《比热容》探究实验的改进

(江苏省南京市宁海中学分校，江苏 南京 210036)

1 教学背景分析

苏科版九年级物理教材第十二章的第三节的内容是“比热容”，“比热容”是热学部分一个很重要的物理量，对内能相关知识学习十分重要.在新课学习过程中，学生很难理解比热容概念，比热容到底是表示物质什么性质的物理量、比热容与什么因素有关等，这些问题让学生感到困惑.2013年出版的苏科版九年级教材对比热容的定义做了改进，还原了比值法的定义方式，某种物体温度升高吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比叫这种物质的比热容.初中阶段，由比值法定义的物理量都是由另外两个物理量之比来定义的(如密度定义为质量与体积之比)，而比热容是物质吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比，涉及三个物理量，帮助学生学会这个定义有一定的难度.因此.利用好“探究沙子和水升温问题”的学生活动，对建立比热容概念十分重要.笔者及同备课组其他老师都发现，这个探究实验存在四个难以回避的问题：

(1)实验器材多，装置复杂，实验装置要求把铁圈、石棉网、复夹、温度计装在铁架台适当的位置，并分别用两个同样的酒精灯的外焰给石棉网上的烧杯里同质量的水和沙子加热，实验难度大.

(2)实验设备落后，课堂实验效率低、时间长，酒精灯加热效率低，容易受到周围环境因素影响，散热明显，加热时间不容易控制.此外，让两个酒精灯在相同的时间内放出的热量相等操作难度大，沙子和水在加热的过程中向周围空间散发的热量也不同，该实验的条件──同质量的不同物质吸收相同的热量就无法得到保证，造成实验的可信度、实验的科学性大打折扣.

(3)实验精确度不高，读数困难大、误差大.本次实验利用液体温度计，读数时要求待温度计的示数稳定后进行.而实验时温度计示数是动态值，读数误差大.

(4)实验操作要求高，学生不易做到.除了器材装配问题，本实验程序繁琐，学生首先要熟悉实验步骤，知道每步操作的目的，此外，沙子是热的不良导体，加热过程中要不断用玻璃棒搅拌，容易和玻璃温度计发生碰撞，造成温度计的损坏，乃至误伤到学生，对课堂教学产生影响.

鉴于以上问题，笔者尝试对学生实验进行了改进和创新，整个探究过程如下.

2 探究活动——探究水和沙子吸热升温的现象

(1)实验器材有：600瓦电磁炉、水、沙子、易拉罐、铁架台、天平、电子温度计、秒表等.

图1

解释：①用传统的酒精灯加热不容易控制相同时间放热相等，受到环境干扰比较大.②玻璃制温度计易被搅拌棒碰碎，且在升温过程中读数误差大.因此实验改用电磁炉和电子温度计，容器改为铁质易拉罐(如图1).

教师指导实验过程，安排4～6人一组共同完成实验，做好工作分工.

学生1：负责利用天平称取100g水和100g沙子，放到相同的铁质易拉罐中.

学生2：负责开关电磁炉，并观察秒表，每隔1min提醒记录员记录沙子和水的温度，实验4～5min.

学生3：一手按住装水的容器不让它移动，手持温度计插入水中，注意不碰到容器底和壁，注意观察示数，每隔1min报一次温度数据.

学生4：一手按住装沙子的容器不让它移动，手持温度计插入水中，做到温度计不碰到容器底和壁，注意观察示数，每隔1min报一次温度数据.

学生5：负责搅拌沙子，注意按住装沙子的容器不让它移动.

学生6：记录数据，实验后和团队分享并分析数据，做好汇报交流的准备.

(2)进行实验并收集证据.

按照教师指导要求做好分工，按步骤进行实验.实验完毕后，将数据填入下表，描绘温度T随加热时间t的图像，从中寻找规律.

①设计记录实验数据的表格(如表1)，实验中取水和沙子的质量均为100g.

表1

②描绘图像.

处理数据时可以让学生借助excel表格处理，输入数据，自动生成曲线图，以一组学生实验数据为例，将记录的数据用excel处理，自动生成图像(如图2).

图2

(3)分析与结论

通过数据可得到实验现象：质量相等的沙子和水在加热时间相同时，沙子升高温度比水升高温度多.由此得出结论：质量相等的不同物质在吸热相同时，升高温度不同.在此基础上，教师引导学生得出：质量相等的沙子和水升高相同温度时，水吸收热量多.然而，为何质量相等的不同物质，在升高相同的温度时，吸收的热量会不同？原因是什么？学生不难得出原因是物质种类不同.由此可见，这种现象也反映了物质的一种属性——比热容.

从实验现象分析结论，可以总结出一种特性.但是到底什么叫做比热容，需要进一步研究.今天我们研究的是不同物质吸收相同热量时温度升高快慢的问题，因此应该建立升高温度ΔT—加热时间t的图像，而初中阶段的学生在刚刚认识图像，利用图像寻找规律的初期，一下子想到画出ΔT—t图像是有难度的，因此通过下述引导进行自然过渡，收效甚佳.

利用excel软件自动处理处ΔT数据和图像，如表2和图3所示，借助excel给两条轨迹加上趋势线(如图4).

表2

图3

图4

不难看出，在误差允许范围内，两条加热轨迹可以看作为过原点的倾斜直线.此时联系类似这样的图像(如质量——体积关系的图像)，反映横纵坐标成正比例关系，也就是比值是定值.由图像可见，同种物质吸收热量Q和升高的温度Δt的比值是个定值，不同物质吸收热量Q和升高的温度Δt的比值不同，这就表现了不同物质的一种性质，但是这个比值能不能反映比热容这个物理量呢？刚才的实验建立在什么物理量相同的情况下？(质量相同).如果质量不同，如何比较吸收热量Q和升高的温度Δt的关系？(取质量相同).取单位质量的不同物质研究，也即是研究吸收热量Q和升高的温度Δt与质量乘积的比值，这个比值反映了物质的又一种属性——比热容.

3 教学反思

(1)改进后实验的优点及其意义

增强了实验的精确性.解决了发热和散热问题，相同质量的不同物质吸收相同的热量，这个实验的条件才得以保证；实验过程中可以很方便地通过电磁炉来控制加热时间，确保了两个容器吸收热量相同.电子温度计能准确显示记录时的数据，虽然温度计示数是变化的，但是每时每刻的示数是准确显现的，使实验操作更加规范，而实验室温度计只能在示数稳定后再读数并记录.通过该实验有助于培养学生严谨、认真的科学态度.此外，改进后的实验减少了器材，简化了装置，降低了操作难度.

(2)比热容概念的建立

比热容概念的建立是个难点，多数教师常常利用数学手段对比热容的定义进行讲解.将公式Q=cmΔt变形为c=Q/(mΔt),从数学的角度来看，物理量c是将热量Q除以mΔt，如果质量m变为1(即单位质量)，温度差Δt变为1，则比热容的概念：单位质量的某中物质温度升高(或降低)1℃所吸收(放出)的热量叫这种物质的比热容.这种方法并不反映比值定义法的真正要旨，会给学生形成错误的概念.

通过图像分析得出相同质量的同种物质吸收热量和升高温度的比值相同，相同质量的不同物质吸收热量和升高温度的比值不同，逐渐过渡到同种物质吸收热量和升高温度与质量乘积的比值相同、不同物质吸收热量和升高温度与质量乘积的比值一般不同，得出吸收热量和升高温度与质量乘积的比值反映了物质的比热容这一属性.既符合比值定义的要求，也符合教材从图像入手的目的，真正让学生领悟了比热容这一抽象概念.