不同物質(zhì)吸熱升溫快慢實(shí)驗(yàn)的研究

薛鈺康

(星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

不同物質(zhì)吸熱升溫快慢實(shí)驗(yàn)的研究

薛鈺康

(星海實(shí)驗(yàn)中學(xué),江蘇 蘇州 215021)

摘要：教材中探究沙子與水升溫快慢的實(shí)驗(yàn)中，利用酒精燈加熱，沙子和水分別通過傳導(dǎo)和對(duì)流的方式傳熱，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的初始時(shí)間內(nèi)，水升溫較快，與現(xiàn)實(shí)中在海邊的感受不符. 為此，提出了采用白熾燈上加熱的方式，使沙子和水的熱傳遞方式相同，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，沙子升溫較水快，即可得出水的比熱容比沙子大的結(jié)論. 該實(shí)驗(yàn)還可以采用煤油和水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，因兩種物質(zhì)的熱傳導(dǎo)方式相同，容易比較比熱容的大小.

關(guān)鍵詞：比熱容;溫度；時(shí)間;傳熱；對(duì)流

1問題的提出

在九年制義務(wù)教育蘇科版物理教材九年級(jí)上冊(cè)第12章第3節(jié)“物質(zhì)的比熱容”的設(shè)計(jì)中，先用海灘沙子與海水溫度不同的感受啟發(fā)學(xué)生思考：為什么同樣的光照下沙子和海水的溫度會(huì)不一樣. 然后引導(dǎo)他們提出猜想：可能是沙子和水吸收相同熱量時(shí)升高的溫度不同，沙子吸熱升溫比水快的緣故，進(jìn)一步希望學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)比較沙子與水的升溫快慢情況，因而教材上直接設(shè)計(jì)了該探究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容. 但在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，筆者感到按照教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，很難得到理想的實(shí)驗(yàn)效果，往往會(huì)出現(xiàn)水的升溫比沙子快，用攪棒攪拌沙子也不能做到沙子均勻受熱，并且攪拌也很不方便，這樣就使得該實(shí)驗(yàn)的實(shí)際可靠性較差，不能很好地證明原來提出的猜想.

筆者以為，問題的根本原因在于該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì). 在教材的對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，研究對(duì)象分別是沙子和水，其中水是液態(tài)物質(zhì)，在用酒精燈加熱時(shí)，它是依靠對(duì)流方式傳熱的，不必?cái)嚢?，水各部分的受熱升溫比較均勻，溫度計(jì)能正確地測(cè)出水溫及其變化情況；但沙子是固體物質(zhì)，其傳熱依靠傳導(dǎo)方式，由于沙子的熱傳導(dǎo)性能不好，易造成受熱不均，教材設(shè)計(jì)的人工攪拌也解決不了問題，易造成溫度測(cè)量的不可靠，甚至出現(xiàn)與期望相反的結(jié)果. 所以，盡管在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，充分考慮到了明顯的變量控制，如：沙子和水的質(zhì)量相等、用相同的燒杯、相同的加熱器等，但在其內(nèi)在的物理傳熱機(jī)制上，卻沒有做到一致，因此，使實(shí)驗(yàn)效果不可靠，反而出現(xiàn)了水的升溫比沙子快的現(xiàn)象.

2實(shí)驗(yàn)的比較分析

為了尋找比較有效的實(shí)驗(yàn)方案，筆者通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了幾種方案的實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1　用相同酒精燈加熱沙子和水的實(shí)驗(yàn)裝置

2．1　用相同酒精燈加熱沙子與水的實(shí)驗(yàn)

器材：燒杯1個(gè)、酒精燈1只、溫度計(jì)2支、鐵架臺(tái)1架、石棉網(wǎng)1塊、火柴1盒.

