关于“物质的比热容”概念建构的探讨

(江苏省泰州市高港实验学校,江苏 泰州 225323)

关于“物质的比热容”概念建构的探讨

孙彦彬张正太

(江苏省泰州市高港实验学校,江苏 泰州 225323)

笔者依照义务教育物理课程标准,对苏科版初中物理教材新旧版本中“物质的比热容”的内容进行了对比分析,在吃透编者意图的基础上,以“探究物体吸热升温的热量计算”为主线建构知识,让学生经历较为完整的科学探究活动,体会科学方法,培养创新意识、探究能力,提高学习力。使运用比值法定义比热容显得自然而又必要。

初中物理；比热容;科学探究;知识建构

1 教材及学情分析

就第十二章第三节“物质的比热容”的编写，苏科版物理教科书2013年版与2003年版相比,前者是以一次较完整的探究活动,让学生全面体验科学探究的过程。两种版本引入的问题都是“吸收相等的热量后,为什么沙子比水升温快”,设计的实验也都是用同一加热装置,先后加热质量相等的两种不同物质。后者只是让学生测出两次升高相同温度所需时间,分析数据只能定性发现:相同质量的不同物质,升高相同温度吸收热量不等，或吸收相同的热量升高的温度不同，显然不能科学地体现出用比值法来定义比热容。2013年版教科书让学生每隔相同时间(吸收相同的热量)记录一次温度,得到多组数据,在数据的处理上增加了绘制“温度-时间”图像,放手让学生分析图像、发现规律,再用“比值法”来定义比热容。这样的处理使得“图像”更直观,“特性”更显见,探究活动更顺畅。

在本节课之前的教学中,由图像发现两物理量之间成正比关系,进而采用比值法表征其中特性，引入了物质的密度。笔者认为：在建构“比热容”时,从图像分析到物理量的定义,可借鉴“密度”的教学方法。但因同种物质的“Q-Δt”图像所涉及的量并不只是热量Q、温度变化量Δt这两个物理量,还有质量m。如何科学而合理地分析这三者之间的定量关系，对比不同物质的图像所存在的差异,体现物质吸热本领的这一特性，并采用“比值法”来定义比热容及其单位？这自然就成为本节课的教学重点和难点。笔者在吃透教科书改编意图的基础上,结合自身的教学实践,就“比热容”的教学,从学生已掌握的知识、技能及研究方法入手,以探究物体因吸热升温的热量计算为主线,引导学生开展实验探究活动,观察图像特点,在分析归纳总结特性的过程中,增强合作与交流意识,培养创新能力，落实好“课程标准”要求,体现教科书编者意图,使学生在探究中受到科学态度和科学精神的熏陶,享受成功的愉悦。

笔者建议把“物质的比热容”一节分为两课时完成,第一课时的教学内容是:比热容的建构及理解。第二课时的教学内容是:运用比热容知识解释简单的自然现象，运用公式Q=cmΔt解决有关热量的计算问题，分析“海陆风”的成因，并进一步联系生活、社会实践,应用所学知识分析、解决实际问题,提高语言表达能力。本文仅对第一课时的教学设计进行说明。

2 教学流程的设计

2.1 课前准备题及设计意图

要让“科学探究”变为教师常态课上的自觉行动,且在探究活动中充分发挥学生的主动性和创造性，通常可针对学生已有的新课中必备的知识与技能进行复习，将收集社会、生活活动中的相关信息以及小制作、小体验等问题的解决放到课前，这样就能尽可能保证“科学探究”有充足的时间。为此,笔者根据第一课时的教学内容,布置了以下三道课前准备题。

题1利用煤气灶加热一壶水,在加热过程中,水不断 ,水温不断 ,这是通过 的方式来 水的内能。

(1) 一壶水烧成温水与烧成开水相比较，加热时间较长的是 ,它吸收的热量 。这一现象说明:水的 相同,吸收热量的多少与水 有关。

(2) 烧开一壶水与烧开半壶水相比较:加热时间较长的是 ,它吸收的热量 。这一现象说明:水 相同,吸收热量的多少与水 有关。综上所述,你认为水升温吸热的多少与哪些因素有关？利用相同的加热方法,如何比较吸热的多少？

