黃孝松

【摘 要】 “比熱容”是初中熱學(xué)中最重要的概念，也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何做好“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成概念是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】 比熱容；吸熱能力實(shí)驗(yàn)；探究與改進(jìn)

【中圖分類號(hào)】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）15-0-02

比熱容這節(jié)內(nèi)容的探究實(shí)驗(yàn)──“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”，一直讓我們一線工作的物理教師覺(jué)得為難，一難是實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜；二難是實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，且難于控制；三難是讀數(shù)困難，實(shí)驗(yàn)誤差大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果牽強(qiáng)附會(huì)。

隨著物理新課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，我將這個(gè)實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，降低了操作難度，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也使得讀數(shù)更加方便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠。更加有助于通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

一、原來(lái)實(shí)驗(yàn)的原理及其實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題

原版教材實(shí)驗(yàn)方法是采用兩個(gè)酒精燈分別對(duì)同質(zhì)量的水和植物油加熱相同的時(shí)間，使這兩種物質(zhì)吸收的熱量相等，根據(jù)水和植物油升高的溫度來(lái)說(shuō)明不同物質(zhì)的吸熱能力是不同的。這就給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了四個(gè)難題。

一是實(shí)驗(yàn)器材多，裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度大。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)量的水和植物油加熱，老師完成這個(gè)裝配都需要五分鐘左右的時(shí)間，所以這個(gè)重要的研究實(shí)驗(yàn)通常都作為演示實(shí)驗(yàn)來(lái)開(kāi)設(shè)。任課教師一般都只能提前進(jìn)入教室把實(shí)驗(yàn)裝置裝配好，還得小心守著別讓好動(dòng)的學(xué)生在碰翻了。

二是實(shí)驗(yàn)時(shí)間比較長(zhǎng)，且難于控制。酒精燈的熱功率比較小且不穩(wěn)定，加熱時(shí)間不容易控制，這就造成了這節(jié)課的課堂教學(xué)時(shí)間的不確定，使任課老師不能很到地把握課堂的節(jié)奏。

三是讀數(shù)困難。大家知道實(shí)驗(yàn)室用的普通溫度計(jì)是利用玻璃泡內(nèi)的液體熱脹冷縮的原理來(lái)工作的，從被測(cè)物體的溫度變化到玻璃泡內(nèi)液體的體積變化需要一定的時(shí)間，所以在介紹溫度計(jì)的使用方法時(shí)，要求待溫度計(jì)的示數(shù)穩(wěn)定后在讀數(shù)記錄。在進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)論是在加熱的過(guò)程中讀數(shù)還是把酒精燈移開(kāi)后讀數(shù)，測(cè)量對(duì)象的溫度都是動(dòng)態(tài)值，前一種方法是吸熱溫度升高，后一種是溫度降低。讀數(shù)時(shí)難于做到時(shí)間的一致，也影響了數(shù)據(jù)的可靠性。也因?yàn)樽x數(shù)困難這個(gè)原因，原來(lái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只讀取一組數(shù)據(jù)，這種采集數(shù)據(jù)的方法，對(duì)探究物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有做到避免實(shí)驗(yàn)的偶然性。

四是實(shí)驗(yàn)可信度不高，科學(xué)性不強(qiáng)。除了讀數(shù)的原因，主要問(wèn)題是讓兩個(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，植物油和水在加熱的過(guò)程中向周圍空間散發(fā)的熱量也不同，所以，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，造成了實(shí)驗(yàn)的可信度、實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性打了折扣。

在以往的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生曾經(jīng)提出：在相同的時(shí)間內(nèi)這兩個(gè)酒精燈放出的熱量真的是一樣的嗎？看了比熱容的表，學(xué)生又會(huì)問(wèn)：煤油的比熱容是水的一半，吸收相同的熱量煤油升高的溫度為什么不是水的兩倍呢？對(duì)于這些問(wèn)題，我們只能用實(shí)驗(yàn)誤差、誤差在允許的范圍內(nèi)……等答案來(lái)回答學(xué)生?？赡芤彩沁@個(gè)原因，現(xiàn)行教材把比熱容正好是水的一半的煤油換成了沒(méi)在比熱容表上的植物油。原版教材比熱容的概念是安排電學(xué)前進(jìn)行的，從學(xué)生的認(rèn)知程度來(lái)考慮，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)就只能用酒精燈作為熱源加熱。