實(shí)驗(yàn)方法：

1)如圖1所示，用同一套器材先后用質(zhì)量相等的沙子與水進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2)點(diǎn)燃酒精燈加熱，不對(duì)沙子攪拌，用2支溫度計(jì)分別同時(shí)測(cè)出加熱物質(zhì)的中心溫度和邊緣處的溫度，測(cè)量間隔的時(shí)間Δt是30 s.

3)倒去沙子，待燒杯冷卻后，取相同質(zhì)量的水重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)測(cè)量. 2次記錄如表1所示.

表1　用相同酒精燈加熱沙子和水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1繪出沙子與水的θ-t圖像(如圖2所示). 以同種物質(zhì)邊緣與中心比較：水由于利用對(duì)流方式傳熱，傳熱速度很快，其邊緣溫度與中心溫度一致，以同樣的速度同步增長. 而沙子升溫則不同，其開始時(shí)邊緣升溫比中心升溫快，以后大段時(shí)間中始終保持溫度差距，源于邊緣首先受熱，沙子主要靠傳導(dǎo)方式傳熱，從邊緣傳到中心要一定的時(shí)間，要克服此因素的差異，用攪拌沙子的方法是很難達(dá)到理想效果的. 再進(jìn)行不同物質(zhì)的比較，由于水依靠對(duì)流傳熱，不僅橫向溫度無明顯差異，而且其上下的差異也不大，溫度計(jì)基本能正確反映水的整體溫度情況；而沙子則不同，雖然溫度計(jì)與水同樣放于中心(上下的)位置，由于沙子依靠傳導(dǎo)傳熱，從加熱的底部傳到溫度計(jì)處要一定的時(shí)間，使溫度計(jì)玻璃泡處沙子的溫度低于底部沙子的溫度，客觀上出現(xiàn)了開始加熱升溫是沙子比水慢. 正是該原因使得其上下和左右存在一定的溫度差，溫度計(jì)不能正確反映沙子整體的溫度，其測(cè)量記錄與沙子升溫比水快的情形不符，教材編寫者希望通過對(duì)沙子的攪拌做到實(shí)驗(yàn)中沙子升溫比水快是比較困難的.

圖2　酒精燈加熱沙子和水的θ-t圖像

2．2　用200 W白熾燈加熱沙子與水的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

器材：2個(gè)相同的燒杯、200 W白熾燈1盞、溫度計(jì)2支、鐵架臺(tái)3臺(tái)、石棉網(wǎng)2片.

實(shí)驗(yàn)方法：

1)按如圖3所示組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，沙子與水的質(zhì)量相等；調(diào)節(jié)燈泡的位置，使燈泡分別到水面和沙面的距離相等.

圖3　用白熾燈加熱沙子和水的實(shí)驗(yàn)裝置

2)接通電源，使燈泡發(fā)光照射沙子和水. 不對(duì)沙子和水?dāng)嚢?，用溫度?jì)分別同時(shí)測(cè)出沙子與水中心的溫度，測(cè)量間隔的時(shí)間是5 min，記錄如表2所示.

表2　用白熾燈加熱沙子和水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2繪出θ-t圖像如圖4所示.

圖4　白熾燈加熱沙子和水的θ-t圖像

從圖4可以看出，開始時(shí)沙子升溫比水快，且以后一直保持一定的差距，沙子的溫度一直比水高，但由于白熾燈作為熱源較弱，沙子和水與周圍環(huán)境氣溫的溫差增大后散熱會(huì)加快，沙子增加得更快，使得后來兩者的溫度變化接近. 本實(shí)驗(yàn)中水和沙子都通過同一個(gè)熱源，從上方加熱，使得他們的傳熱都是依靠傳導(dǎo)，雖然有差異，但還是能較好地反映出水升溫比沙子慢，從中體現(xiàn)出水的比熱容比沙子大的特點(diǎn).

2．3　用相同酒精燈加熱煤油與水的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.

器材：燒杯1個(gè)、酒精燈1只、溫度計(jì)1支、鐵架臺(tái)1架、石棉網(wǎng)1塊、火柴1盒.

