解決了。可是新的問題又出來了，2011人教版的物理教材，在課程設(shè)計(jì)上又做了修正。電學(xué)內(nèi)容安排到了九年級物理，熱學(xué)安排到了八年級物理中。那么電阻絲發(fā)熱功率相同的問題又變成糾結(jié)難解的問題了。而且課本上用的是兩個(gè)相同的管狀電加熱器，液體用的也是水和煤油，液體也比較小，不可能完全浸沒電加熱器，露出在水和煤油上面的電加熱器的體積不同，因此散熱損失也不相同，因此可利用的熱功率根本不同。再加上水的比熱容很大，加熱的時(shí)間很長。學(xué)生容易分散注意力，不便于控制課堂教學(xué)。考慮到前面的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，外面燒杯的燒杯口影響了兩燒杯間空氣密封程度，量熱器不是透明的，直觀性有所降低，也不能確定溫度計(jì)的使用是否符合要求，燒杯是透明的，會(huì)有輻射熱損失，但考慮到水和煤油的溫度不超過60℃，輻射散熱對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大，只能退而求其次，仍然使用燒杯。同時(shí)考慮到學(xué)生沒有學(xué)習(xí)電學(xué)內(nèi)容，有同事建議使用兩個(gè)完全相同的新型硅膠加熱器，粘在燒杯底，加熱方便，只要告訴學(xué)生這兩個(gè)加熱器的熱功率完全相同就可以了。那么課本上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足，似乎得到了有效的控制。在教學(xué)的過程中，我們做了大量的實(shí)踐工作，可是效果還是很難令人滿意。

愿因有以下幾點(diǎn)：一：水的比熱容很大，加熱的時(shí)間很長，學(xué)生容易分散注意力，不便于控制課堂教學(xué)。一個(gè)課時(shí)根本無法完成原來的課堂教學(xué)內(nèi)容，我們不得不拉長為二個(gè)課時(shí)來完成教學(xué)任務(wù)。二：加熱不均勻，燒杯底部水溫高，上面溫度低。測定的溫度無法說明根本性的問題。三：溫度計(jì)太小，不便于后面的學(xué)生觀察。只有前面的幾位同學(xué)勉強(qiáng)可以看清。教學(xué)效果不好！

六、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

說到這里，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)似乎走進(jìn)了死胡同。那么真的沒有方法解決這個(gè)問題了嗎？有！上面的實(shí)驗(yàn)中存在的不外乎三個(gè)問題。

一：水的比熱容很大，加熱的時(shí)間很長，學(xué)生容易分散注意力，不便于控制課堂教學(xué)。一個(gè)課時(shí)根本無法完成原來的課堂教學(xué)內(nèi)容，我們不得不拉長為二個(gè)課時(shí)來完成教學(xué)任務(wù)。那么我們可不可以利用比熱容小的物質(zhì)呢？空氣與煤油對比不行嗎？這樣的話，加熱幾乎一二分鐘就可以了。

二：加熱不均勻，燒杯底部水溫高，上面溫度低。測定的溫度無法說明根本性的問題。參考內(nèi)燃機(jī)與蒸汽機(jī)的區(qū)別，我們?yōu)槭裁床话央娮杞z放到物質(zhì)的內(nèi)部去加熱呢？這樣就沒有散熱的問題了，最多就是燒杯散熱問題了。只要使用體積較小的錐形瓶，這個(gè)問題似乎影響也可以消除。

三：溫度計(jì)太小，不便于后面的學(xué)生觀察。只有前面的幾位同學(xué)勉強(qiáng)可以看清。教學(xué)效果不好！參考液體內(nèi)部壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，我們可以使用微小壓強(qiáng)計(jì)即U型管。這些內(nèi)容學(xué)生已經(jīng)在前面學(xué)習(xí)了的，稍做復(fù)習(xí)提示學(xué)生即可理解。只要觀察U型管兩邊的液柱差，即可反應(yīng)空氣與煤油所升高的溫度問題。將水染色，更加便于學(xué)生觀察。考慮到后面的學(xué)生觀察方便，我用攝像頭將實(shí)驗(yàn)投影到銀幕上，一目了然。如果條件允許，不使用U型管，而使用溫度傳感器，直接將溫度的示數(shù)投影到銀幕上，則效果更加好。我使用的裝置是焦耳定律的實(shí)驗(yàn)裝置，相比于原來的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，裝置更加簡單，便于操作，也便于學(xué)生觀察，效果非常好，各位同行不妨一試。如果對大家的教學(xué)工作有所幫助，則愚愿以足！