题2将质量为1kg、2kg、3kg的水,均升高相同的温度,吸收的热量分别为Q1、Q2、Q3，则Q1∶Q2∶Q3= 。

题3回顾“实验:观察水的沸腾”,其中用到了哪些器材？器材的安装和调节是如何进行的？怎样测量出水的吸热升温数据？

分析：题1贴近生活实际,是学习新课时学生必备的知识。学生能自主设计实验：“水和沙吸收相同的热,谁升温快？”并采用控制变量法和转换法。

题2让学生运用演绎法，得到结论:同种物质Δt一定,Q与m成正比。

题3是利用学生已有的实验技能,为本节课实验中选取器材及实验操作做铺垫。

接着引导学生定性分析物体吸、放的热量与物体质量m、温度改变量Δt的关系，结合题2的结论和课上学生由探究实验所绘制的图像，可得出结论:(1) 质量相等的不同物质,升高相同温度，吸收的热量与物质种类有关;(2) 质量相等的同种物质,Q与Δt成正比。

这样就顺理成章联系“m=ρV”，先建立热量的计算公式Q=cmΔt,再通过公式变形，得到c=Q/(m·Δt),并利用“比值法”定义比热容。这样的概念建构流程符合学生的认知特点,凸显科学探究,充分体现了教科书编者用“比值法”定义物理量的意图。

2.2 科学探究:探究不同物质吸热升温的现象

2.2.1 复习与提问

(1) 交流课前准备题1、题2,完善题中要求，得出:① 水吸热升温,吸收热量的多少与 和 有关。② 加热方法完全相同,就可以认为加热相同的时间,物体吸收的热量 。③ 同种物质Δt一定,Q与m成正比。

(2) 阅读课本p43的“提出问题”中的现象描述，回答问题:中午时同样都在阳光的照射下,为什么海水和沙子的温度不一样呢？

2.2.2 猜想与假设

猜想与假设是探究的核心,猜想出“沙子吸热升温比水快”,是解决为什么“中午海边沙子热,海水却凉”的关键。要鼓励学生大胆猜想，并阐明猜想的根据,结合题1讨论交流来提炼猜想:① 质量 的沙子和水,吸收相同的 ，沙子烫而海水凉。可能是因为沙子吸热升温比水 的缘故。② 因水蒸发时要吸收热量,故而海水温度上升得慢。

要注意生成教学,不轻易否定学生的猜想，如对于猜想①的提炼,沙子和水的质量不等,会不会对结果有影响？对于猜想②,在肯定学生的基础上,设问并交给学生裁决:夜晚气温降低后,海水还会因水蒸发,导致海水降温 而比沙子更 (热/凉)。实际感受是:夜晚时,发现沙子与海水比,谁更凉呢？由亲身经历的学生回答，这时学生自会否定猜想②。

2.2.3 实验设计

交流对题3的解答,完成实验方案的设计。

(1) 你准备用怎样的实验装置给水和沙子加热来验证猜想②？

(2) 实验需要的器材有:

(3) 实验前需考虑的问题:① 怎样得到质量相等的水和沙?② 怎样调节装置的高度？③ 怎样保证水和沙吸收相同的热量?请设计实验数据记录表。④ 怎样才能使被加热物体受热均匀？

2.2.4 实验操作与数据记录

(1) 进行实验，记录数据(如下表):

加热时间/min01234温度改变/℃沙子水

(2) 根据实验数据,作出沙子和水“温度升高-加热时间”的图像。

2.2.5 分析图像,得出结论

学生利用物质密度中“m-V”图像的分析方法,采用“异中求同，同中求异”的思路,自行完成下列问题的分析：(1) 质量相同的沙子和水，哪一个升温快？如何从图像中比较？(2) 质量相等的沙子和水升高相同的温度，哪一个吸收的热量多？如何从图像中比较？

