關(guān)于“物質(zhì)的比熱容”概念建構(gòu)的探討

(江蘇省泰州市高港實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇 泰州 225323)

關(guān)于“物質(zhì)的比熱容”概念建構(gòu)的探討

孫彥彬張正太

(江蘇省泰州市高港實(shí)驗(yàn)學(xué)校,江蘇 泰州 225323)

筆者依照義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn),對蘇科版初中物理教材新舊版本中“物質(zhì)的比熱容”的內(nèi)容進(jìn)行了對比分析,在吃透編者意圖的基礎(chǔ)上,以“探究物體吸熱升溫的熱量計(jì)算”為主線建構(gòu)知識(shí),讓學(xué)生經(jīng)歷較為完整的科學(xué)探究活動(dòng),體會(huì)科學(xué)方法,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、探究能力,提高學(xué)習(xí)力。使運(yùn)用比值法定義比熱容顯得自然而又必要。

初中物理；比熱容;科學(xué)探究;知識(shí)建構(gòu)

1 教材及學(xué)情分析

就第十二章第三節(jié)“物質(zhì)的比熱容”的編寫，蘇科版物理教科書2013年版與2003年版相比,前者是以一次較完整的探究活動(dòng),讓學(xué)生全面體驗(yàn)科學(xué)探究的過程。兩種版本引入的問題都是“吸收相等的熱量后,為什么沙子比水升溫快”,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也都是用同一加熱裝置,先后加熱質(zhì)量相等的兩種不同物質(zhì)。后者只是讓學(xué)生測出兩次升高相同溫度所需時(shí)間,分析數(shù)據(jù)只能定性發(fā)現(xiàn):相同質(zhì)量的不同物質(zhì),升高相同溫度吸收熱量不等，或吸收相同的熱量升高的溫度不同，顯然不能科學(xué)地體現(xiàn)出用比值法來定義比熱容。2013年版教科書讓學(xué)生每隔相同時(shí)間(吸收相同的熱量)記錄一次溫度,得到多組數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)的處理上增加了繪制“溫度-時(shí)間”圖像,放手讓學(xué)生分析圖像、發(fā)現(xiàn)規(guī)律,再用“比值法”來定義比熱容。這樣的處理使得“圖像”更直觀,“特性”更顯見,探究活動(dòng)更順暢。

在本節(jié)課之前的教學(xué)中,由圖像發(fā)現(xiàn)兩物理量之間成正比關(guān)系,進(jìn)而采用比值法表征其中特性，引入了物質(zhì)的密度。筆者認(rèn)為：在建構(gòu)“比熱容”時(shí),從圖像分析到物理量的定義,可借鑒“密度”的教學(xué)方法。但因同種物質(zhì)的“Q-Δt”圖像所涉及的量并不只是熱量Q、溫度變化量Δt這兩個(gè)物理量,還有質(zhì)量m。如何科學(xué)而合理地分析這三者之間的定量關(guān)系，對比不同物質(zhì)的圖像所存在的差異,體現(xiàn)物質(zhì)吸熱本領(lǐng)的這一特性，并采用“比值法”來定義比熱容及其單位？這自然就成為本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。筆者在吃透教科書改編意圖的基礎(chǔ)上,結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐,就“比熱容”的教學(xué),從學(xué)生已掌握的知識(shí)、技能及研究方法入手,以探究物體因吸熱升溫的熱量計(jì)算為主線,引導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng),觀察圖像特點(diǎn),在分析歸納總結(jié)特性的過程中,增強(qiáng)合作與交流意識(shí),培養(yǎng)創(chuàng)新能力，落實(shí)好“課程標(biāo)準(zhǔn)”要求,體現(xiàn)教科書編者意圖,使學(xué)生在探究中受到科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的熏陶,享受成功的愉悅。

