不同物质吸热升温快慢实验的研究

薛钰康

(星海实验中学,江苏 苏州 215021)

不同物质吸热升温快慢实验的研究

薛钰康

(星海实验中学,江苏 苏州 215021)

摘要：教材中探究沙子与水升温快慢的实验中，利用酒精灯加热，沙子和水分别通过传导和对流的方式传热，导致实验的初始时间内，水升温较快，与现实中在海边的感受不符. 为此，提出了采用白炽灯上加热的方式，使沙子和水的热传递方式相同，实验改进后，沙子升温较水快，即可得出水的比热容比沙子大的结论. 该实验还可以采用煤油和水进行对比实验，因两种物质的热传导方式相同，容易比较比热容的大小.

关键词：比热容;温度；时间;传热；对流

1问题的提出

在九年制义务教育苏科版物理教材九年级上册第12章第3节“物质的比热容”的设计中，先用海滩沙子与海水温度不同的感受启发学生思考：为什么同样的光照下沙子和海水的温度会不一样. 然后引导他们提出猜想：可能是沙子和水吸收相同热量时升高的温度不同，沙子吸热升温比水快的缘故，进一步希望学生能通过实验比较沙子与水的升温快慢情况，因而教材上直接设计了该探究实验的内容. 但在实际教学实践中，笔者感到按照教材设计的实验进行操作，很难得到理想的实验效果，往往会出现水的升温比沙子快，用搅棒搅拌沙子也不能做到沙子均匀受热，并且搅拌也很不方便，这样就使得该实验的实际可靠性较差，不能很好地证明原来提出的猜想.

笔者以为，问题的根本原因在于该实验的设计. 在教材的对比实验设计中，研究对象分别是沙子和水，其中水是液态物质，在用酒精灯加热时，它是依靠对流方式传热的，不必搅拌，水各部分的受热升温比较均匀，温度计能正确地测出水温及其变化情况；但沙子是固体物质，其传热依靠传导方式，由于沙子的热传导性能不好，易造成受热不均，教材设计的人工搅拌也解决不了问题，易造成温度测量的不可靠，甚至出现与期望相反的结果. 所以，尽管在实验设计中，充分考虑到了明显的变量控制，如：沙子和水的质量相等、用相同的烧杯、相同的加热器等，但在其内在的物理传热机制上，却没有做到一致，因此，使实验效果不可靠，反而出现了水的升温比沙子快的现象.

2实验的比较分析

为了寻找比较有效的实验方案，笔者通过实验对比了几种方案的实验效果，实验装置如图1所示.

图1　用相同酒精灯加热沙子和水的实验装置

2．1　用相同酒精灯加热沙子与水的实验

器材：烧杯1个、酒精灯1只、温度计2支、铁架台1架、石棉网1块、火柴1盒.

实验方法：

1)如图1所示，用同一套器材先后用质量相等的沙子与水进行实验.

2)点燃酒精灯加热，不对沙子搅拌，用2支温度计分别同时测出加热物质的中心温度和边缘处的温度，测量间隔的时间Δt是30 s.

3)倒去沙子，待烧杯冷却后，取相同质量的水重复上面的实验测量. 2次记录如表1所示.

表1　用相同酒精灯加热沙子和水的实验数据

由表1绘出沙子与水的θ-t图像(如图2所示). 以同种物质边缘与中心比较：水由于利用对流方式传热，传热速度很快，其边缘温度与中心温度一致，以同样的速度同步增长. 而沙子升温则不同，其开始时边缘升温比中心升温快，以后大段时间中始终保持温度差距，源于边缘首先受热，沙子主要靠传导方式传热，从边缘传到中心要一定的时间，要克服此因素的差异，用搅拌沙子的方法是很难达到理想效果的. 再进行不同物质的比较，由于水依靠对流传热，不仅横向温度无明显差异，而且其上下的差异也不大，温度计基本能正确反映水的整体温度情况；而沙子则不同，虽然温度计与水同样放于中心(上下的)位置，由于沙子依靠传导传热，从加热的底部传到温度计处要一定的时间，使温度计玻璃泡处沙子的温度低于底部沙子的温度，客观上出现了开始加热升温是沙子比水慢. 正是该原因使得其上下和左右存在一定的温度差，温度计不能正确反映沙子整体的温度，其测量记录与沙子升温比水快的情形不符，教材编写者希望通过对沙子的搅拌做到实验中沙子升温比水快是比较困难的.

图2　酒精灯加热沙子和水的θ-t图像

2．2　用200 W白炽灯加热沙子与水的实验

实验装置如图3所示.

器材：2个相同的烧杯、200 W白炽灯1盏、温度计2支、铁架台3台、石棉网2片.

