用电热水壶定量研究水的比热容

王宇航　王志茜

(1. 北京市育英学校，北京　100036；2. 北京市西城外国语学校，北京　100044)

·实验研究·

用电热水壶定量研究水的比热容

王宇航1王志茜2

(1. 北京市育英学校，北京100036；2. 北京市西城外国语学校，北京100044)

摘要：针对比热容的教学现状，笔者选用能显示温度的电热水壶，借助加热时间的长短来定量比较水吸热多少.从实验数据中可以看到，水在吸热升温过程中，加热时间与质量和温度变化乘积的比值不变.这样的实验改进能帮助学生建构比热容的概念.

关键词：比热容；电热水壶；定量研究

1比热容的教学现状分析

《义务教育物理课程标准(2011年版)》对比热容的教学要求如下：“通过实验，了解比热容，尝试用比热容说明简单的自然现象.”不同版本的教材中均突出了“比较不同物质的吸热能力”这个探究性实验.

从实际教学来看，比热容是初中物理教学中较复杂的概念，属于典型的比值定义.与密度、热值等涉及两个因素的概念相比，比热容是初中物理中唯一涉及到三个因素的物理量.但在实际教学中，由于缺乏不同物质吸收热量与质量、温度变化乘积的定量实验，学生们往往是在教师的引导下，在脑海中“想”这样的实验.虽然也有老师借助一些编好的实验数据来帮助学生理解比值不变这个物质特性，但学生内心深处并没有真正认可这一观点.即对同一种物质来说，加热过程中吸热多少与质量和温度变化乘积的比值不变.所以，比热容的物理含义和概念建构往往最后是不了了之，学生只得用记忆代替建构、用做题来帮助记忆概念.

2定量研究水的热容实验

实际教学中，水的质量和温度变化的测量是很容易实现.关于水吸收热量多少的问题，长期以来在教学实践中，我们是借助加热时间来定量研究.但由于加热条件的限制，在常规教学中我们很难创设出让加热源均匀放热的条件，所以借助加热时间来定量研究吸热多少是非常粗糙的做法.同时因实际加热过程中水要散热，所以我们也很难创设出液体均匀吸热的条件.

怎样保证加热源均匀放热和水均匀吸热呢？我们想到了电热水壶，电热水壶能保证放热均匀，它的金属外壳导热性良好，可以保证壶内水相对均匀地吸热.如果能直接显示壶内水的温度就更好了.

我们惊喜发现，某公司生产的A600B电热水壶符合我们的设想.正如说明书所言，这样的电热水壶“采用最新电子测温技术，水温一目了然、准确”.借助电热水壶自身携带的温控器，我们还可以设置要加热的温度.由于这样的电热水壶在工作过程中是均匀加热，所以通过加热时间的长短，我们可以定量比较水吸热多少.

借助这样的电热水壶和秒表，我们反复实验,获取了大量实验数据.实验中，时间的测量可以精确到0.01秒，但考虑到人的反应时间问题，我们统一四舍五入保留到1秒，实验数据如下表所示：

水的质量(g)水的初温(℃)水的末温(℃)水的温度变化量(℃)加热时间(s)加热时间与质量和温度变化乘积的比值(s/g·℃)50018100821600.00396001690741740.00397001890721970.00397501890722140.0039

分析实验数据，我们看到，水在吸热升温过程中，加热时间与质量和温度变化乘积的比值基本不改变.换言之，对水来说，加热过程中吸热多少与质量和温度变化乘积的比值不变.

在实践中，我们首先录制好两段加热水的视频，在视频中明确标出水的质量和温度的变化，通过编辑软件将视频压缩到两分半钟的时间.在课堂上，除了播放视频之外，又现场做了一个实验，但水的质量和视频之中不同.通过大约五分钟的实验，学生们能建构起比热容的概念，并且意识到比值定义法不仅仅局限于两个物理量之间.

3对实验的再思考

在上述实验中，我们使用的水都是已经放置一晚上的水，所以水的初温比较稳定.电热水壶的功率是1350W，如果假设电能完全转变为水的内能，借助电功公式W=Pt，我们可以从实验数据中计算出水的比热容是5265J/(kg·℃).关于实验误差，我们认为有如下几个因素：① 电热水壶自身散热的影响；② 这样类型的电热水壶自身所带的测温器能直接测出水的初温，但末温只能设置为5的整数倍，所以也不可避免会带来一些误差；③ 在使用电热水壶设置好加热水的末温时，要同时按下计时器，但实际操作中很难做到同时按下.我们认为在水的质量和温度变化比较大时，误差会小一些.这样改进的实验，确实突出了物理学的实验特点，也使学生能顺利建构起比热容的概念.

参考文献：

中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[S].北京：北京师范大学出版社，2012.