摘 要：在初中物理教學(xué)中將物質(zhì)的比熱容定義為物質(zhì)吸收（或放出）熱量的多少與質(zhì)量和升高溫度乘積的比.該定義相較于初中階段用比值定義的其他概念來說，包含的物理量較多，學(xué)生理解起來難度較大，用比熱容來描述物質(zhì)的吸熱特性就顯得比較抽象.因此如何設(shè)計(jì)課堂教學(xué)能夠更好更高效地幫助學(xué)生理解物質(zhì)的吸熱特性，并能體會比熱容定義的合理性是我們一直在思考的問題.本文中介紹的教學(xué)思路是通過實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)獲得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在分析數(shù)據(jù)的過程中引導(dǎo)學(xué)生感知物質(zhì)的吸熱特性，從而找到描述物質(zhì)吸熱特性的方法，順其自然地定義出物質(zhì)的比熱容.改進(jìn)的教學(xué)思路更加符合學(xué)生的思維方式，能夠更好地豐富學(xué)生的物理觀念，提升實(shí)驗(yàn)探究能力，并且在學(xué)習(xí)中可以獲得較高的成就感.

關(guān)鍵詞：比熱容;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);吸熱特性

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0055-03

作者簡介：李莎（1985-），女，北京人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐.

1 研究的背景

物質(zhì)的比熱容是描述物質(zhì)吸熱特性的物理量，是物質(zhì)本身的特性之一，對于完善學(xué)生的物質(zhì)觀念有著重要的意義.在初中物理教材中將比熱容定義為物質(zhì)吸收（或放出）熱量的多少與質(zhì)量和溫度變化量乘積的比.

比熱容由三個(gè)物理量的比值共同定義，相較于由兩個(gè)物理量定義的密度、速度等概念，學(xué)生理解起來有一定的難度，并且對于物質(zhì)的比熱容是物質(zhì)本身的一種特性，與物質(zhì)的質(zhì)量和吸收熱量的多少等因素?zé)o關(guān)的理解也相對抽象.因此在本節(jié)的教學(xué)中，需要找到適合學(xué)生思維方式的教學(xué)過程，以幫助學(xué)生理解這一抽象的概念.

2 現(xiàn)行教材中關(guān)于物質(zhì)比熱容概念教學(xué)的設(shè)計(jì)

筆者查看了多個(gè)版本教材，發(fā)現(xiàn)在幫助學(xué)生理解比熱容的定義及其是物質(zhì)本身一種特性的教學(xué)處理上都不太盡如人意.不同版本的教材大都是通過探究發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)在質(zhì)量和升高溫度相同的情況下，吸收的熱量不同，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)吸熱的特性不同，緊接著就直接給出了比熱容的定義.

告訴學(xué)生用物質(zhì)吸收（或放出）熱量的多少與質(zhì)量和溫度變化量乘積的比來描述物質(zhì)的吸熱特性，并解釋該定義描述的是每1千克的某種物質(zhì)升高（或降低）1攝氏度所需要吸收（或放出）的熱量.至于為什么要這樣定義物質(zhì)的吸熱特性無法做出合理的解釋，定義中的物質(zhì)的質(zhì)量和升高（或降低）的溫度對物質(zhì)吸熱多少有什么樣的影響也不得而知，這樣的教學(xué)方式，學(xué)生也沒有通過現(xiàn)象或數(shù)據(jù)感知到比熱容是物質(zhì)本身的一種特性，由物質(zhì)種類決定.因此，

這樣給出比熱容的定義顯得有些突然，學(xué)生不易理解，教師在教學(xué)中只能生硬地解釋比熱容的含義.但事實(shí)上從某種角度來講學(xué)生還是靠死記硬背記住了概念，教學(xué)過程缺少了必要的探究步驟去更好地給學(xué)生展現(xiàn)為什么如此定義比熱容.

