给抽象的物理概念插上形象的“翅膀”——以“比热容”的教学为例

(江苏省泰州市海军中学，江苏 泰州 225300)

说起物理，许多学生都有怕的感觉，认为物理难学。难在何处？难在概念的抽象上。而物理学正是由一个个抽象的概念垒起的，与学生已经学过的密度、压强等概念相比，比热容的概念更为抽象，学生把握的难度也就更大。比热容是初中物理中继密度后的又一个物质属性，它是学习热量计算、热值、热机效率等的基础。比热容又是一个容易导致学生产生两极分化的核心概念，也是一个被中考命题人青睐的考点，甚至成为中考试卷压轴题的内容之一。学会建构比热容概念的科学方法，对于学生学习其他核心概念具有指导意义，它体现了物理教师化解教学重难点的基本功。如何以更宽广的视野审视比热容教学的内涵，给抽象的概念插上形象的“翅膀”？这是物理教师的责任之所在，笔者对此作深入探讨。

1 教材中概念建构的思路及其教学处理

1.1 教材的概念建构思路

苏科版物理教材对比热容概念的建构思路如下。

(1) 交流讨论：怎样比较在海边游玩时在沙滩上和在海水中的不同感觉？

(2) 提出问题：同样都是在太阳光照射下，为什么沙子和海水的温度不一样？

(3) 猜想假设：可能是沙子吸热升温比海水快。

(4) 实验论证：用酒精灯分别对沙子和水加热，比较它们温度上升的快慢。

(5) 得出结论：对于同种物质，Q/(m·Δt)是相等的；对于不同种物质，Q/(m·Δt)一般不相等。

(6) 建立概念：将物体温度升高时吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比定义为比热容，即c=Q/(m·Δt)。

(7) 知识应用：物体吸收热量Q吸=cm(t-t0)，物体放出热量Q放=cm(t0-t)。

1.2 教材运用中存在的问题及对策

通常情况下教师会按教材的思路组织教学，笔者尝试后发现有两个问题值得商榷。

(1) 问题情境的设置缺乏明确的探究方向。教材设置了“赤脚走在海边的沙滩上觉得沙子很烫，当他们跳进海水中时，却觉得海水较凉”的问题情境，目的是让学生能够提出需要探究的问题：物体吸收热量与其质量和温度变化的关系。但面对这样的问题情境，学生会偏离预设的“轨道”，可能会提出很多方案：比较它们在太阳光照射下的表面积，关注它们的状态不同，观察它们能否导热等等。面对这样的课堂实际，教师就要把学生拉回“正轨”，会把“探究的问题”生硬地强加给学生。

(2) 学生难以真正理解比热容的内涵，因为他们只知道比热容是物体吸收的热量与其质量和升高温度的乘积之比。如果问学生：为什么把物体吸收的热量与其质量和升高温度的乘积之比定义为比热容？他们可能会回答：因为同种物质的这个“之比”是相同的，不同种物质的这个“之比”是不同的。显然，“之比一定”是建立比热容概念的原因，这里出现了“因果颠倒”的错误。如果你继续追问：比热容反映的是物质怎样的一种物理属性？学生很有可能无法回答。

1.3 解决的方案探索

教材的编写思路回避了“物质吸热能力”这个关键，从而未能解决比热容教学的两个基本问题：(1) 为什么要把物体吸收的热量与其质量和升高温度的乘积相比？(2) 为什么要用物体吸收的热量与其质量和升高温度乘积的比值来定义比热容？笔者认为：为解决上述问题，要基于教材进行创新设计，将教材中的问题情景引向形成比热容概念的源头——比较不同物质的吸热能力上来。针对其概念的抽象性较强，还须借助科学思维方法，化难为易，变抽象为形象，使之成为比热容教学的“源头活水”。

