利用轉換實驗有效建立概念

龔冬子

摘 要：比熱容的概念因其比較抽象、內涵有深度、外延有廣度而難以理解和應用，老師的教和學生的學都有相當?shù)碾y度。本文通過分析比熱容概念建立的難點癥結，分析原因，提出通過實驗有效建立比熱容概念的建議。

關鍵詞：比熱容 ；實驗探究；概念建立

在初中物理眾多的概念中，比熱容的概念因其比較抽象、內涵有深度、外延有廣度而難以理解和應用，老師的教和學生的學都有相當?shù)碾y度。滬科版教材是通過“探究物質吸熱或放熱的規(guī)律”的實驗，比較水和煤油吸熱能力不同，進而建立了比熱容的概念。這種方式建立概念的過程是間接迂回的，學生對概念的理解會出現(xiàn)“囫圇吞棗”現(xiàn)象。有效建立比熱容的概念，必須明確比熱容概念建立的難點，針對難點設計實驗。

1 比熱容概念建立的難點

（1）比熱容概念涉及的物理量數(shù)量是初中物理概念中最多的教材用比值法定義比熱容，雖然在建立概念時相對容易，但其物理意義更難以理解。

比熱容是為了表示物質吸熱和放熱的本領引入的概念，是物質的一種特性，與物質的種類有關，一般不同的物質比熱容不同，與是否吸熱或放熱，吸熱或放熱多少、質量等因素無關。但是，比熱容的大小等于一定質量的某種物質在溫度升高（或降低）時吸收（或放出）的熱量與它的質量和升高（或降低）溫度的乘積之比，比熱容的定義涉及到吸收（或放出）的熱量、質量和升高（或降低）的溫度三個物理量。這二者結合起來看似乎是矛盾的，給學生正確理解比熱容概念造成極大的困擾。

（2）教材通過給質量相同的水和煤油加熱，讓它們升高相同的溫度，通過比較加熱時間比較兩種物質吸熱的多少，進而比較它們的吸熱本領。對學生而言有兩個難點。

一是為什么要比較相同質量的不同物質升高相同的溫度時吸熱的多少，設計實驗的意圖是什么？教材為引入實驗所做的鋪墊是：明確“物體吸熱后溫度可能升高”，提出“不同物體升高相同的溫度吸收的熱量是否相同”的疑問，通過煤氣灶燒水的生活常識，明確“同一種物質升高相同的溫度，質量越大的物體吸熱越多”，最終引出實驗“探究相同質量的不同物質在升高相同的溫度時，吸收熱量的多少是否相同”。顯然，因為缺乏學生的體驗，實驗的引入比較晦澀和突兀。同時，與實驗后引入比熱容的概念沒有形成有效的銜接，學生在實驗前難免不知所云，不知道為什么要做這個實驗。

二是為什么比較加熱時間可以比較液體吸熱的多少。因為熱量沒有具體的可視形體，吸熱的多少也沒辦法利用測量工具進行直接測量，因此，判斷物質吸熱多少只能采用轉換法，轉換為可以測量的加熱時間，通過比較加熱時間判斷物質吸熱的多少。教材中提到“當熱源相同時，兩液體升高溫度相同的情況下，加熱時間越長的液體從熱源吸熱越多”，從熱傳遞的角度分析，熱源在相同的時間放出的熱量相同，不計熱量損失或熱量損失相當?shù)那闆r下，液體吸收的熱量也相同，相同的道理，熱源放熱時間越長，液體吸收熱量也越多，這是教材設計實驗的本意。在實際的教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生普遍掌握不好，因為轉換法之前接觸較少，特別是，本實驗的這種轉換出現(xiàn)的比較突然，學生理解和應用需要一個過程。

（3）給兩種液體加熱相同的時間，觀察到的現(xiàn)象是煤油溫度升得高，大部分學生的思維是，其它條件相同，因為煤油升高的溫度多，所以煤油的吸熱本領大。

究其原因，應該有兩個，一是受前面知識的影響，認為同一物體吸熱越多，溫度升高也越高，反之，溫度升高越高，吸收熱量也越多。二是依據(jù)生活經(jīng)驗判斷，認為溫度升高越高，就是因為吸熱本領大。因此怎么處理實驗數(shù)據(jù)，讓學生正確理解比熱容的概念，是教學的難點所在。

2 利用轉換實驗 有效建立概念

物理概念的建立，離不開感知和抽象兩個過程，必須體現(xiàn)過程性，必須遵循學生的認知發(fā)展規(guī)律[ 1 ]。歸納上述幾個問題不難發(fā)現(xiàn)，影響比熱容概念教學最重要的環(huán)節(jié)是實驗探究，科學有效的實驗決定了比熱容概念能否順利建立。在新課教學時應當遵循概念內在的規(guī)律，設計符合學生認知規(guī)律的實驗，幫助學生順利建立比熱容的概念。