筆者建議把“物質(zhì)的比熱容”一節(jié)分為兩課時(shí)完成,第一課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容是:比熱容的建構(gòu)及理解。第二課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容是:運(yùn)用比熱容知識(shí)解釋簡單的自然現(xiàn)象，運(yùn)用公式Q=cmΔt解決有關(guān)熱量的計(jì)算問題，分析“海陸風(fēng)”的成因，并進(jìn)一步聯(lián)系生活、社會(huì)實(shí)踐,應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析、解決實(shí)際問題,提高語言表達(dá)能力。本文僅對第一課時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

2 教學(xué)流程的設(shè)計(jì)

2.1 課前準(zhǔn)備題及設(shè)計(jì)意圖

要讓“科學(xué)探究”變?yōu)榻處煶B(tài)課上的自覺行動(dòng),且在探究活動(dòng)中充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，通常可針對學(xué)生已有的新課中必備的知識(shí)與技能進(jìn)行復(fù)習(xí)，將收集社會(huì)、生活活動(dòng)中的相關(guān)信息以及小制作、小體驗(yàn)等問題的解決放到課前，這樣就能盡可能保證“科學(xué)探究”有充足的時(shí)間。為此,筆者根據(jù)第一課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容,布置了以下三道課前準(zhǔn)備題。

題1利用煤氣灶加熱一壺水,在加熱過程中,水不斷 ,水溫不斷 ,這是通過 的方式來 水的內(nèi)能。

(1) 一壺水燒成溫水與燒成開水相比較，加熱時(shí)間較長的是 ,它吸收的熱量 。這一現(xiàn)象說明:水的 相同,吸收熱量的多少與水 有關(guān)。

(2) 燒開一壺水與燒開半壺水相比較:加熱時(shí)間較長的是 ,它吸收的熱量 。這一現(xiàn)象說明:水 相同,吸收熱量的多少與水 有關(guān)。綜上所述,你認(rèn)為水升溫吸熱的多少與哪些因素有關(guān)？利用相同的加熱方法,如何比較吸熱的多少？

題2將質(zhì)量為1kg、2kg、3kg的水,均升高相同的溫度,吸收的熱量分別為Q1、Q2、Q3，則Q1∶Q2∶Q3= 。

題3回顧“實(shí)驗(yàn):觀察水的沸騰”,其中用到了哪些器材？器材的安裝和調(diào)節(jié)是如何進(jìn)行的？怎樣測量出水的吸熱升溫?cái)?shù)據(jù)？

分析：題1貼近生活實(shí)際,是學(xué)習(xí)新課時(shí)學(xué)生必備的知識(shí)。學(xué)生能自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：“水和沙吸收相同的熱,誰升溫快？”并采用控制變量法和轉(zhuǎn)換法。

題2讓學(xué)生運(yùn)用演繹法，得到結(jié)論:同種物質(zhì)Δt一定,Q與m成正比。

題3是利用學(xué)生已有的實(shí)驗(yàn)技能,為本節(jié)課實(shí)驗(yàn)中選取器材及實(shí)驗(yàn)操作做鋪墊。

接著引導(dǎo)學(xué)生定性分析物體吸、放的熱量與物體質(zhì)量m、溫度改變量Δt的關(guān)系，結(jié)合題2的結(jié)論和課上學(xué)生由探究實(shí)驗(yàn)所繪制的圖像，可得出結(jié)論:(1) 質(zhì)量相等的不同物質(zhì),升高相同溫度，吸收的熱量與物質(zhì)種類有關(guān);(2) 質(zhì)量相等的同種物質(zhì),Q與Δt成正比。

這樣就順理成章聯(lián)系“m=ρV”，先建立熱量的計(jì)算公式Q=cmΔt,再通過公式變形，得到c=Q/(m·Δt),并利用“比值法”定義比熱容。這樣的概念建構(gòu)流程符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),凸顯科學(xué)探究,充分體現(xiàn)了教科書編者用“比值法”定義物理量的意圖。

2.2 科學(xué)探究:探究不同物質(zhì)吸熱升溫的現(xiàn)象

2.2.1 復(fù)習(xí)與提問

(1) 交流課前準(zhǔn)備題1、題2,完善題中要求，得出:① 水吸熱升溫,吸收熱量的多少與 和 有關(guān)。② 加熱方法完全相同,就可以認(rèn)為加熱相同的時(shí)間,物體吸收的熱量 。③ 同種物質(zhì)Δt一定,Q與m成正比。