3 教學(xué)思路的改進(jìn)

在教學(xué)中，如果我們能夠通過實(shí)驗(yàn)得到不同物質(zhì)在不同質(zhì)量、不同溫度變化的情況下吸收（或放出）熱量的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，類比密度的定義，發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)的吸熱特性不同，由此得出物質(zhì)吸熱特性的描述方法，此時(shí)再給出比熱容的定義，就能幫助學(xué)生理解比熱容是物質(zhì)本身的一種特性.如果在數(shù)據(jù)分析過程中能夠先找到物體吸收（或放出）的熱量與物體的質(zhì)量和升高（或降低）的溫度的關(guān)系，自然就能很好地幫助學(xué)生理解為什么要用這樣的定義方法，使學(xué)生體會建立比熱容概念的必要性，感受到比熱容定義的合理性.

3.1實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

要想進(jìn)行定量化探究，測量液體吸收的熱量就是其中最關(guān)鍵的問題，現(xiàn)行教材中的實(shí)驗(yàn)基本上都是用電加熱棒加熱燒杯中的液體，但考慮到加熱棒散熱嚴(yán)重且功率較大有一定的安全隱患.若換用酒精燈加熱，酒精燈單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量又不太穩(wěn)定，也不能準(zhǔn)確地測出液體吸收熱量.如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的器材來解決這些問題呢？

在加熱的方式上，使用如圖1所示的定值電阻絲來加熱，這樣的好處一是功率比較小，安全隱患小，可用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)，二是電阻絲在液體中的位置方便固定，最重要的一點(diǎn)是電阻絲的發(fā)熱功率穩(wěn)定，可用加熱時(shí)間和電阻絲的功率，計(jì)算電阻絲放出的熱量，也就近似等于液體吸收的熱量.為了使熱量測量更加準(zhǔn)確，在散熱方面也要進(jìn)行改進(jìn)，采用雙層玻璃杯和隔熱材料切割成的杯蓋，來減少熱量的散失.為了使溫度的測量更準(zhǔn)確，還將液體溫度計(jì)換成了數(shù)字溫度計(jì)，整體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.這樣改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置能夠較準(zhǔn)確地測出液體在升高一定溫度時(shí)的加熱時(shí)間，再利用電阻絲的電功率就可以間接地計(jì)算出液體吸收的熱量.

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

在8V電壓下，測電阻絲的實(shí)際功率P為10.4W，根據(jù)Q=W=Pt，利用實(shí)驗(yàn)中測得的加熱時(shí)間t，就可以計(jì)算出水和色拉油吸收的熱量.在吸收熱量的計(jì)算問題上，由于學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)電流的熱效應(yīng)，因此請學(xué)生仿照機(jī)械功中學(xué)習(xí)過的功和功率的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，并且向?qū)W生說明電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量等于電流通過電阻絲所做的功，具體原理在后面電功、電功率學(xué)習(xí)時(shí)再具體解釋.利用此實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用控制變量法分別探究出水質(zhì)量一定時(shí)，水吸收的熱量與升高的溫度的關(guān)系，測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.升高溫度一定時(shí)，水吸收的熱量與水的質(zhì)量之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)見表2.當(dāng)然也可以用此裝置探究色拉油吸收熱量的多少與質(zhì)量和升高溫度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表3、表4.

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)學(xué)生可輕松得出“水吸收的熱量與水的質(zhì)量和升高的溫度成正比，色拉油吸收的熱量與其質(zhì)量和升高的溫度也成正比”這樣的結(jié)論.再進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，將水和色拉油

在質(zhì)量和升高溫度相同時(shí)，吸收熱量多少

的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表5.通過對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在每一組質(zhì)量和升高溫度相同的數(shù)據(jù)中，總是水吸收的熱量比色拉油吸收的熱量多，可以讓學(xué)生初步體會到不同物質(zhì)在升高相同溫度時(shí)，吸收熱量不同.

