(江蘇省南京市寧海中學(xué)分校，江蘇 南京 210036)

1 教學(xué)背景分析

蘇科版九年級(jí)物理教材第十二章的第三節(jié)的內(nèi)容是“比熱容”，“比熱容”是熱學(xué)部分一個(gè)很重要的物理量，對(duì)內(nèi)能相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)十分重要.在新課學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生很難理解比熱容概念，比熱容到底是表示物質(zhì)什么性質(zhì)的物理量、比熱容與什么因素有關(guān)等，這些問(wèn)題讓學(xué)生感到困惑.2013年出版的蘇科版九年級(jí)教材對(duì)比熱容的定義做了改進(jìn)，還原了比值法的定義方式，某種物體溫度升高吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比叫這種物質(zhì)的比熱容.初中階段，由比值法定義的物理量都是由另外兩個(gè)物理量之比來(lái)定義的(如密度定義為質(zhì)量與體積之比)，而比熱容是物質(zhì)吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比，涉及三個(gè)物理量，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)這個(gè)定義有一定的難度.因此.利用好“探究沙子和水升溫問(wèn)題”的學(xué)生活動(dòng)，對(duì)建立比熱容概念十分重要.筆者及同備課組其他老師都發(fā)現(xiàn)，這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)存在四個(gè)難以回避的問(wèn)題：

(1)實(shí)驗(yàn)器材多，裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)裝置要求把鐵圈、石棉網(wǎng)、復(fù)夾、溫度計(jì)裝在鐵架臺(tái)適當(dāng)?shù)奈恢?，并分別用兩個(gè)同樣的酒精燈的外焰給石棉網(wǎng)上的燒杯里同質(zhì)量的水和沙子加熱，實(shí)驗(yàn)難度大.

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，課堂實(shí)驗(yàn)效率低、時(shí)間長(zhǎng)，酒精燈加熱效率低，容易受到周圍環(huán)境因素影響，散熱明顯，加熱時(shí)間不容易控制.此外，讓兩個(gè)酒精燈在相同的時(shí)間內(nèi)放出的熱量相等操作難度大，沙子和水在加熱的過(guò)程中向周圍空間散發(fā)的熱量也不同，該實(shí)驗(yàn)的條件──同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸收相同的熱量就無(wú)法得到保證，造成實(shí)驗(yàn)的可信度、實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性大打折扣.

(3)實(shí)驗(yàn)精確度不高，讀數(shù)困難大、誤差大.本次實(shí)驗(yàn)利用液體溫度計(jì)，讀數(shù)時(shí)要求待溫度計(jì)的示數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行.而實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度計(jì)示數(shù)是動(dòng)態(tài)值，讀數(shù)誤差大.

(4)實(shí)驗(yàn)操作要求高，學(xué)生不易做到.除了器材裝配問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)程序繁瑣，學(xué)生首先要熟悉實(shí)驗(yàn)步驟，知道每步操作的目的，此外，沙子是熱的不良導(dǎo)體，加熱過(guò)程中要不斷用玻璃棒攪拌，容易和玻璃溫度計(jì)發(fā)生碰撞，造成溫度計(jì)的損壞，乃至誤傷到學(xué)生，對(duì)課堂教學(xué)產(chǎn)生影響.

鑒于以上問(wèn)題，筆者嘗試對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，整個(gè)探究過(guò)程如下.

2 探究活動(dòng)——探究水和沙子吸熱升溫的現(xiàn)象

(1)實(shí)驗(yàn)器材有：600瓦電磁爐、水、沙子、易拉罐、鐵架臺(tái)、天平、電子溫度計(jì)、秒表等.

圖1

解釋：①用傳統(tǒng)的酒精燈加熱不容易控制相同時(shí)間放熱相等，受到環(huán)境干擾比較大.②玻璃制溫度計(jì)易被攪拌棒碰碎，且在升溫過(guò)程中讀數(shù)誤差大.因此實(shí)驗(yàn)改用電磁爐和電子溫度計(jì)，容器改為鐵質(zhì)易拉罐(如圖1).

教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，安排4～6人一組共同完成實(shí)驗(yàn)，做好工作分工.

學(xué)生1：負(fù)責(zé)利用天平稱取100g水和100g沙子，放到相同的鐵質(zhì)易拉罐中.

學(xué)生2：負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)電磁爐，并觀察秒表，每隔1min提醒記錄員記錄沙子和水的溫度，實(shí)驗(yàn)4～5min.

學(xué)生3：一手按住裝水的容器不讓它移動(dòng)，手持溫度計(jì)插入水中，注意不碰到容器底和壁，注意觀察示數(shù)，每隔1min報(bào)一次溫度數(shù)據(jù).

學(xué)生4：一手按住裝沙子的容器不讓它移動(dòng)，手持溫度計(jì)插入水中，做到溫度計(jì)不碰到容器底和壁，注意觀察示數(shù)，每隔1min報(bào)一次溫度數(shù)據(jù).

學(xué)生5：負(fù)責(zé)攪拌沙子，注意按住裝沙子的容器不讓它移動(dòng).

學(xué)生6：記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)后和團(tuán)隊(duì)分享并分析數(shù)據(jù)，做好匯報(bào)交流的準(zhǔn)備.

(2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集證據(jù).

按照教師指導(dǎo)要求做好分工，按步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)完畢后，將數(shù)據(jù)填入下表，描繪溫度T隨加熱時(shí)間t的圖像，從中尋找規(guī)律.