二、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的客觀條件及解決問(wèn)題的具體方法

原來(lái)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題中，最主要的實(shí)驗(yàn)可信度不高、科學(xué)性不強(qiáng)。造成這個(gè)結(jié)果的原因有兩個(gè)，一是兩個(gè)酒精燈熱功率不相同，二是研究對(duì)象與周圍空間的熱交換。新課程標(biāo)準(zhǔn)把比熱容的概念安排到了九年級(jí)的物理教材，為作者用電熱作為熱源解決這個(gè)問(wèn)題提供了創(chuàng)造了客觀條件。學(xué)生在八年級(jí)下期學(xué)習(xí)了電與熱，知道了焦耳定律──電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電導(dǎo)體成正比，在這個(gè)認(rèn)知基礎(chǔ)上學(xué)生能夠理解到兩個(gè)阻值相同的電阻絲串聯(lián)在電路中，在任何時(shí)間內(nèi)這兩個(gè)電阻產(chǎn)出的熱量都相等。

我用兩根串聯(lián)起來(lái)的阻值相等的電熱絲代替火焰強(qiáng)度相同的酒精燈作熱源，解決熱源熱功率的問(wèn)題。因?yàn)榇?lián)電路中電流強(qiáng)度相等，兩個(gè)電阻絲的阻值相等，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，這兩個(gè)串聯(lián)的電阻絲在任何時(shí)間產(chǎn)生的熱量一定相等。

仿照量熱器的原理，我在大燒杯的底部放隔熱的膠木墊，裝有煤油或水的小燒杯放在膠木墊上，用插著溫度計(jì)、連接有電阻絲的膠木蓋，蓋住大燒杯口。因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體，裝著水和煤油的小燒杯與大燒杯之間隔著相對(duì)封閉的空氣，封閉的空氣不能對(duì)流，所以就能比較有效地避免電熱絲產(chǎn)生的熱量向大燒杯周圍空間傳遞。解決了熱源和散熱兩個(gè)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中遇到的其他問(wèn)題也都迎刃而解了。

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

首先是增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可信度和科學(xué)性。

解決的發(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)開(kāi)關(guān)來(lái)控制加熱時(shí)間，可以在停止加熱后，注意觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化，等待示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)并記錄，使實(shí)驗(yàn)操作更加規(guī)范；還可以多測(cè)幾組數(shù)據(jù)找規(guī)律，避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，煤油上升的溫度正好是水上升溫度的兩倍。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)更有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

其次是減少了實(shí)驗(yàn)器材，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，降低了操作難度。完成原來(lái)的實(shí)驗(yàn)加熱過(guò)程需要的器材有：鐵架臺(tái)2個(gè)，酒精燈2個(gè)、鐵圈2個(gè)、石棉網(wǎng)2個(gè)、燒杯2個(gè)，厚紙片2張（蓋在燒杯口避免散發(fā)散熱），溫度計(jì)2支、復(fù)夾2個(gè)（掛溫度計(jì)）、火柴1盒?，F(xiàn)在只要安裝有電阻絲插有溫度計(jì)的膠木蓋2個(gè)、大燒杯2個(gè)、小燒杯2個(gè)，穩(wěn)壓電源一個(gè)就可以了，并且避免了把鐵圈、石棉網(wǎng)、復(fù)夾、溫度計(jì)裝在鐵架臺(tái)適當(dāng)?shù)奈恢?，這個(gè)繁瑣的過(guò)程。為把這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件，能讓學(xué)生更多地享受探究的過(guò)程和成功帶來(lái)的樂(lè)趣。

再者因?yàn)殡姛峤z發(fā)熱功率穩(wěn)定，任課老師可以更好地控制上課的節(jié)奏。在介紹實(shí)驗(yàn)原理的時(shí)候也可以幫助同學(xué)們回顧以前所學(xué)的知識(shí)，這對(duì)鞏固學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維也是很有幫助的。

四、改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置尚存的不足

首先，外面燒杯的燒杯口影響了兩燒杯間空氣密封程度。我做了多方努力，沒(méi)找到適當(dāng)?shù)拇萌菝?，曾?jīng)考慮過(guò)用量熱器做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。但量熱器不是透明的，直觀性有所降低，也不能確定溫度計(jì)的使用是否符合要求。

其次燒杯是透明的，會(huì)有輻射熱損失。但水和煤油的溫度不超過(guò)60℃，輻射散熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大。

最后是作為演示實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，溫度計(jì)里溫度的變化情況還是沒(méi)能使下面聽(tīng)課的同學(xué)看得很明白，建議有條件的學(xué)校把這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)作學(xué)生實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，結(jié)合焦耳定律，學(xué)生甚至能計(jì)算出水的比熱容，這是電熱結(jié)合的一個(gè)很好的例子。