3.3比熱容定義的得出

如果質(zhì)量和升高溫度不同時(shí)，怎么比較他們的吸熱情況呢？可以用吸收的熱量Q除以質(zhì)量m和升高溫度Δt的方法，找到單位質(zhì)量且升高1攝氏度吸收的熱量.我們把水的各組數(shù)據(jù)中Q與mΔt的比值計(jì)算出來，見表6.色拉油的各組數(shù)據(jù)也將三個(gè)量的比值計(jì)算出來，見表7.從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)水的比值都很接近4.6J/（g·℃），而色拉油的比值都接近3.2 J/（g·℃），說明在質(zhì)量和升高溫度相同的條件下，水吸收的熱量比色拉油多.在此數(shù)據(jù)的分析過程中，學(xué)生能夠感知到同種物質(zhì)的該比值是相同的，不同物質(zhì)的比值不同，此比值與物質(zhì)的種類有關(guān)，且比值越大的物質(zhì)，在質(zhì)量和升高溫度相同的情況下，吸收的熱量越多.順其自然地就可以用該比值來描述物質(zhì)的吸熱性質(zhì)，將其定義為物質(zhì)的比熱容，由此給出物質(zhì)比熱容的定義.

4 改進(jìn)教學(xué)后的再思考

4.1 收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)較大實(shí)驗(yàn)誤差

以水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，從理論上來講，水吸收的熱量與質(zhì)量和升高溫度的乘積的比值（水的比熱容）應(yīng)該是4.2×103J/（kg·℃），但是由實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的比值接近4.6×103J/（kg·℃），并且不同組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出的比熱容也不完全相等.

4.2 產(chǎn)生誤差的可能原因分析

雙層玻璃杯也存在散熱問題，每升高一定的溫度，測量的加熱時(shí)間可能會比實(shí)際偏長，因此會導(dǎo)致計(jì)算出的吸收的熱量比實(shí)際值偏大，若在質(zhì)量和升高溫度相同的情況下，實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出的比熱容將會比實(shí)際值偏大.

實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)要改變水的質(zhì)量時(shí)，每次都要移動與電阻絲相連的杯蓋和重新插入的溫度計(jì)探頭，并再次組裝實(shí)驗(yàn)裝置.在重新組裝的過程中自然會導(dǎo)致電子溫度計(jì)探頭與電阻絲間的距離相比于上次實(shí)驗(yàn)發(fā)生變化，這也可能會導(dǎo)致升高溫度一定時(shí)加熱時(shí)間的測量存在一定的偏差.

水和色拉油的導(dǎo)熱性能不佳，液體溫度的測量值可能低于實(shí)際溫度.

4.3 教學(xué)改進(jìn)的意義

實(shí)驗(yàn)雖然存在著較大的誤差，但相較于教材上的設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計(jì)更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.首先可以讓學(xué)生在親自動手實(shí)驗(yàn)的過程中得出數(shù)據(jù)，又能在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過程中體會到不同物質(zhì)的吸熱特性不同，不同物質(zhì)的Q與mΔt的比值不同.在此過程中，體會到用比值描述物質(zhì)吸熱特性的合理性，體會比熱容定義的合理性，自然也能夠充分體會到比熱容是物質(zhì)本身的一種特性，只與物質(zhì)本身的特性有關(guān)，與質(zhì)量、升高的溫度和吸收熱量的多少無關(guān).

這樣的教學(xué)改進(jìn)不僅能在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、動手操作、分析數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)有效地提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，還能從數(shù)據(jù)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的吸熱特性，利于學(xué)生理解概念，進(jìn)而完善學(xué)生的物理觀念，并且在分析發(fā)現(xiàn)的過程中可以獲得較高的成就感.

參考文獻(xiàn)：

[1]李翔.“測量物質(zhì)的比熱容”實(shí)驗(yàn)的外延與創(chuàng)新[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2020，49（01）：28-30.

[2]閆金鐸，蘇明義.義務(wù)教育教科書物理（九年級全一冊）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2020.

[3]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[4]徐美蓉.初中物理概念課之教學(xué)行為分析——以“物質(zhì)的比熱容”為例[J].中學(xué)物理，2017，35（12）：13-14+29.

[5]蔡華.比熱容概念的引入例析[J].物理教學(xué)探討，2017，35（02）：67-68.

（收稿日期：2020-09-25）