2 概念建构过程探讨

2.1 从生活观察中引入概念

设计思路：对学生而言，刚接触物理概念时，通常需以直观的经验事实为基础。设计贴合学生实际的问题情境，让学生在用已有知识解决问题的过程中，发现新的问题，从而激发其探究的欲望。

上课伊始，以学生去海滨浴场游泳的亲身经历为话题进行交流讨论(如图1)，为什么在同样的艳阳高照下，赤脚走在沙滩上感觉脚下的沙子很烫，跳进海水中时却有冰火两重天的感觉，海水是凉凉的？

图1

沙子烫，说明沙子的温度较高；海水凉爽，说明海水的温度很低。通过温度高低的原因分析，引发学生认知冲突。

生1：是否可以从它们吸收太阳热的能力上进行思考？可能是沙子吸收太阳热的能力大，使沙子的温度上升得快，温度就变得很高，给人以烫的感觉。而海水吸收太阳热的能力小，使海水的温度上升得慢，温度还很低，给人以凉的感觉。

生2：我的观点恰好相反，谁的吸热能力大，表示其容纳热量的本领大。吸收相同的热量，温度上升得慢的海水，其容纳热量的本领才大，这就是“有容乃大”的道理。

为了解决学生认知上的冲突，教师设计第一个演示实验，将抽象概念形象化。

这好比如图2所示的两个容器，一个是量筒，一个是烧杯，显然量筒的横截面积小。然后设问：倒入相同体积的水，谁的水面升得高？显然是横截面积小的量筒的水面上升得高。再将其类比为沙子的吸热能力，让学生明白了吸收相同的热量，温度升得快的物质吸热能力小。要比较沙子和水的吸热能力，就得比较它们温度升高的快慢。

图2

2.2 在实验探究中生成概念

图3

设计思路：让学生仔细观察教材插图中的实验装置(如图3)。提问：(1) 要确保实验的条件相同，须考虑哪些因素？(2) 如何确保水和沙子能均匀受热？(3) 怎样比较水和沙子的吸热能力？有哪些方法？(4) 本实验要收集哪些数据？如何处理实验数据？(5) 从中可以得出什么结论？前3个问题重在培养学生的观察能力，后2个问题为探究实验指明方向，为生成“比热容”概念铺路。

生3：要比较水和沙子的吸热能力，必须保证它们的质量和初温都相同，还要保证外界的条件相同，即加热用的烧杯和酒精灯要相同。有两种方法可比较它们吸热能力的大小：(1) 加热相同的时间，比较水和沙子温度升高的快慢，温度升得慢的吸热能力大；(2) 升高相同的温度，比较水和沙子加热时间的长短，加热时间长的吸热能力大。

生4：实验装置中的石棉网，能将酒精灯火焰的热量均匀传递给烧杯；烧杯中的搅拌棒不停地搅拌烧杯内的水或沙子，能使烧杯底部所受的热量均匀传递给杯内的水或沙子。用秒表测量加热的时间，用烧杯中的温度计分别测量水和沙子的温度，将测量的结果记录在已经设计好的表1中，利用表1中的实验数据描绘图像(如图4)。分析表1中数据可知：10分钟内沙子的温度升高到64.7℃，而水的温度只升高到33.6℃，吸热时水相比沙子升温慢，说明水的吸热能力比沙子大。分析图4，温度同样升高到30℃时，沙子的加热时间为1.6分钟，水的加热时间为7.0分钟，水吸收的热量比沙子多，也说明水的吸热能力比沙子的大。

表1

图4

生5：沙子和水吸热升温的图像都是过原点的直线，即沙子或水吸热升高的温度与其加热的时间成正比。如果将加热的时间转化为吸收的热量，就可以得出结论：沙子或水升高的温度与其所吸收的热量成正比。从图4中还发现：(1) 质量相同的沙子或水吸收的热量与其升高温度的比值是一个定值；(2) 沙子和水的这个定值是不同的。上述发现是在质量相同的前提下得出的，如果要考虑质量的不同，那该如何思考？

