關于液體比熱容演示實驗的改進與創(chuàng)新

戴弘達 高 立

(合肥市第四十五中學 安徽合肥 230002)

比熱容這一概念作為初中熱學中的教學重難點，利用“探究不同物質(zhì)的吸熱能力”這一演示實驗，可以通過實驗探究以及對實驗數(shù)據(jù)的分析，使學生發(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。教材上的演示實驗是利用兩個酒精燈分別對質(zhì)量相同的水和煤油進行加熱，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。但這一實驗一方面存在系統(tǒng)誤差，另一方面不便于操作，因此必須加以改進以達到更好的實驗效果。

一、實驗的要求與意義

“科學探究：物質(zhì)的比熱容”這一演示實驗要求學生從生活中不同物質(zhì)吸收熱量后溫度變化的特點不同這一現(xiàn)象出發(fā)，通過實驗探究從而理解不同物質(zhì)吸熱能力有所不同，為后面學習比熱容以及熱值這兩個知識點奠定了基礎。

“近似測量物質(zhì)比熱容”這一實驗，則是為了引導學生通過測量更好地理解比熱容這一物理量的物理意義，對運用比熱容理解生活現(xiàn)象有相當重要的意義。

二、教材設計的實驗的不足

(一)“科學探究：物質(zhì)的比熱容”實驗

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

實驗選擇手動攪拌器，這就要求在同一時間進行計時、測溫以及攪拌三項任務，操作同步性很低。使用普通溫度計，可視性差，學生很難觀察到溫度示數(shù)的變化。故此實驗操作難度大，不方便，耗時長，實驗現(xiàn)象不明顯。在平時的教學中，教師大多采用播放實驗圖片和視頻的方式進行代替。即使進行現(xiàn)場實驗也以教師演示實驗為主，幾乎沒有學生的親身體驗。

(二)“近似測量物質(zhì)比熱容”實驗

利用燒杯進行加熱，熱量損失非常明顯，這便導致了即便利用已知的比熱容公式對實驗數(shù)據(jù)進行計算，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

(一)“科學探究：物質(zhì)的比熱容”實驗的改進

筆者在制作教具時對熱源、攪拌裝置以及測溫裝置進行了改進。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，溫度測量更為準確。最后換用數(shù)字溫度計，可以大大提高實驗的可視性。

(二)“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”實驗的改進

在上述實驗的基礎上，進一步將數(shù)字溫度計改進為溫度傳感器，將信號輸入電腦中，通過DISLAB溫度傳感器以及配套軟件可直接描點作圖得到不同物質(zhì)吸熱升溫的特點的圖像。以下為實際測量的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

在兩個雙層真空燒杯中裝有120 g的水和煤油，在學生電源上并聯(lián)兩個規(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)字溫度計的探頭。

第一步，閉合蠕動泵的開關，使其開始工作；

第二步，閉合電熱管開關，使其開始加熱；

第三步，開啟計時器，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間的數(shù)據(jù)進行描點連線，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”實驗的創(chuàng)新

筆者在實驗時對容器進行了篩選，換用雙層真空燒杯作為容器，這樣可以減少熱量損失，在加快實驗速率的同時也提升了實驗數(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)合相應公式算出物質(zhì)比熱容的近似值，大幅度提升實驗的準確性。

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

實驗結(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，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驗中測得的數(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。

本實驗教具的創(chuàng)新點：

1.實驗方法層面

為了更好地完成實驗教學任務，結(jié)合多媒體技術處理數(shù)據(jù)，使實驗現(xiàn)象更加明顯，促使學生對于比熱容有更深刻的認識。

2.實驗設計思路層面

本節(jié)課的實驗教學，首先通過對教材實驗的創(chuàng)新改進，幫助學生理解比熱容的物理意義；而后，利用進一步改進的實驗教具，對物質(zhì)的比熱容進行定量的測量，并與書本上的理論值進行對照，讓教學從定性邁向定量，促使實驗教學更加嚴謹。

筆者利用自制的“探究物質(zhì)吸熱能力實驗演示儀”以及“液體比熱容測量實驗演示儀”排除了絕大部分環(huán)境因素的干擾，實驗現(xiàn)象明顯，成功率高，可以更好地調(diào)動學生學習的積極性，使學生注意力更加集中，也進一步培養(yǎng)了學生對物理的學習興趣，幫助學生更好地理解抽象的物理知識，提高了課堂教學效率。所以在平時初中物理的教學中，教師需要關注實驗教學的改進與創(chuàng)新。