①設(shè)計(jì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格(如表1)，實(shí)驗(yàn)中取水和沙子的質(zhì)量均為100g.

表1

②描繪圖像.

處理數(shù)據(jù)時(shí)可以讓學(xué)生借助excel表格處理，輸入數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成曲線圖，以一組學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，將記錄的數(shù)據(jù)用excel處理，自動(dòng)生成圖像(如圖2).

圖2

(3)分析與結(jié)論

通過(guò)數(shù)據(jù)可得到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：質(zhì)量相等的沙子和水在加熱時(shí)間相同時(shí)，沙子升高溫度比水升高溫度多.由此得出結(jié)論：質(zhì)量相等的不同物質(zhì)在吸熱相同時(shí)，升高溫度不同.在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生得出：質(zhì)量相等的沙子和水升高相同溫度時(shí)，水吸收熱量多.然而，為何質(zhì)量相等的不同物質(zhì)，在升高相同的溫度時(shí)，吸收的熱量會(huì)不同？原因是什么？學(xué)生不難得出原因是物質(zhì)種類不同.由此可見(jiàn)，這種現(xiàn)象也反映了物質(zhì)的一種屬性——比熱容.

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析結(jié)論，可以總結(jié)出一種特性.但是到底什么叫做比熱容，需要進(jìn)一步研究.今天我們研究的是不同物質(zhì)吸收相同熱量時(shí)溫度升高快慢的問(wèn)題，因此應(yīng)該建立升高溫度ΔT—加熱時(shí)間t的圖像，而初中階段的學(xué)生在剛剛認(rèn)識(shí)圖像，利用圖像尋找規(guī)律的初期，一下子想到畫(huà)出ΔT—t圖像是有難度的，因此通過(guò)下述引導(dǎo)進(jìn)行自然過(guò)渡，收效甚佳.

利用excel軟件自動(dòng)處理處ΔT數(shù)據(jù)和圖像，如表2和圖3所示，借助excel給兩條軌跡加上趨勢(shì)線(如圖4).

表2

圖3

圖4

不難看出，在誤差允許范圍內(nèi)，兩條加熱軌跡可以看作為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線.此時(shí)聯(lián)系類似這樣的圖像(如質(zhì)量——體積關(guān)系的圖像)，反映橫縱坐標(biāo)成正比例關(guān)系，也就是比值是定值.由圖像可見(jiàn)，同種物質(zhì)吸收熱量Q和升高的溫度Δt的比值是個(gè)定值，不同物質(zhì)吸收熱量Q和升高的溫度Δt的比值不同，這就表現(xiàn)了不同物質(zhì)的一種性質(zhì)，但是這個(gè)比值能不能反映比熱容這個(gè)物理量呢？剛才的實(shí)驗(yàn)建立在什么物理量相同的情況下？(質(zhì)量相同).如果質(zhì)量不同，如何比較吸收熱量Q和升高的溫度Δt的關(guān)系？(取質(zhì)量相同).取單位質(zhì)量的不同物質(zhì)研究，也即是研究吸收熱量Q和升高的溫度Δt與質(zhì)量乘積的比值，這個(gè)比值反映了物質(zhì)的又一種屬性——比熱容.

3 教學(xué)反思

(1)改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)及其意義

增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的精確性.解決了發(fā)熱和散熱問(wèn)題，相同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸收相同的熱量，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件才得以保證；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以很方便地通過(guò)電磁爐來(lái)控制加熱時(shí)間，確保了兩個(gè)容器吸收熱量相同.電子溫度計(jì)能準(zhǔn)確顯示記錄時(shí)的數(shù)據(jù)，雖然溫度計(jì)示數(shù)是變化的，但是每時(shí)每刻的示數(shù)是準(zhǔn)確顯現(xiàn)的，使實(shí)驗(yàn)操作更加規(guī)范，而實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)只能在示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)并記錄.通過(guò)該實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度.此外，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)減少了器材，簡(jiǎn)化了裝置，降低了操作難度.

(2)比熱容概念的建立

比熱容概念的建立是個(gè)難點(diǎn)，多數(shù)教師常常利用數(shù)學(xué)手段對(duì)比熱容的定義進(jìn)行講解.將公式Q=cmΔt變形為c=Q/(mΔt),從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看，物理量c是將熱量Q除以mΔt，如果質(zhì)量m變?yōu)?(即單位質(zhì)量)，溫度差Δt變?yōu)?，則比熱容的概念：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的某中物質(zhì)溫度升高(或降低)1℃所吸收(放出)的熱量叫這種物質(zhì)的比熱容.這種方法并不反映比值定義法的真正要旨，會(huì)給學(xué)生形成錯(cuò)誤的概念.

通過(guò)圖像分析得出相同質(zhì)量的同種物質(zhì)吸收熱量和升高溫度的比值相同，相同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸收熱量和升高溫度的比值不同，逐漸過(guò)渡到同種物質(zhì)吸收熱量和升高溫度與質(zhì)量乘積的比值相同、不同物質(zhì)吸收熱量和升高溫度與質(zhì)量乘積的比值一般不同，得出吸收熱量和升高溫度與質(zhì)量乘積的比值反映了物質(zhì)的比熱容這一屬性.既符合比值定義的要求，也符合教材從圖像入手的目的，真正讓學(xué)生領(lǐng)悟了比熱容這一抽象概念.