五、2011人教版本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷

說(shuō)點(diǎn)這里，問(wèn)題似乎解決了?？墒切碌膯?wèn)題又出來(lái)了，2011人教版的物理教材，在課程設(shè)計(jì)上又做了修正。電學(xué)內(nèi)容安排到了九年級(jí)物理，熱學(xué)安排到了八年級(jí)物理中。那么電阻絲發(fā)熱功率相同的問(wèn)題又變成糾結(jié)難解的問(wèn)題了。而且課本上用的是兩個(gè)相同的管狀電加熱器，液體用的也是水和煤油，液體也比較小，不可能完全浸沒(méi)電加熱器，露出在水和煤油上面的電加熱器的體積不同，因此散熱損失也不相同，因此可利用的熱功率根本不同。再加上水的比熱容很大，加熱的時(shí)間很長(zhǎng)。學(xué)生容易分散注意力，不便于控制課堂教學(xué)?？紤]到前面的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，外面燒杯的燒杯口影響了兩燒杯間空氣密封程度，量熱器不是透明的，直觀性有所降低，也不能確定溫度計(jì)的使用是否符合要求，燒杯是透明的，會(huì)有輻射熱損失，但考慮到水和煤油的溫度不超過(guò)60℃，輻射散熱對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不大，只能退而求其次，仍然使用燒杯。同時(shí)考慮到學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)電學(xué)內(nèi)容，有同事建議使用兩個(gè)完全相同的新型硅膠加熱器，粘在燒杯底，加熱方便，只要告訴學(xué)生這兩個(gè)加熱器的熱功率完全相同就可以了。那么課本上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足，似乎得到了有效的控制。在教學(xué)的過(guò)程中，我們做了大量的實(shí)踐工作，可是效果還是很難令人滿意。

愿因有以下幾點(diǎn)：一：水的比熱容很大，加熱的時(shí)間很長(zhǎng)，學(xué)生容易分散注意力，不便于控制課堂教學(xué)。一個(gè)課時(shí)根本無(wú)法完成原來(lái)的課堂教學(xué)內(nèi)容，我們不得不拉長(zhǎng)為二個(gè)課時(shí)來(lái)完成教學(xué)任務(wù)。二：加熱不均勻，燒杯底部水溫高，上面溫度低。測(cè)定的溫度無(wú)法說(shuō)明根本性的問(wèn)題。三：溫度計(jì)太小，不便于后面的學(xué)生觀察。只有前面的幾位同學(xué)勉強(qiáng)可以看清。教學(xué)效果不好！

六、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

說(shuō)到這里，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)似乎走進(jìn)了死胡同。那么真的沒(méi)有方法解決這個(gè)問(wèn)題了嗎？有！上面的實(shí)驗(yàn)中存在的不外乎三個(gè)問(wèn)題。

一：水的比熱容很大，加熱的時(shí)間很長(zhǎng)，學(xué)生容易分散注意力，不便于控制課堂教學(xué)。一個(gè)課時(shí)根本無(wú)法完成原來(lái)的課堂教學(xué)內(nèi)容，我們不得不拉長(zhǎng)為二個(gè)課時(shí)來(lái)完成教學(xué)任務(wù)。那么我們可不可以利用比熱容小的物質(zhì)呢？空氣與煤油對(duì)比不行嗎？這樣的話，加熱幾乎一二分鐘就可以了。

二：加熱不均勻，燒杯底部水溫高，上面溫度低。測(cè)定的溫度無(wú)法說(shuō)明根本性的問(wèn)題。參考內(nèi)燃機(jī)與蒸汽機(jī)的區(qū)別，我們?yōu)槭裁床话央娮杞z放到物質(zhì)的內(nèi)部去加熱呢？這樣就沒(méi)有散熱的問(wèn)題了，最多就是燒杯散熱問(wèn)題了。只要使用體積較小的錐形瓶，這個(gè)問(wèn)題似乎影響也可以消除。

三：溫度計(jì)太小，不便于后面的學(xué)生觀察。只有前面的幾位同學(xué)勉強(qiáng)可以看清。教學(xué)效果不好！參考液體內(nèi)部壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，我們可以使用微小壓強(qiáng)計(jì)即U型管。這些內(nèi)容學(xué)生已經(jīng)在前面學(xué)習(xí)了的，稍做復(fù)習(xí)提示學(xué)生即可理解。只要觀察U型管兩邊的液柱差，即可反應(yīng)空氣與煤油所升高的溫度問(wèn)題。將水染色，更加便于學(xué)生觀察。考慮到后面的學(xué)生觀察方便，我用攝像頭將實(shí)驗(yàn)投影到銀幕上，一目了然。如果條件允許，不使用U型管，而使用溫度傳感器，直接將溫度的示數(shù)投影到銀幕上，則效果更加好。我使用的裝置是焦耳定律的實(shí)驗(yàn)裝置，相比于原來(lái)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，裝置更加簡(jiǎn)單，便于操作，也便于學(xué)生觀察，效果非常好，各位同行不妨一試。如果對(duì)大家的教學(xué)工作有所幫助，則愚愿以足！