实验方法：

1)按如图3所示组装好实验装置，沙子与水的质量相等；调节灯泡的位置，使灯泡分别到水面和沙面的距离相等.

图3　用白炽灯加热沙子和水的实验装置

2)接通电源，使灯泡发光照射沙子和水. 不对沙子和水搅拌，用温度计分别同时测出沙子与水中心的温度，测量间隔的时间是5 min，记录如表2所示.

表2　用白炽灯加热沙子和水的实验数据

由表2绘出θ-t图像如图4所示.

图4　白炽灯加热沙子和水的θ-t图像

从图4可以看出，开始时沙子升温比水快，且以后一直保持一定的差距，沙子的温度一直比水高，但由于白炽灯作为热源较弱，沙子和水与周围环境气温的温差增大后散热会加快，沙子增加得更快，使得后来两者的温度变化接近. 本实验中水和沙子都通过同一个热源，从上方加热，使得他们的传热都是依靠传导，虽然有差异，但还是能较好地反映出水升温比沙子慢，从中体现出水的比热容比沙子大的特点.

2．3　用相同酒精灯加热煤油与水的实验

实验装置如图5所示.

器材：烧杯1个、酒精灯1只、温度计1支、铁架台1架、石棉网1块、火柴1盒.

实验方法：

1)按如图5装置，用同一套器材先后用质量相等的水与煤油进行实验.

图5　用相同酒精灯加热煤油与水的实验装置

2)点燃酒精灯加热，2次实验，用温度计分别测出水与煤油的中心温度，测量间隔的时间是30 s，记录如表3所示，由表3可绘出θ-t图像，如图6所示.

表3　用相同酒精灯加热煤油与水的实验数据

图6　酒精灯加热煤油和水的θ-t图像

从图6可以明显看出，煤油的升温要比水的升温快，而且一直保持着同样的趋势，使得两者的温差越来越大. 由于两者的质量相同、加热器相同、烧杯相同和其他外部环境也相同，他们都是液体，其传热方式也相同，主要都是通过对流方式传热. 因此，可知升温快慢的不同是由于两者不同的比热容的原因，由于煤油的比热容比水的比热容小，所以，同等情况下煤油的升温比水快.

3对教材设计的建议

基于上面的实验分析，笔者以为，在初中物理学习中，要比较不同物质吸热升温的快慢，有2种实验方案可供选择，一是采用原来教材使用的沙子与水进行比较，但是，应该将教材采用的下加热方式改成上加热方式，即将酒精灯加热方式换成灯泡辐射加热，使两者都是通过热传导方式进行传热，这样在加热物质质量相同、加热条件相同的情况下，升温的快慢完全决定于物质比热容的大小. 但是这种设计的最大问题是实验升温很慢，在实际课堂教学的时间来看不可行，作为课外物理兴趣活动来做，则有利于培养学生耐性. 二是都采用液态物质进行实验比较，作为课堂教学实验，笔者认为这种方式是最佳的. 这是因为一般液体的传热都主要是通过对流的方式，也就是它们的传热方式相同，如果能选择黏度较小的液体，在同样火焰加热的情况下，不必通过搅拌就能使液体各部分比较均匀地受热，而且升温都较快，适合课堂演示教学. 实际实验中为使2种不同液体的升温快慢差异性比较明显，笔者建议选择2种比热容相差较大的液体进行，这样更有利于提高实验的准确性与可靠性. 基于以上原因，笔直认为用水和煤油进行实验是比较好的，如果认为煤油气味较重，也可以用色拉油等食用油替代煤油进行实验.

参考文献：

[1]刘炳升，李容. 义务教育教科书《物理》九年级(上册)[M]. 南京：江苏科技出版社,2013.

[责任编辑：尹冬梅]

Exploring experiment of the heating speed of different matters

XUE Yu-kang

(Xinghai Middle School, Suzhou 215021, China)

Abstract:In teaching material, the exploring experiment of heating speed uses alcohol burner to heat sand and water. Sand and water transfer heat by conduction and convection, respectively. In the initial stage, water heats up faster than sand. It is in contrary to the feeling in reality. So a method that used lamp to heat water and sand was presented. Using this method, the heat transfer ways of water and sand were both conductions, the temperature of sand increased faster than that of water. It could concluded that the specific heat of water is bigger than that of sand. Because of the same heat transfer way, kerosene and water could be used in experiment to compare their specific heat.

Key words:specific heat; temperature; time; conduction; convection

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)03-0021-04

作者简介：薛钰康(1963-)，男，江苏苏州人，星海实验中学高级教师，学士，从事中学物理教学工作.

收稿日期：2014-11-04