例谈比较法在初中物理热学实验复习中的应用

邱 红

(江苏省苏州市工业园区金鸡湖学校,江苏 苏州 215000)

比较法是一种找出事物之间的共同点和不同点的常用的思维方法。初中物理中许多概念或规律具有相似性,可以利用比较法来加以区分,特别是在物理实验复习中的运用更为突出,有助于学生澄清容易混淆的物理概念,建构合理的知识体系,使知识融会贯通;能够加深对学生物理规律的理解,开拓思维达到由此及彼、事半功倍的功效。[1]

比热容、热值是初中热学中的两个重点概念,也是初中物理教学中的难点。教材安排了“探究不同物质吸热升温的快慢”“比较质量相同的不同燃料燃烧放出热量”两个探究实验,在实验探究的基础上建立、理解比热容和热值的概念。较多的学生对这两个实验理解不透彻,对实验设计思路、方法等感到困惑,遇到具体的问题不会分析。笔者在实际教学中,从实验装置和器材、实验方法、实验方案、实验图像四个方面加以区分和统整,引导学生在比较中逐一突破难点,深刻理解实验本质,对这两个实验了如指掌。

1 比较实验装置和器材

这两个探究实验的装置、器材有较多相同之处,学生容易混淆,但放在一起对比,学生基本上就都能分清了。复习时,教师给出如图1所示的甲、乙、丙三张实验装置图,要求学生比较后中找出“探究不同物质吸热升温的快慢”实验,应选择甲、丙两图进行;“比较质量相同不同燃料燃烧放出热量”实验, 应选择甲、乙两图进行;并让学生说明选择的依据。通过表1进行实验器材的比较,学生一目了然。

图1

表1 实验器材比较

2 比较实验方法

这两个实验都用到了转换法和控制变量法。对于实验中的转换思想,多数学生还是不能很好理解。比如在“探究不同物质吸热升温的快慢” 实验中,为什么不能通过升高温度多少来比较吸热多少,而只能通过加热时间来比较吸热多少；[2]在“比较质量相同的不同燃料燃烧放出热量”的实验中是通过物体升高温度多少来比较。在复习时,此处若不引导学生把转换过程分析透彻,挖掘剖析物理原理,即使做再多的练习,学生对此还是处于一知半解、认知混乱、机械记忆的状态。复习时应当引导学生思考：(1)实验中物质吸收的热量来自哪里？(2)怎样保证物质吸收的热量相等？需要控制哪些变量?(3)燃料放出热量的多少怎么体现？在梳理这些问题时,配以图2的比较分析,学生就能理解：在“探究不同物质吸热升温的快慢”实验中,热源相同即燃料热值相同,加热方法完全相同,加热时间相同即燃烧掉的燃料质量相同,根据Q放=q燃料m燃料,不考虑热量散失，则Q放=Q吸,当热源、加热方法完全相同,就可以认为单位时间内物质吸收的热量相同。在“比较质量相同不同燃料燃烧放出热量”的实验中也是不考虑热量散失，则Q放=Q吸,根据Q吸=c液m液Δt,当烧杯中液体种类、质量都相同时,液体温度升高越多,烧杯中液体吸收的热量越多,即燃料放出的热量越多。只有超越知识表层的比较,学生才能进入深度思考,对于转换思想才会有更深入理解。[3]在这样的对比分析过程中,学生能正确理解：在“探究不同物质吸热升温的快慢”实验中若热源不同或加热方式不同,就不可以通过比较加热时间的方法比较水和食用油吸收的热量，并对实验中需要控制的变量有更清楚的了解。

图2

3 比较实验方案

实验方案包括了实验原理、设计、过程等，解读实验方案是对实验的再认识和再加工。“探究不同物质吸热升温的快慢”的实验方案有两种：(1)质量相同的沙子(食用油)和水吸收相同的热量后升高的温度不同，此方案容易操作,也符合学生的认知,但不易引出比热容概念。(2)质量相同的沙子(食用油)和水升高相同的温度吸收的热量不同，不易操作,但易得出比热容概念。在新授课中教师往往从第一种方案切换到第二种方案,这样让概念的建立过程显得迂回复杂,概念的建立抽象晦涩。对于两个相似的实验方案学生难以分辨,对实验方案的理解也只是“囫囵吞枣”。复习时将实验方案的逻辑推理过程罗列出来进行对比分析(图3),或者教师示范方案(1),学生尝试给出方案(2)。通过比较分析,学生发现这两种方案本质是一致的,从某种程度上都反映了物质吸热本领的大小，通过比较让学生思路清晰,豁然开朗。

图3

在实验方案对比分析的基础上,教师可以鼓励学生尝试分析“比较质量相同、不同燃料燃烧放出热量”的实验方案：当燃料质量、烧杯中液体种类、质量相同时,通过比较烧杯中液体温度升高的多少得出燃料热值的大小(图4甲)。甚至还有学生根据习题总结得出来一种新实验方案：当燃料质量、烧杯中液体质量和升高温度相同时,通过比较烧杯中液体比热容的大小得出燃料热值的大小(图4乙)。这种分析实验方案的方法还可以迁移到其他实验方案分析中,如“探究通电导体产生的热量跟哪些因素有关”。

图4

4 比较实验图像

学习了比热容、热值后,经常需要学生根据图像来判断两种物质比热容的大小或是两种燃料热值的大小。由于这两种图像相似度很高,学生不易辨别,加上图像分析对学生逻辑思维抽象能力要求较高,部分学生遇到这些图像时无从下手,不会分析。在复习中,必须要帮学生突破这一瓶颈。笔者将两张极其相似的图像放在一起,启发学生思考和辨析。

(1)质量相等,初温相同的A、B两种不同液体,分别用完全相同的热源加热,在加热过程中温度随时间变化的图线如图5甲所示,请用两种方法判断A、B两种液体的比热容大小。

图5

(2)为了比较燃料的热值,实验中还应控制燃料燃烧的(选填“时间”或“质量”)相同。实验完成后,画出被加热液体的温度随时间变化的关系如图5乙所示，由此可知：燃料1燃烧2min放出的热量(选填“大于”“小于”或“等于”)燃料2燃烧3min放出的热量。忽略热量的散失,由图5乙可知,燃料1的热值为燃料2热值的倍。

总之,在物理实验复习课中通过比较,对实验重难点的突破具有非常重要的作用。通过实验比较不仅有助于学生进一步巩固概念,加深学生对实验的理解,引发学生知识结构的重组,还能提升学生迁移能力,大大提高实验复习的效率。[4]