戴弘達(dá) 高 立

(合肥市第四十五中學(xué) 安徽合肥 230002)

比熱容這一概念作為初中熱學(xué)中的教學(xué)重難點(diǎn)，利用“探究不同物質(zhì)的吸熱能力”這一演示實(shí)驗(yàn)，可以通過實(shí)驗(yàn)探究以及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)的吸熱能力有所不同，這不僅有利于幫助學(xué)生建立比熱容的概念，也為近似測量物質(zhì)的比熱容大小打下了基礎(chǔ)。教材上的演示實(shí)驗(yàn)是利用兩個(gè)酒精燈分別對質(zhì)量相同的水和煤油進(jìn)行加熱，使這兩種物質(zhì)升高相同的溫度，根據(jù)水和煤油吸收熱量的多少得出水與煤油的吸熱能力是不同的。但這一實(shí)驗(yàn)一方面存在系統(tǒng)誤差，另一方面不便于操作，因此必須加以改進(jìn)以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

一、實(shí)驗(yàn)的要求與意義

“科學(xué)探究：物質(zhì)的比熱容”這一演示實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生從生活中不同物質(zhì)吸收熱量后溫度變化的特點(diǎn)不同這一現(xiàn)象出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)探究從而理解不同物質(zhì)吸熱能力有所不同，為后面學(xué)習(xí)比熱容以及熱值這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。

“近似測量物質(zhì)比熱容”這一實(shí)驗(yàn)，則是為了引導(dǎo)學(xué)生通過測量更好地理解比熱容這一物理量的物理意義，對運(yùn)用比熱容理解生活現(xiàn)象有相當(dāng)重要的意義。

二、教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)的不足

(一)“科學(xué)探究：物質(zhì)的比熱容”實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)受環(huán)境因素的影響較大。利用酒精燈加熱時(shí)無法保證熱源相同，且由于酒精燈在容器外部加熱，造成熱損失過大。

實(shí)驗(yàn)選擇手動(dòng)攪拌器，這就要求在同一時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)、測溫以及攪拌三項(xiàng)任務(wù)，操作同步性很低。使用普通溫度計(jì)，可視性差，學(xué)生很難觀察到溫度示數(shù)的變化。故此實(shí)驗(yàn)操作難度大，不方便，耗時(shí)長，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。在平時(shí)的教學(xué)中，教師大多采用播放實(shí)驗(yàn)圖片和視頻的方式進(jìn)行代替。即使進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)也以教師演示實(shí)驗(yàn)為主，幾乎沒有學(xué)生的親身體驗(yàn)。

(二)“近似測量物質(zhì)比熱容”實(shí)驗(yàn)

利用燒杯進(jìn)行加熱，熱量損失非常明顯，這便導(dǎo)致了即便利用已知的比熱容公式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所得出的數(shù)值與教材上的理論值相差明顯。

三、教具的創(chuàng)新點(diǎn)

(一)“科學(xué)探究：物質(zhì)的比熱容”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

筆者在制作教具時(shí)對熱源、攪拌裝置以及測溫裝置進(jìn)行了改進(jìn)。首先，選擇規(guī)格相同的電加熱管，直接在液體內(nèi)部加熱，保證了熱源的穩(wěn)定及統(tǒng)一。其次，使用微型蠕動(dòng)泵，變內(nèi)循環(huán)為外循環(huán)，使液體受熱更加均勻，避免攪拌器吸熱，溫度測量更為準(zhǔn)確。最后換用數(shù)字溫度計(jì)，可以大大提高實(shí)驗(yàn)的可視性。

(二)“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將數(shù)字溫度計(jì)改進(jìn)為溫度傳感器，將信號(hào)輸入電腦中，通過DISLAB溫度傳感器以及配套軟件可直接描點(diǎn)作圖得到不同物質(zhì)吸熱升溫的特點(diǎn)的圖像。以下為實(shí)際測量的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

在兩個(gè)雙層真空燒杯中裝有120 g的水和煤油，在學(xué)生電源上并聯(lián)兩個(gè)規(guī)格相同的電熱管，將其置于燒杯中，并插入微型水泵的軟管和數(shù)字溫度計(jì)的探頭。

第一步，閉合蠕動(dòng)泵的開關(guān)，使其開始工作；

第二步，閉合電熱管開關(guān)，使其開始加熱；

第三步，開啟計(jì)時(shí)器，每隔10 s記錄一次水與煤油的溫度。

通過對二者升高溫度與時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)連線，我們可以得出水與煤油吸熱能力的線性函數(shù)圖像。

(三)“定量測量物質(zhì)比熱容”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新

筆者在實(shí)驗(yàn)時(shí)對容器進(jìn)行了篩選，換用雙層真空燒杯作為容器，這樣可以減少熱量損失，在加快實(shí)驗(yàn)速率的同時(shí)也提升了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。此容器的真空夾層可以有效控制熱傳導(dǎo)與熱對流，這樣便可以基本上讓電加熱管所放出的所有熱量都能夠被液體吸收。如圖5所示，采用數(shù)顯式學(xué)生電源，可直接讀取電加熱管的電流和電壓大小，這樣便可以結(jié)合相應(yīng)公式算出物質(zhì)比熱容的近似值，大幅度提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

利用上述實(shí)驗(yàn)器材，我們對200 g的水進(jìn)行加熱，現(xiàn)場計(jì)算出水的比熱容。(此時(shí)輸出電壓為20 V，輸出電流為1.66 A，每隔8 s自動(dòng)記錄一次水的溫度，40 s后水溫上升1.5 ℃)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：不同物質(zhì)的吸熱能力一般是不同的。以相同質(zhì)量的水與煤油為例，在吸收相同熱量時(shí)，水的溫度上升幾乎只有煤油的一半，這說明水的吸熱能力是煤油的兩倍，我們便利用比熱容來描述物質(zhì)的吸熱能力。而利用比熱容公式和實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)，可以近似算出水的比熱容為4.4×103J/(kg·℃)，這與理論值4.2×103J/(kg·℃)相差很小，這也便于讓學(xué)生理解水的比熱容的物理意義為：每1 kg的水升高1 ℃所需要吸收的熱量為4.2×103J。

本實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新點(diǎn)：

1.實(shí)驗(yàn)方法層面

為了更好地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，結(jié)合多媒體技術(shù)處理數(shù)據(jù)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，促使學(xué)生對于比熱容有更深刻的認(rèn)識(shí)。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路層面

本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，首先通過對教材實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)，幫助學(xué)生理解比熱容的物理意義；而后，利用進(jìn)一步改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教具，對物質(zhì)的比熱容進(jìn)行定量的測量，并與書本上的理論值進(jìn)行對照，讓教學(xué)從定性邁向定量，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

筆者利用自制的“探究物質(zhì)吸熱能力實(shí)驗(yàn)演示儀”以及“液體比熱容測量實(shí)驗(yàn)演示儀”排除了絕大部分環(huán)境因素的干擾，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，成功率高，可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生注意力更加集中，也進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生更好地理解抽象的物理知識(shí)，提高了課堂教學(xué)效率。所以在平時(shí)初中物理的教學(xué)中，教師需要關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與創(chuàng)新。