生6：既然水或沙子吸收的热量与其升高温度的比值是一个定值。说明这个定值应该与吸收的热量、升高的温度都无关，只与它们的比值有关。我猜想这个比值也可能与质量也无关，因为升高相同的温度，沙子或水吸收的热量与其质量也是成正比的。仿照密度的研究方法，当时求质量与体积的比值的原因，就是利用除法将物体的体积变成一样。同样的道理，也可以用除法将物体的质量变成一样，只要在物体吸收的热量与其升高温度比值的分母中加入质量即可，变成“物体吸收的热量与其质量和升高温度乘积的比值”就行。如果热量用Q表示，质量用m表示，升高温度用Δt表示，那么这个比值就是Q/(m·Δt)，我认为可以用一个新物理量来表征物质的吸热能力。

师：这个新物理量就是本节课要学习的“比热容”，用符号c表示。物理学中，将物体温度升高时吸收的热量与其质量和升高温度乘积的比值定义为比热容，公式为c=Q/(m·Δt)。请同学们回顾一下，以前学过的哪些物理量是用这样的方法来定义的？

生：速度v=s/t、密度ρ=m/V、压强p=F/S、功率P=W/t等都是用比值法来定义的，不同的是：比热容是用三个物理量来定义的，所以对比热容概念的理解会更难些。

2.3 在应用练习中巩固概念

设计思路：通过对表2的观察与分析，解决比值的本质问题，领悟比热容的内涵和外延。利用表3设问，解决公式的应用问题，学到的是解题的规范和方法。以秧田放水和灌水为例，解决的是学以致用问题，指向概念的应用和巩固。

表2 几种物质的比热容

师：请同学们仔细观察表2中的数据，会发现哪些规律？

生：(1) 水的比热容最大，为4.2×103J/(kg·℃)；(2) 在一般情况下固体的比热容比液体的小，金属的比热容更小；(3) 水和冰是同种物质，但状态不同，水的比热容是冰的2倍，说明物质的比热容与其状态有关；(4) 因为各种物质都有自己的比热容，所以，比热容是物质的一种特性，可以用比热容鉴别物质。从比热容表去看比值Q/(m·Δt)，这个比值是由物质决定的。只要物质的状态没有变，这个比值保持不变。例如水，无论是吸热还是放热，温度是升高还是降低，这个比值的大小保持不变。即物质比热容的大小由比值Q/(m·Δt)来确定，但是与Q、m、Δt都无关，决定其大小的是物质本身及其所处的状态。

师：现在有甲、乙两种物质，它们的相关条件如表3所示，加热器每分钟放出热量2100J，全部被这两种物质吸收，你能鉴别出这两种物质吗？

生：由表3中数据可知Q吸甲=10×2100J=21000J，Δt甲=25℃-20℃=5℃，m甲=1kg，c甲=Q吸甲/(m甲Δt甲)=21000J/(1kg×5℃)=4200J/(kg·℃)。同理可得c乙=Q吸乙/(m乙Δt乙)=840J/(kg·℃)，可知：甲是水，乙是干泥土。

表3

师：由此我们还能解释“有的地方在初春季节培育秧苗期间，白天要给秧田放水，晚上要给秧田灌水”，因为这些地方的初春季节气温较低，秧田的主要物质是泥土，其比热容只有水的五分之一，白天给秧田放水，泥土吸收太阳热后温度升得快，有利于秧苗的发育生长。晚上的气温较低，秧田要向外放热，灌了水后，由于水的比热容很大，放热时温度的降低幅度比较小，可以防止秧苗被冻坏。

3 结语

抽象概念形象化教学的基本思路是：通过创设问题情境来引入概念，通过设计实验来建立概念，通过探究过程来生成概念，通过应用练习来巩固概念。让学生在一系列鲜活的情景体验中，使比热容这一比较抽象的概念得到深化和具体化，使课堂教学真正成为学生体验探究过程的“源头活水”，由惧怕物理变成喜欢物理。