2.1 利用轉換引入探究問題

教材通過煤氣灶燒水和加熱不同金屬的事例入手，提出問題“質量相同的不同物質，在升高相同的溫度時，吸收熱量的多少是否相同”，從而引出實驗探究。可以變換角度，從物質吸熱的多少與哪些因素有關入手，引導學生分析生活中最常見的兩個燒水的情景：燒開一壺水和燒開半壺水（質量不同，升高的溫度相同）需要的時間是否一樣？把一壺水燒開和把一壺水燒成溫水（質量相同，升高的溫度不同）需要的時間是否一樣？學生的生活經(jīng)驗能幫助他們認識到物質吸熱的多少跟物質的質量和升高的溫度有關。繼續(xù)提出問題，物質吸熱的多少除了跟質量和升高的溫度有關，還跟什么因素有關呢？學生猜想，引導學生猜想還跟物質的種類有關，有效引出后面的實驗探究。

這樣角度的轉換至少有幾個好處：

（1）“燒水”是生活中非常常見的情景，學生都很熟悉、很親切，生活經(jīng)驗可以幫助他們做出正確的判斷。

（2）多次出現(xiàn)“通過比較加熱時間長短判斷水吸收熱量的多少”，為后面的實驗打下基礎。

（3）提出“物質的種類”這一說法，是為實驗后提出“吸熱的本領”做準備，因為分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同質量的水和煤油升高相同的溫度，之所以吸收的熱量不同就是因為它們是不同種的物質，吸熱的本領是不一樣的，從而引出用“比熱容”這一物理量表示物質的吸熱本領。從概念引入的角度看，顯然這種轉換是更有效，更容易接受的。

（4）物質吸熱的多少與質量、升高的溫度和物質的種類（比熱容）有關，為更好地理解和掌握熱量的計算做準備，體現(xiàn)了知識的連續(xù)性和首尾呼應。

2.2 采用轉換法設計實驗方案

教材中的實驗用酒精燈給水和煤油加熱，熱源很難做到相同，甚至很難做到接近，畢竟影響酒精燈放熱和液體吸熱的因素太多了。實驗中既然要準確測量加熱時間，定量分析實驗數(shù)據(jù)，應當按照定量實驗的基本要求，排除不穩(wěn)定因素對采集實驗數(shù)據(jù)的干擾。控制熱源相同有兩種方案可供選擇。

方案一：用電熱棒代替酒精燈

市面上有售500W左右的小功率電熱棒，發(fā)熱管長度10cm 左右，放在燒杯中給水和煤油加熱時發(fā)熱管正好浸沒在液體中。用電熱棒代替酒精燈有以下優(yōu)點：

（1）只要使用功率相同的電熱棒，可以真正做到熱源相同。根據(jù)電功、電功率和加熱時間的關系，通過比較加熱時間可以準確比較電熱棒放出熱量的多少，在熱損失幾乎相同的情況下（這種加熱方式熱損失極小），就可以比較液體吸熱的多少。

（2）不必擔心知識超前學生難以理解，畢竟電熱棒是家用電器，只要強調規(guī)格相同的電熱棒加熱時間相同放出的熱量相同，加熱時間越長，放出的熱量越多就可以了。相反，這種加熱方式為今后解決電熱綜合題作了鋪墊。

方案二：水浴法加熱

借鑒晶體熔化的實驗，采用水浴法給水和煤油加熱。在大燒杯中加入熱水，用熱水給試管中的水和煤油加熱（如圖1），且試管中液體的液面低于燒杯中的水面。這種加熱方式的好處：一是試管內的液體受熱更均勻，溫度變化更平穩(wěn)；二是可以更方便地控制末溫，確保兩種液體末溫相同，只要初溫相同，升高的溫度就相同。

2.3 分析實驗數(shù)據(jù)建立比熱容的概念

“分析與論證”是通過對實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)進行分析比較、尋找數(shù)據(jù)之間的相互關系，并且能夠用準確、簡潔的物理語言加以表述[ 2 ]。本實驗的數(shù)據(jù)并不復雜，通過之前有意識的引導，學生在表格中能根據(jù)加熱時間長短填上水吸熱的“多”，煤油吸收熱量“少”。引導學生回答實驗提出的問題：相同質量的不同物質，升高相同的溫度時吸收的熱量不同，說明物質吸熱的多少與物質的種類有關，不同的物質吸熱的本領不同。在這個實驗中，水吸收收更多的熱量，說明水的吸熱本領大。為了表示物質的吸熱本領，引入比熱容這一物理量，從而順利引入比熱容的概念。

在用比值法給出了比熱容的定義之后，將比熱容的定義式變形為Q=cmΔt，不難發(fā)現(xiàn)，物質吸熱多少等于質量、升高的溫度和比熱容的乘積，正好驗證了實驗結論“物質吸熱的多少除了跟質量和升高的溫度有關，還跟物質的種類有關”。

在定義比熱容時，甚至可以直接利用數(shù)學手段，將公式Q=cmΔt變形為c=，從而得出比熱容的定義。

綜上所述，通過轉換實驗引入的角度，提出更明確的實驗目的，改進實驗方案，分析數(shù)據(jù)得出不同物質吸熱本領不同，從而順利建立比熱容的概念。在建立比熱容概念的過程中，實驗是重要的環(huán)節(jié)，只有科學、合理、遵循概念內涵、符合學生認知規(guī)律的實驗才能有效建立物理概念。

參考文獻：

[1]顧建元.淺談初中物理概念教學的有效性[J].中學物理，2012（6）：11-12.

[2]張霞.實驗數(shù)據(jù)的收集、分析與論證[J].中學生數(shù)理化（八年級物理）（配合人教社教材），2010（11）：27-28.