江蘇省蘇州市吳江區(qū)盛澤第二中學(xué) 顧曉芳

初中階段的物理課程是基于現(xiàn)象的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，那么，物理習(xí)題同樣要基于物理現(xiàn)象。而物理現(xiàn)象的重要載體離不開物理情境，因此，建構(gòu)恰當(dāng)?shù)奈锢砬榫痴归_物理習(xí)題教學(xué)，能夠有效突出學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，促進(jìn)學(xué)生習(xí)題課的深度學(xué)習(xí)。下面以電學(xué)中的一個(gè)習(xí)題為例，談?wù)勆钪械奈锢砬榫橙绾斡行Т龠M(jìn)學(xué)生習(xí)題課的深度學(xué)習(xí)。

一、解析習(xí)題，初步解決問題

例題：電熱水壺是家庭常用的電熱器具，小蘇同學(xué)想通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識一臺(tái)銘牌是“220V 1500W”電熱水壺的效率，他在該壺中裝入2500g 的水后，將其接入家庭電路正常工作。在燒水過程中，小蘇記錄下了不同時(shí)刻水的溫度，并繪制出“溫度——時(shí)間”圖像，如圖1 所示。請回答：

（1）在AB、BC 兩段過程中，水溫上升快的是哪一段？

（2）從圖中可知，水當(dāng)前的沸點(diǎn)是多少？

（3）該電熱水壺?zé)_這壺水（即從A 到C 的過程中）的效率是多少？〔c水=4.2×103J/（kg·℃）〕

（4）為了提高電熱水壺的效率，請你提出一條合理化的建議。

分析：本題的第1、2 小題考查了學(xué)生的圖像信息識別能力，其中第1 小題重點(diǎn)在于考查比較快慢的方法，這里可采用“相同時(shí)間比較升高的溫度”；第2 小題在于考查“沸點(diǎn)”的內(nèi)涵理解。此題的重點(diǎn)是第3、4 小題，計(jì)算效率以及提出提高效率的建議。

為了回答第4 小題，教師啟發(fā)學(xué)生積極思考，提出問題：電能為什么會(huì)損失？損失的電能轉(zhuǎn)換成什么形式的能？如何減少這些能量的損失？接著引導(dǎo)學(xué)生探討這些問題：電水壺?zé)畷r(shí)，先是對水壺進(jìn)行加熱，然后再由水壺對水進(jìn)行加熱，因此，水壺自身需要消耗部分電能；其次，溫度較高的水壺還會(huì)向周圍溫度較低的空氣進(jìn)行熱傳遞。進(jìn)一步追問：水壺自身升溫消耗的電能與向周圍空氣中散失掉的能量哪一個(gè)更多呢？為了回答這個(gè)問題，教師與學(xué)生一起查找資料得知，一般電熱水壺壺身材料為不銹鋼，不銹鋼的比熱容為0.5×103J/(kg·℃)，不銹鋼壺身的質(zhì)量大約為1kg—1.5kg，由此可以算出，燒開水時(shí)不銹鋼壺自身消耗的電能約為Q=cm△t=0.5×103J/(kg·℃) ×1.5kg×(98-20)℃=5.85×104J，只 占電能損失的22.4%，而散失在空氣中的能量大約有2.025×105J，占電能損失的77.6%，散失在空氣中的能量幾乎是壺身吸收能量的3.5 倍。于是，如果要提高電熱水壺效率，可以從壺身消耗電能和向空氣散熱兩個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)，如減少壺身的不銹鋼材料質(zhì)量，如給壺嘴加蓋等。

二、構(gòu)建情境，深入探究

隨著對題目的深入探討，發(fā)現(xiàn)有更多的疑問需要回答。電熱水壺的散熱多少，除了跟是否加蓋有關(guān)外，還有其他的影響因素嗎？不同功率的電熱水壺，它們的效率又與什么因素有關(guān)呢？然而，這些問題已經(jīng)不是學(xué)生已有知識能夠解決的，純粹的思維探討已經(jīng)無法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。于是，教師組織學(xué)生帶著這些問題，開啟生活情境中實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究的習(xí)題課模式。

提出問題：電熱水壺的效率與什么因素有關(guān)？

做出猜想：學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)提出，電熱水壺的效率可能與水的質(zhì)量和水壺的功率有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：用同一個(gè)電熱水壺?zé)_初溫相同、質(zhì)量不同的水，計(jì)算出電熱水壺的熱效率；用功率不同、容量相同的電熱水壺?zé)_初溫、質(zhì)量均相同的水，計(jì)算出電熱水壺的熱效率。