(2) 閱讀課本p43的“提出問題”中的現(xiàn)象描述，回答問題:中午時(shí)同樣都在陽光的照射下,為什么海水和沙子的溫度不一樣呢？

2.2.2 猜想與假設(shè)

猜想與假設(shè)是探究的核心,猜想出“沙子吸熱升溫比水快”,是解決為什么“中午海邊沙子熱,海水卻涼”的關(guān)鍵。要鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想，并闡明猜想的根據(jù),結(jié)合題1討論交流來提煉猜想:① 質(zhì)量 的沙子和水,吸收相同的 ，沙子燙而海水涼。可能是因?yàn)樯匙游鼰嵘郎乇人?的緣故。② 因水蒸發(fā)時(shí)要吸收熱量,故而海水溫度上升得慢。

要注意生成教學(xué),不輕易否定學(xué)生的猜想，如對于猜想①的提煉,沙子和水的質(zhì)量不等,會(huì)不會(huì)對結(jié)果有影響？對于猜想②,在肯定學(xué)生的基礎(chǔ)上,設(shè)問并交給學(xué)生裁決:夜晚氣溫降低后,海水還會(huì)因水蒸發(fā),導(dǎo)致海水降溫 而比沙子更 (熱/涼)。實(shí)際感受是:夜晚時(shí),發(fā)現(xiàn)沙子與海水比,誰更涼呢？由親身經(jīng)歷的學(xué)生回答，這時(shí)學(xué)生自會(huì)否定猜想②。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

交流對題3的解答,完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。

(1) 你準(zhǔn)備用怎樣的實(shí)驗(yàn)裝置給水和沙子加熱來驗(yàn)證猜想②？

(2) 實(shí)驗(yàn)需要的器材有:

(3) 實(shí)驗(yàn)前需考慮的問題:① 怎樣得到質(zhì)量相等的水和沙?② 怎樣調(diào)節(jié)裝置的高度？③ 怎樣保證水和沙吸收相同的熱量?請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表。④ 怎樣才能使被加熱物體受熱均勻？

2.2.4 實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)記錄

(1) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)(如下表):

加熱時(shí)間/min01234溫度改變/℃沙子水

(2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),作出沙子和水“溫度升高-加熱時(shí)間”的圖像。

2.2.5 分析圖像,得出結(jié)論

學(xué)生利用物質(zhì)密度中“m-V”圖像的分析方法,采用“異中求同，同中求異”的思路,自行完成下列問題的分析：(1) 質(zhì)量相同的沙子和水，哪一個(gè)升溫快？如何從圖像中比較？(2) 質(zhì)量相等的沙子和水升高相同的溫度，哪一個(gè)吸收的熱量多？如何從圖像中比較？

學(xué)生通過交流，得出結(jié)論:(1) 上述實(shí)驗(yàn)說明了 (水/沙)的吸熱能力較強(qiáng),通常不同種物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)是 。即:不同物質(zhì),在質(zhì)量相等,升高溫度相同時(shí),吸收的熱量是 的。(2) 質(zhì)量相等的同種物質(zhì),吸熱升溫時(shí),吸收的熱量Q與升高的溫度Δt成 。(3) 在物理學(xué)中,為描述物質(zhì)吸熱能力的強(qiáng)弱,同時(shí)也是為了便于計(jì)算物體因吸(放)熱溫度改變時(shí)所吸(放)熱量的多少,而引入了一個(gè)新的物理量叫比熱容,用字母c表示。吸熱能力越強(qiáng),c越大。

2.3 探討比熱容的定義與熱量的計(jì)算

2.3.1 引入概念

教師提問:比熱容是反映不同物質(zhì)吸熱的本領(lǐng)不同,是物質(zhì)的一種特性。那么怎樣來定義比熱容，就能利用物體的質(zhì)量m、溫度改變量Δt、比熱容c三物理量來計(jì)算所吸(放)出的熱量Q呢？

