比熱容概念的建立及實驗的創(chuàng)新教學設(shè)計

摘 要：比熱容這個概念是初中階段最為復雜的物理概念之一，該概念的建立采用比值法，但是又不同于以往的兩個物理量的比值，比熱容涉及三個物理量的比值，在概念建立的時候具有一定難度，蘇科版教材中比熱容概念的建立是通過探究沙子和水的吸熱升溫快慢來研究的.文章從實驗環(huán)節(jié)的改進以及實驗數(shù)據(jù)的處理來突破比熱容概念的建構(gòu)，進而加強學生對比熱容概念的理解以及應用.

關(guān)鍵詞：比熱容;概念建構(gòu);實驗創(chuàng)新

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）23-0103-03

收稿日期：2023-05-15

作者簡介：高麗娜（1991.4-），女，黑龍江省齊齊哈爾人，碩士，中學一級教師，從事初中物理教學研究.

文章基于培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的要求，從實驗分析、改進實驗探究方案，引導學生動手并仔細觀察實驗現(xiàn)象，定量分析和處理實驗數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)去讓學生深刻認識、理解比熱容概念，進而突破教學難點.以下是筆者的教學環(huán)節(jié).

1 教學目標

理解比熱容的概念、單位等，知道比熱容是物質(zhì)的一種物理屬性;

理解比熱容概念的建構(gòu)過程，并且知道比熱容和哪些物理量有關(guān)，并在實驗探究環(huán)節(jié)中掌握轉(zhuǎn)換法、控制變量法等研究方法，體會合作探究的科學精神;

利用比熱容知識去解釋生活中常見的現(xiàn)象.

2 教學重難點

比熱容概念的建構(gòu)過程;

引導學生數(shù)據(jù)的分析，知道比熱容與哪些物理量有關(guān)，進而得出比熱容的公式.

3 實驗器材

鐵架臺、燒杯、石棉網(wǎng)、玻璃棒、秒表、酒精燈、電子溫度計、水、煤油、溫度傳感器、電加熱器、天平、蠟燭、氣球等.

4 教學過程

課堂引入：視頻連線遠在海南度假的友人，幫助她解決在海南海邊遇到的疑惑.

海南友人視頻中提問：白天中午，同是一個太陽照射，沙子和水都要吸收熱量，由于照射的時間是相同的，那么它們吸收的熱量就是相同的，吸收熱量后它們的溫度都要升高.但是最后發(fā)現(xiàn)沙子的溫度比海水的溫度要高，你覺著是什么原因呢？

引出問題：為什么海水和沙子在同一時刻的溫度不一樣呢？（同時提示，物體吸收熱量溫度才會上升）

引導學生猜想與假設(shè)：可能是吸收相同的熱量沙子吸熱升溫比水快.

教師：也就是說不同物質(zhì)吸收相同的熱量升溫快慢是不相同的，那我們就以水和煤油為例，來探究下不同物質(zhì)的吸熱升溫情況.

教師引導實驗方案設(shè)計：

教師：想要驗證猜想是否正確，就要設(shè)計一個實驗方案來研究.首先要考慮兩個問題：

（1）如何讓水和煤油升溫呢？

（2）如何比較水和煤油吸熱升溫的快慢？

學生小組活動討論兩個問題并分享：用兩個相同的酒精燈分別對水和煤油加熱，此時控制加熱方式是相同的.比較水和煤油升溫的快慢有兩種方法：一種是相同時間比較水和煤油升高的溫度；另一種是升高相同的溫度比較加熱時間，兩種方法是等效的.本實驗中采用的是加熱相同時間，比較升高的溫度.由于熱源相同，加熱時間相同，就代表相同時間內(nèi)吸收的熱量是相同的.所以加熱時間的長短就代表吸收熱量的多少，此處應用了轉(zhuǎn)換法的思想.

另外提醒學生思考：除了控制加熱方式和加熱時間相同外，還需要控制什么相同？此時教師進行引導：家里水壺燒水的過程中，在熱源相同時，一壺水和半壺水哪個更容易燒開？

學生思考并討論得出：半壺水容易燒開，由于半壺水的質(zhì)量少，所以得出物質(zhì)質(zhì)量的多少也會影響吸收的熱量，還應該控制質(zhì)量相同.

最終得出：本實驗中需要控制熱源相同，加熱時間相同，水和煤油的質(zhì)量相同，應用了控制變量法的思想.

實驗器材的改進：

（1）本實驗用煤油來替代沙子，煤油受熱更容易均勻；

（2）用電子溫度計來替代實驗室溫度計，讀數(shù)更加準確.

稱量質(zhì)量相等的水和煤油如圖1，利用改進后的實驗裝置進行實驗如圖2：

學生進行實驗得到的圖像并進行數(shù)據(jù)分析如圖3.

