比热容概念的建立及实验的创新教学设计

高丽娜

(东沙湖实验中学,江苏 苏州 215127)

文章基于培养学生核心素养的要求,从实验分析、改进实验探究方案,引导学生动手并仔细观察实验现象,定量分析和处理实验数据的环节去让学生深刻认识、理解比热容概念,进而突破教学难点.以下是笔者的教学环节.

1 教学目标

理解比热容的概念、单位等,知道比热容是物质的一种物理属性;理解比热容概念的建构过程,并且知道比热容和哪些物理量有关,并在实验探究环节中掌握转换法、控制变量法等研究方法,体会合作探究的科学精神;利用比热容知识去解释生活中常见的现象.

2 教学重难点

比热容概念的建构过程;引导学生数据的分析,知道比热容与哪些物理量有关,进而得出比热容的公式.

3 实验器材

铁架台、烧杯、石棉网、玻璃棒、秒表、酒精灯、电子温度计、水、煤油、温度传感器、电加热器、天平、蜡烛、气球等.

4 教学过程

课堂引入:视频连线远在海南度假的友人,帮助她解决在海南海边遇到的疑惑.

海南友人视频中提问:白天中午,同是一个太阳照射,沙子和水都要吸收热量,由于照射的时间是相同的,那么它们吸收的热量就是相同的,吸收热量后它们的温度都要升高.但是最后发现沙子的温度比海水的温度要高,你觉着是什么原因呢?

引出问题:为什么海水和沙子在同一时刻的温度不一样呢?(同时提示,物体吸收热量温度才会上升)

引导学生猜想与假设:可能是吸收相同的热量沙子吸热升温比水快.

教师:也就是说不同物质吸收相同的热量升温快慢是不相同的,那我们就以水和煤油为例,来探究下不同物质的吸热升温情况.

教师引导实验方案设计:

教师:想要验证猜想是否正确,就要设计一个实验方案来研究.首先要考虑两个问题:

(1)如何让水和煤油升温呢?

(2)如何比较水和煤油吸热升温的快慢?

学生小组活动讨论两个问题并分享:用两个相同的酒精灯分别对水和煤油加热,此时控制加热方式是相同的.比较水和煤油升温的快慢有两种方法:一种是相同时间比较水和煤油升高的温度;另一种是升高相同的温度比较加热时间,两种方法是等效的.本实验中采用的是加热相同时间,比较升高的温度.由于热源相同,加热时间相同,就代表相同时间内吸收的热量是相同的.所以加热时间的长短就代表吸收热量的多少,此处应用了转换法的思想.

另外提醒学生思考:除了控制加热方式和加热时间相同外,还需要控制什么相同?此时教师进行引导:家里水壶烧水的过程中,在热源相同时,一壶水和半壶水哪个更容易烧开?

学生思考并讨论得出:半壶水容易烧开,由于半壶水的质量少,所以得出物质质量的多少也会影响吸收的热量,还应该控制质量相同.

最终得出:本实验中需要控制热源相同,加热时间相同,水和煤油的质量相同,应用了控制变量法的思想.

实验器材的改进:

(1)本实验用煤油来替代沙子,煤油受热更容易均匀;

(2)用电子温度计来替代实验室温度计,读数更加准确.

称量质量相等的水和煤油如图1,利用改进后的实验装置进行实验如图2:

图1 实验示意图 图2 实验示意图

学生进行实验得到的图像并进行数据分析如图3.

图3 实验图像

分析得到:

(1)质量相等的水和煤油吸收相同的热量,水升高的温度少,也就是水升温慢;

(2)质量相等的水和煤油升高相同的温度,水需要加热的时间长,也就是说水的吸热能力强.

由于学生实验实验数据比较局限,只能记录下几个时刻的温度,老师采用了两个温度传感器,它可以连续地反映出各个时刻水和煤油的温度随时间的变化情况,并描绘成图像,实验装置如图4.

图4 实验示意图

具体演示实验操作过程:将称量好的质量相等的水和煤油各200 g.把它放在电加热板上进行加热,并且把电热板调到相同的档位(2档位),使用电加热板更易于控制热源相同,确保水和煤油相同时间内吸收的热量相同.然后开始实验观察电脑上的参数,蓝色的温度代表的是水的温度,红色的温度代表的是煤油的温度,加热的时间是4分钟,得到的实验数据如图5.

图5 实验图像

由图像5可知水和煤油在刚开始的时候温度几乎保持不变,由于烧杯还有石棉网是要先进行吸收热量,所以前一段时间并不是水和煤油吸热升温情况,把这一段时间截掉后,就变成了如图6所示图像.横坐标是加热时间,根据转换法加热时间的长短就代表着吸收热量的多少,可以用吸收热量Q来表示.纵坐标是温度t,如果把纵坐标变成温度的变化量,就是把纵坐标都减去初温,初温大概是28摄氏度左右.每一点温度都减去初温,那整条线就会向下平移.就得到如图7所示图像.在图像7的基础上来研究水和煤油的吸热升温情况就更直观.

图6 实验图像

图7 实验图像

让学生连线海南友人尝试解释:白天,沙子的温度比海水温度高?而夜晚,海水的温度却比沙子高?

学生解释:白天,质量相等的海水和沙子吸收相同的热量,水的比热容大,升温慢,最终的温度低;夜晚,质量相等的海水和沙子放出相同的热量,水的比热容大,降温慢,所以温度高一些.本教学环节设计激发学生解决问题的能力,让学生意识到学习物理知识是非常重要的,可以解决生活中的许多问题,提高学生对学习物理科学知识的认可度.

最后,让学生自发提出生活中有关比热容的现象并解释,例如:早穿皮袄晚穿纱,围着火炉吃西瓜的现象、海陆风的成因、发动机冷却水系统和暖气管热水系统等.

教学后记:本节课遵循了学生为主体、教师为主导的教学思想,让学生从发现问题、猜想与假设、设计并进行实验、分析与讨论结果等科学探究环节去得出比热容的概念,注重学生的动手和动脑能力的培养,并且在实验探究过程中多次让学生合作探究讨论,也培养了学生相互合作、互帮互助的科学精神,本节课充分培养了学生的科学素养[2].