實(shí)驗(yàn)方法：

1)按如圖5裝置，用同一套器材先后用質(zhì)量相等的水與煤油進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖5　用相同酒精燈加熱煤油與水的實(shí)驗(yàn)裝置

2)點(diǎn)燃酒精燈加熱，2次實(shí)驗(yàn)，用溫度計(jì)分別測(cè)出水與煤油的中心溫度，測(cè)量間隔的時(shí)間是30 s，記錄如表3所示，由表3可繪出θ-t圖像，如圖6所示.

表3　用相同酒精燈加熱煤油與水的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6　酒精燈加熱煤油和水的θ-t圖像

從圖6可以明顯看出，煤油的升溫要比水的升溫快，而且一直保持著同樣的趨勢(shì)，使得兩者的溫差越來越大. 由于兩者的質(zhì)量相同、加熱器相同、燒杯相同和其他外部環(huán)境也相同，他們都是液體，其傳熱方式也相同，主要都是通過對(duì)流方式傳熱. 因此，可知升溫快慢的不同是由于兩者不同的比熱容的原因，由于煤油的比熱容比水的比熱容小，所以，同等情況下煤油的升溫比水快.

3對(duì)教材設(shè)計(jì)的建議

基于上面的實(shí)驗(yàn)分析，筆者以為，在初中物理學(xué)習(xí)中，要比較不同物質(zhì)吸熱升溫的快慢，有2種實(shí)驗(yàn)方案可供選擇，一是采用原來教材使用的沙子與水進(jìn)行比較，但是，應(yīng)該將教材采用的下加熱方式改成上加熱方式，即將酒精燈加熱方式換成燈泡輻射加熱，使兩者都是通過熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳熱，這樣在加熱物質(zhì)質(zhì)量相同、加熱條件相同的情況下，升溫的快慢完全決定于物質(zhì)比熱容的大小. 但是這種設(shè)計(jì)的最大問題是實(shí)驗(yàn)升溫很慢，在實(shí)際課堂教學(xué)的時(shí)間來看不可行，作為課外物理興趣活動(dòng)來做，則有利于培養(yǎng)學(xué)生耐性. 二是都采用液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，作為課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為這種方式是最佳的. 這是因?yàn)橐话阋后w的傳熱都主要是通過對(duì)流的方式，也就是它們的傳熱方式相同，如果能選擇黏度較小的液體，在同樣火焰加熱的情況下，不必通過攪拌就能使液體各部分比較均勻地受熱，而且升溫都較快，適合課堂演示教學(xué). 實(shí)際實(shí)驗(yàn)中為使2種不同液體的升溫快慢差異性比較明顯，筆者建議選擇2種比熱容相差較大的液體進(jìn)行，這樣更有利于提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可靠性. 基于以上原因，筆直認(rèn)為用水和煤油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是比較好的，如果認(rèn)為煤油氣味較重，也可以用色拉油等食用油替代煤油進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：

[1]劉炳升，李容. 義務(wù)教育教科書《物理》九年級(jí)(上冊(cè))[M]. 南京：江蘇科技出版社,2013.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Exploring experiment of the heating speed of different matters

XUE Yu-kang

(Xinghai Middle School, Suzhou 215021, China)

Abstract:In teaching material, the exploring experiment of heating speed uses alcohol burner to heat sand and water. Sand and water transfer heat by conduction and convection, respectively. In the initial stage, water heats up faster than sand. It is in contrary to the feeling in reality. So a method that used lamp to heat water and sand was presented. Using this method, the heat transfer ways of water and sand were both conductions, the temperature of sand increased faster than that of water. It could concluded that the specific heat of water is bigger than that of sand. Because of the same heat transfer way, kerosene and water could be used in experiment to compare their specific heat.

Key words:specific heat; temperature; time; conduction; convection

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2015)03-0021-04

作者簡(jiǎn)介：薛鈺康(1963-)，男，江蘇蘇州人，星海實(shí)驗(yàn)中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

收稿日期：2014-11-04