学生通过交流，得出结论:(1) 上述实验说明了 (水/沙)的吸热能力较强,通常不同种物质的吸热本领是 。即:不同物质,在质量相等,升高温度相同时,吸收的热量是 的。(2) 质量相等的同种物质,吸热升温时,吸收的热量Q与升高的温度Δt成 。(3) 在物理学中,为描述物质吸热能力的强弱,同时也是为了便于计算物体因吸(放)热温度改变时所吸(放)热量的多少,而引入了一个新的物理量叫比热容,用字母c表示。吸热能力越强,c越大。

2.3 探讨比热容的定义与热量的计算

2.3.1 引入概念

教师提问:比热容是反映不同物质吸热的本领不同,是物质的一种特性。那么怎样来定义比热容，就能利用物体的质量m、温度改变量Δt、比热容c三物理量来计算所吸(放)出的热量Q呢？

学生讨论后完成填空:物体吸热升温时,吸收的热量Q的多少与物体的质量m成 ,与物体升高的温度Δt成 。质量相等的不同种物质的物体,升高温度相同时,吸收的热量Q与物质的比热容c有关。比热容c越大,吸收的热量Q越 。

2.3.2 探究“比热容”定义

教师引导学生回顾“物质密度”的建构过程：m-V的图像特点——比值法定义密度ρ——m=ρV,以实现方法迁移，提出问题:上述物理量之间的数学关系式能否用Q=cmΔt来表示？若能,你认为c值该如何确定？

学生根据物质密度的定义方法,自主定义比热容、确定比热容的单位及物理意义。教师进一步提问：由c=Q/(mΔt),能否说比热容c与吸(放)的热量Q成正比,与物体质量m成反比,与温度改变量Δt成反比？以加深学生的理解。

2.3.3 查阅“一些常见的物质比热容”表

教师引导阅读教材中“一些物质的比热容”表,提问：你有何发现？学生发现:(1) 水的比热容最大;(2) 比热容是物质的一种属性,不同种物质的比热容一般不同;(3) 同种物质的比热容还与物态有关。

教师进一步提问:在烈日下,为什么中午沙子烫海水凉？如果在夜晚赤脚走在沙子和海水中,谁更凉？学生尝试解释，以回答教材引入课题时提出的问题，实现教学的前后呼应。

3 教学建议

为使学生自主探究、积极思维、合作交流,在知识的建构中增强创新意识,深化对物理知识的理解,提高分析和解释实际问题的能力，笔者提出如下建议。

(1) 用好“活动式导学案”,以问题链的形式,激发学生的探究欲望，引导学生积极思考,开展活动。

(2) 第一课时的知识建构要充分借鉴“物质密度”的建构过程,再次尝试用“比值法”定义“比热容”,有效突破教学的重、难点。

(3) “问题链”是引导学生课上认真思考、主动交流和开展活动的抓手,有助于发展学生的思维,提高活动开展的有效性。在探究活动中教师既是引导者,又是参与者。

[1] 教育部基础教育课程教材专家工作委员会.义务教育物理课程标准(2011年版)解读[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] 苏科版初中物理教材编写组.义务教育课程标准实验教科书 物理教师教学用书(9年级上册)[M].南京：江苏科学技术出版社，2016.

名师简介：张正太，男，江苏省中学物理特级教师，泰州市高港区初中物理名师工作室领衔人，高港实验学校副校长，主要研究初中物理教学。

《义务教育物理课程标准》对“比热容”的相关要求是:通过实验,了解比热容,尝试用比热容说明简单的自然现象。比热容是物质的一种特性,与生活密切相关。一是要让学生通过实验,在观察物理现象和分析处理实验数据的过程中发现这一特性,从实验中归纳总结规律,提高学生观察分析和归纳问题的能力。二是强调物理知识的应用及其与生活、社会的联系，培养学生分析、解决实际问题的能力。