分析得到：

（1）質(zhì)量相等的水和煤油吸收相同的熱量，水升高的溫度少，也就是水升溫慢；

（2）質(zhì)量相等的水和煤油升高相同的溫度，水需要加熱的時間長，也就是說水的吸熱能力強.

由于學生實驗實驗數(shù)據(jù)比較局限，只能記錄下幾個時刻的溫度，老師采用了兩個溫度傳感器，它可以連續(xù)地反映出各個時刻水和煤油的溫度隨時間的變化情況，并描繪成圖像，實驗裝置如圖4.

具體演示實驗操作過程：將稱量好的質(zhì)量相等的水和煤油各200 g.把它放在電加熱板上進行加熱，并且把電熱板調(diào)到相同的檔位（2檔位），使用電加熱板更易于控制熱源相同，確保水和煤油相同時間內(nèi)吸收的熱量相同.然后開始實驗觀察電腦上的參數(shù)，藍色的溫度代表的是水的溫度，紅色的溫度代表的是煤油的溫度，加熱的時間是4分鐘，得到的實驗數(shù)據(jù)如圖5.

由圖像5可知水和煤油在剛開始的時候溫度幾乎保持不變，由于燒杯還有石棉網(wǎng)是要先進行吸收熱量，所以前一段時間并不是水和煤油吸熱升溫情況，把這一段時間截掉后，就變成了如圖6所示圖像.橫坐標是加熱時間，根據(jù)轉(zhuǎn)換法加熱時間的長短就代表著吸收熱量的多少，可以用吸收熱量Q來表示.縱坐標是溫度t，如果把縱坐標變成溫度的變化量，就是把縱坐標都減去初溫，初溫大概是28攝氏度左右.每一點溫度都減去初溫，那整條線就會向下平移.就得到如圖7所示圖像.在圖像7的基礎(chǔ)上來研究水和煤油的吸熱升溫情況就更直觀.

深入研究圖像7，水和煤油的這兩個圖像都是過原點的，并且讀取誤差以外，近似都是一條直線.在數(shù)學上一條過原點的直線就是正比例函數(shù)，那它的縱坐標除以橫坐標就是一個常數(shù)，當然橫坐標與縱坐標的比值也是一個常數(shù)，也就是說Q/△t是一個常數(shù).Q/△t就可以表示成物質(zhì)升高單位攝氏度所吸收的熱量，除以質(zhì)量m，那整個這一項Q/△t·m就還是一個定值.再觀察圖像7中的兩條線，它們的傾斜程度不同，Q/△t的比值就一定不同，又由于除以相同的質(zhì)量m，所以Q/△t·m比值就是不同，這個不同的比值就反映了物質(zhì)的種類不同，所以說這個比值與物質(zhì)的種類有關(guān).當質(zhì)量和升高的溫度相同時，Q/△t·m這個比值越大，就代表吸收的熱量就越多，也就代表吸熱本領(lǐng)越強.所以這個比值不僅與物質(zhì)的種類有關(guān)，還可以表示物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)的強弱^［1］.此時就可以順利地引出比熱容的概念、公式、單位以及物理意義等知識點.

讓學生連線海南友人嘗試解釋：白天，沙子的溫度比海水溫度高？而夜晚，海水的溫度卻比沙子高？

學生解釋：白天，質(zhì)量相等的海水和沙子吸收相同的熱量，水的比熱容大，升溫慢，最終的溫度低；夜晚，質(zhì)量相等的海水和沙子放出相同的熱量，水的比熱容大，降溫慢，所以溫度高一些.本教學環(huán)節(jié)設(shè)計激發(fā)學生解決問題的能力，讓學生意識到學習物理知識是非常重要的，可以解決生活中的許多問題，提高學生對學習物理科學知識的認可度.

最后，讓學生自發(fā)提出生活中有關(guān)比熱容的現(xiàn)象并解釋，例如：早穿皮襖晚穿紗，圍著火爐吃西瓜的現(xiàn)象、海陸風的成因、發(fā)動機冷卻水系統(tǒng)和暖氣管熱水系統(tǒng)等.

教學后記：本節(jié)課遵循了學生為主體、教師為主導的教學思想，讓學生從發(fā)現(xiàn)問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計并進行實驗、分析與討論結(jié)果等科學探究環(huán)節(jié)去得出比熱容的概念，注重學生的動手和動腦能力的培養(yǎng)，并且在實驗探究過程中多次讓學生合作探究討論，也培養(yǎng)了學生相互合作、互幫互助的科學精神，本節(jié)課充分培養(yǎng)了學生的科學素養(yǎng)^［2］.

參考文獻：

［1］? 石凌燕.《比熱容》教學設(shè)計［J］.中學物理，2016，8（34）：42-43.

［2］ 康家美，董振邦，胡琥.比熱容實驗創(chuàng)新設(shè)計：突破實驗設(shè)計建構(gòu)比熱容概念［J］.中學物理，2019，1（37）：27-28.

［責任編輯：李 璟］