實(shí)驗(yàn)器材：容量相同但功率不同的新電熱水壺兩只、家用單相電能表、溫度計(jì)、電子臺(tái)秤等。

探究方式：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

考慮到本次實(shí)驗(yàn)探究有如下問題：第一，只有當(dāng)電熱水壺獨(dú)立工作時(shí)，電能表所記錄的電能才是電熱水壺消耗的電能，如果在家庭中實(shí)驗(yàn)，則很難確保讓電熱水壺獨(dú)立工作；第二，家庭電路電壓超過人體安全電壓，學(xué)生在家做實(shí)驗(yàn)，如果沒有教師或家長陪伴，存在安全隱患。因此，本實(shí)驗(yàn)不適合讓學(xué)生在家里完成。為解決上述問題，教師將實(shí)驗(yàn)室的電能表安裝在大小合適的木板上，一頭接上插頭，連到實(shí)驗(yàn)室的插座上，另一頭接上插座，用以接插電熱水壺。

三、實(shí)施探究，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信度

學(xué)生先用規(guī)格為“1500W 5L”的電熱水壺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果記錄在表一中。

根據(jù)表一的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：同一個(gè)電熱水壺，在環(huán)境相同的前提下，水裝得越滿，它的熱效率越高。不過，81.6%、82.4%、83.6%這三個(gè)值雖有差異，但是很接近，會(huì)不會(huì)是實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的呢？為了解答學(xué)生的疑惑，證明這個(gè)結(jié)論的可靠性，學(xué)生又用規(guī)格為“2000W 5L”的電熱水壺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果記錄在表二中。

從表二的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣可以看到，電熱水壺的三個(gè)熱效率存在著差異，而且差異很明顯，更為重要的是依然得出了盛水量越多電水壺的熱效率越高這個(gè)結(jié)果。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：同一個(gè)電熱水壺的熱效率不是固定不變的。

分析：同一個(gè)電熱水壺盛不同的水量進(jìn)行加熱，壺身的吸熱量基本不變，當(dāng)盛水量越多，需要加熱的時(shí)間會(huì)越長，消耗的電能將越多，散失在空氣的能量也越多，但由于散失在空氣中的能量增長量比水吸熱的增長量要少得多，因此，電熱水壺的熱效率會(huì)隨著盛水量的增大而增大。

相同的盛水量，但電熱水壺的功率不同，電熱水壺的熱效率又如何呢？要回答這個(gè)問題，只要分析表1和表2 中對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)序號就有答案了。

結(jié)論：相同環(huán)境前提下，用功率不同的電熱水壺加熱相同質(zhì)量的水，水吸收的熱量和壺身吸收的熱量都基本相同，功率越大的電熱水壺加熱時(shí)間越短，散失在空氣的能量就越少，因此，功率大的電熱水壺的熱效率就越高。

表一

表二

四、展開調(diào)查，拓展學(xué)習(xí)寬度

至此，實(shí)驗(yàn)探究部分已經(jīng)完成，并得到了如下結(jié)論：（1）電熱水壺的電能利用率與水的質(zhì)量有關(guān)，水的質(zhì)量越多，利用率也就越高；（2）電熱水壺功率的大小對電能利用率也有很大的影響，在水的質(zhì)量相同的情況下，功率大的電熱水壺的熱效率就越高（2000W 的電熱水壺的利用率比1500W 的要提高近10%）?，F(xiàn)在，學(xué)生很想知道，平時(shí)人們使用電熱水壺的習(xí)慣是怎么樣的？是否會(huì)關(guān)注能源的利用率？

為此，學(xué)生設(shè)計(jì)了一張調(diào)查表進(jìn)行問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表三：

表三（調(diào)查人數(shù)：100 人）

從調(diào)查統(tǒng)計(jì)可以看出，大多數(shù)人生活中有節(jié)能意識，但是具體的行為卻并不一定能夠做到，主要原因是缺乏節(jié)能的相關(guān)知識。因此，學(xué)生覺得節(jié)能、環(huán)保、低碳生活應(yīng)該落實(shí)到行動(dòng)中。

體驗(yàn)式的情境探究學(xué)習(xí)，尤其是與學(xué)生生活息息相關(guān)的情境學(xué)習(xí)，有利于檢驗(yàn)并鞏固學(xué)生的理論知識，培養(yǎng)并鍛煉學(xué)生的組織與合作能力，鼓勵(lì)并挖掘?qū)W生勇于質(zhì)疑、敢于探索的內(nèi)在潛質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，厚實(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)素養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力。