淺析探究物質比熱容實驗中水浴法失敗的原因

孫東振

(廈門市海滄區東孚中學 福建 廈門 361000；吉木薩爾縣第一中學 新疆 昌吉 831700)

周金滿

(廈門市海滄區東孚中學 福建 廈門 361000)

1 提出問題

水浴法在初中階段的物理化學實驗中非常常見，其特點也非常突出，可以使被加熱物體受熱均勻.實驗探究物質的比熱容，是初中物理比較重要的實驗，同時也是一個比較復雜的實驗，很多的文獻資料、學生輔導材料和試題中對這個實驗都提出了改進方法.其中有很多有價值的方法，但也有一些沒有經過實驗驗證的，存在很大缺陷的方法，其中采用水浴法加熱就是常見的改進方式.

例如發表在某雜志上的題為“基于學生核心素養達成的物理概念教學——以滬科版九年級比熱容一課為例”的論文中，作者對實驗裝置進行了改進，采用了同一個酒精燈同時對水和煤油進行水浴加熱，以保證在相同的時間吸收的熱量相同，但作者沒有給出實驗過程.究竟這種改進方法效果怎么樣，還需要實驗的驗證[1].

2 實驗驗證

為了提高實驗效率，筆者使用了實驗室中的DISLab溫度傳感器來代替溫度計，實時采集溫度數據，然后將溫度變化圖像顯示在計算機軟件中.另外按照水浴法的加熱方法，將等質量的水和煤油裝入兩只試管，然后放入一個裝水的大燒杯中.裝置如圖1所示.

圖1 水浴法加熱

燒杯中使用初溫約80 ℃的水進行實驗，在加熱一段時間之后，酒精燈傳遞的熱量與水散失的熱量相當時，水的溫度達到平衡，保證水浴加熱時熱源溫度相對穩定.然后將兩支試管放入水中，加熱一段時間，實驗圖像如圖2所示.

圖2 水浴法升溫線

很明顯實驗圖像和理想的圖像差別很大，主要存在兩個問題，一是煤油的升溫速度在后期明顯比水要慢，這和水的吸熱能力比煤油強相矛盾；二是兩條溫度線都是明顯的曲線，這和物質吸收熱量公式Q=cmΔT明顯不符.這樣的實驗結果會使學生產生很大的困惑，顯然不能用于比熱容實驗的課堂教學，那問題究竟出在哪呢？

3 實驗分析與改進

從熱傳遞的3種方式入手，水浴法加熱屬于熱傳導，其熱流量可以表示為

(1)

其中λ是熱傳導系數[2]，為簡化研究，我們只關注試管與熱源水交界面的熱傳導，在試管壁厚度一定的條件下，則由式(1)可以得到

Φ∝-λAΔT

(2)

由式(2)可以看出，水浴法的熱流量與燒杯中的水和試管之間的溫度差ΔT以及它們之間的接觸面積A成正比.在加熱的過程中，由于溫差變得越來越小，會使得熱流量變小，也就是在相等的時間內，傳遞的熱量會越來越少，加上水溫和試管的溫差本來就很小，所以導致水浴法升溫線是一條逐漸變緩的曲線.而對比裝水的試管，裝煤油的試管與外界水的溫差會降得更快，熱流量降得也會更快，所以會出現后期煤油的升溫速率比水的升溫速率還要慢.

作為改進，可以選用紅外加熱爐進行加熱，如圖3所示，將裝有等質量的水和煤油的試管放入事先預熱好的加熱爐中進行加熱，得到的溫度圖像如圖4所示.

圖3 紅外加熱爐加熱

圖4 紅外加熱升溫線

圖中水和煤油的升溫線都近似于一條直線段，而且可以很明顯地看到煤油的升溫速度比水的升溫速度快，說明水的比熱容比煤油的比熱容大，符合實驗預期，課堂效果也很好.

4 兩種加熱方式對比

使用紅外加熱爐進行加熱屬于熱輻射傳熱，一般物體輻射的熱流量

Φ=εσAT4

(3)

式(3)中ε是一般物體的輻射率，其值小于1，取決于物體自身的材料種類，σ是玻爾茲曼常數[2].兩個物體之間的輻射換熱熱流量取決于這兩個物體之間輻射熱流量的差值，即

(4)

式(4)中絕對溫度T是加熱過程中唯一的變量.

(5)

式(5)中ΔT0是初始狀態試管內外表面液體的溫度差，用計算機繪出水浴法加熱熱流量的穩定度如圖5所示.

圖5 水浴法熱流量穩定度

由圖5可以看出，水浴法加熱過程中，隨著試管的溫度升高，溫差減小，熱流量會顯著減小，直到達到熱平衡，熱流量變為零.

作為對比，采用紅外加熱爐加熱時，由于加熱爐只有頂部小面積開口，我們可以簡化認為試管被加熱爐完全包圍，加熱爐的輻射面積大于試管的輻射面積，但作為估算可忽略試管和加熱爐輻射率以及輻射面積的差別，并且認為試管內液體與試管壁處于熱平衡狀態.討論紅外加熱爐的溫度分別穩定在600 K,800 K和1 000 K這3種情況，被加熱試管溫度變化300～380 K時，加熱爐與試管之間的輻射換熱熱流量式(4)可以簡化為

(6)

遠紅外加熱爐的熱流量穩定度可以表示為

(7)

圖6 紅外加熱熱流量穩定度

由圖6我們可以看出，紅外加熱爐加熱時的熱流量穩定度基本保持在0.9～1之間，而且使用的溫度檔越高，熱流量越穩定.

5 總結

通過實驗發現，水浴法加熱是一種熱流量不夠穩定的加熱方式，其并不適用于探究物質比熱容的實驗，作為改進，利用紅外加熱爐進行加熱是非常理想的加熱方式,同時也適用于需要穩定熱流量加熱的實驗.另外，在物理教學過程中，教師對實驗的改進不能夠只停留在紙面，需要引導學生多動手實踐，特別是初中階段，學生正處在科學觀念形成的關鍵時期，多引導學生進行實驗探究，敢于質疑、勇于發現問題解決問題，才能在教學中讓物理核心素養的培養真正落地.