學(xué)生討論后完成填空:物體吸熱升溫時(shí),吸收的熱量Q的多少與物體的質(zhì)量m成 ,與物體升高的溫度Δt成 。質(zhì)量相等的不同種物質(zhì)的物體,升高溫度相同時(shí),吸收的熱量Q與物質(zhì)的比熱容c有關(guān)。比熱容c越大,吸收的熱量Q越 。

2.3.2 探究“比熱容”定義

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧“物質(zhì)密度”的建構(gòu)過程：m-V的圖像特點(diǎn)——比值法定義密度ρ——m=ρV,以實(shí)現(xiàn)方法遷移，提出問題:上述物理量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式能否用Q=cmΔt來表示？若能,你認(rèn)為c值該如何確定？

學(xué)生根據(jù)物質(zhì)密度的定義方法,自主定義比熱容、確定比熱容的單位及物理意義。教師進(jìn)一步提問：由c=Q/(mΔt),能否說比熱容c與吸(放)的熱量Q成正比,與物體質(zhì)量m成反比,與溫度改變量Δt成反比？以加深學(xué)生的理解。

2.3.3 查閱“一些常見的物質(zhì)比熱容”表

教師引導(dǎo)閱讀教材中“一些物質(zhì)的比熱容”表,提問：你有何發(fā)現(xiàn)？學(xué)生發(fā)現(xiàn):(1) 水的比熱容最大;(2) 比熱容是物質(zhì)的一種屬性,不同種物質(zhì)的比熱容一般不同;(3) 同種物質(zhì)的比熱容還與物態(tài)有關(guān)。

教師進(jìn)一步提問:在烈日下,為什么中午沙子燙海水涼？如果在夜晚赤腳走在沙子和海水中,誰更涼？學(xué)生嘗試解釋，以回答教材引入課題時(shí)提出的問題，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的前后呼應(yīng)。

3 教學(xué)建議

為使學(xué)生自主探究、積極思維、合作交流,在知識(shí)的建構(gòu)中增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí),深化對物理知識(shí)的理解,提高分析和解釋實(shí)際問題的能力，筆者提出如下建議。

(1) 用好“活動(dòng)式導(dǎo)學(xué)案”,以問題鏈的形式,激發(fā)學(xué)生的探究欲望，引導(dǎo)學(xué)生積極思考,開展活動(dòng)。

(2) 第一課時(shí)的知識(shí)建構(gòu)要充分借鑒“物質(zhì)密度”的建構(gòu)過程,再次嘗試用“比值法”定義“比熱容”,有效突破教學(xué)的重、難點(diǎn)。

(3) “問題鏈”是引導(dǎo)學(xué)生課上認(rèn)真思考、主動(dòng)交流和開展活動(dòng)的抓手,有助于發(fā)展學(xué)生的思維,提高活動(dòng)開展的有效性。在探究活動(dòng)中教師既是引導(dǎo)者,又是參與者。

[1] 教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì).義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)解讀[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] 蘇科版初中物理教材編寫組.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理教師教學(xué)用書(9年級上冊)[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2016.

名師簡介：張正太，男，江蘇省中學(xué)物理特級教師，泰州市高港區(qū)初中物理名師工作室領(lǐng)銜人，高港實(shí)驗(yàn)學(xué)校副校長，主要研究初中物理教學(xué)。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對“比熱容”的相關(guān)要求是:通過實(shí)驗(yàn),了解比熱容,嘗試用比熱容說明簡單的自然現(xiàn)象。比熱容是物質(zhì)的一種特性,與生活密切相關(guān)。一是要讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),在觀察物理現(xiàn)象和分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)這一特性,從實(shí)驗(yàn)中歸納總結(jié)規(guī)律,提高學(xué)生觀察分析和歸納問題的能力。二是強(qiáng)調(diào)物理知識(shí)的應(yīng)用及其與生活、社會(huì)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力。