關于比熱容實驗的探究與改進

鄭少林

物質的比熱容是初中熱學中最重要的概念，也是教學的重點和難點。如何做好“比較不同物質的吸熱能力”這個探究實驗，讓學生通過實驗探究，發現規律，形成概念是提高教學效果的關鍵。

一、原實驗實施過程中遇到的問題和造成的原因

原版教材實驗方法是采用同一盞酒精燈分別對同質量的水和砂石加熱相同的時間，使這兩種物質吸收的熱量相等，根據水和沙石升高的溫度來說明不同物質的吸熱能力是不同的。這個實驗遇到的問題和造成的原因：（1）水和沙子相比較，水的導熱性能好，加熱過程中水溫變化差異小；沙子的導熱性能弱，加熱過程中沙子受熱不均勻，邊加熱邊攪拌效果也不好，加熱過程中沙子溫度差異較大，實驗數據不夠準確，用沙子與水探究不同物質比熱容不妥。（2）同一盞酒精燈在相同的時間內放出的熱量相等操作難度大，相同質量的不同物質吸收相同的熱量就無法得到保證，造成實驗數據差異大，影響了實驗的可信度和實驗的科學性。許多物理教師都一直在努力改進這個實驗，其中采用電熱絲加熱水和煤油進行實驗，實驗現象明顯提高，但煤油在實驗中易揮發，氣味難聞，易燃，具有很大的危險性，實驗也存在不足。

二、改進實驗的客觀條件及解決問題的具體方法

改進實驗的客觀條件及解決問題的具體方法：（1）沙子的導熱性能弱，加熱過程中沙子受熱不均勻，應該采用導熱性能良好的物質。在實驗中本人采用直徑為1.5毫米的小鋁球，利用鋁的導熱性能良好和鋁球的滾動性好，解決了原版教材實驗中兩種物質導熱性能不同和攪拌時不容易滾動的缺陷。由于采用直徑為1.5毫米的小鋁球，顆粒小，溫度計可插入物質中測量物質的溫度。（2）酒精燈的熱功率不穩定，本人利用PTC加熱片自制一種小型恒溫加熱器，這種PTC小型恒溫加熱器正常工作時它的熱輸出功率是穩定，不受到周圍環境的影響，解決了實驗加熱過程中不同物質吸收相同的熱量無法得到保證的難題，為熱源提供了創造了客觀條件。

三、實驗過程和實驗數據與分析

在實驗中，用相同LN3.3工型100毫升的兩個燒杯分別盛有80克的水和小鋁球，在PTC小型恒溫加熱器正常工作時對水和小鋁球進行加熱。實驗表明：在對水進行加熱過程中，只要溫度在10℃至65℃范圍內，選取一個初始溫度，每分鐘記錄一次溫度，可測得每分鐘水的溫度升高2.2℃，水升高的溫度與加熱的時間（吸收相同的熱量）成正比。在對小鋁球進行加熱過程中，先用攪拌棒均勻攪拌20秒左右，使燒杯中的小鋁球均勻受熱，用溫度計測量小鋁球的溫度。實驗表明：在溫度10℃至85℃范圍內，選取一個初始溫度，每分鐘記錄一次溫度，可測得每分鐘小鋁球的溫度升高5.2℃，鋁球升高的溫度與加熱的時間吸收相同的熱量（吸收相同的熱量）成正比。本人通過多次實驗，采用自制PTC小型恒溫加熱器對水和小鋁球進行加熱，可以確保水和小鋁球在相同時間內吸收相同的熱量，使水和小鋁球的溫度升高成正比。

四、改進后實驗的優點及其意義

首先是增強了實驗的可信度和科學性。由于實驗采用PTC小型恒溫加熱器具有恒溫發熱，輸出熱功率穩定，解決了酒精燈加熱不穩定的問題，確保了相同質量的不同物質吸在相同時間內吸收相同的熱量，這個實驗的條件得到保證。在上述實驗條件不變和操作正當的情況下，重復實驗測量的數據是相同，實驗數據準確、可靠。不會出現原版教材實驗中測量沙子的溫度一樣，在加熱時間相同的情況下，溫度升高時多時少，這樣增強了實驗的可信度和科學性，有助于培養學生嚴謹、認真的科學態度。

其次是實驗效果好。改進后的實驗，獲取的實驗數據準確，學生很容易從數據中分析得到：相同質量的不同物質吸在相同時間內吸收相同的熱量，升高的溫度是不相同的。從而使學生很容易認識到不同物質在吸、放熱性能上的差別，為學生認識比熱容這個概念創造了條件，提高了教學效果。

再次是簡化了實驗裝置，實驗安全性高。由于采用PTC陶瓷發熱組件，無明火現象，比用酒精燈加熱或用電熱絲加熱煤油安全得多。現在實驗裝置只需一只PTC小型恒溫加熱器和220V電源、兩個燒杯、鐵架臺、溫度計、石棉網、復夾就可以了，實驗裝置簡化了，操作難度也降低了。這樣可以把這個演示實驗轉變成學生實驗創造了條件，能讓學生更多地享受探究的過程和成功帶來的樂趣。

五、改進后實驗裝置尚存的不足

首先是由于PTC小型恒溫加熱器恒溫發熱，當物體的溫度升高到一定數值時，物體之間的熱傳遞會逐漸變弱，因此，本實驗只能在一定的范圍內進行測試。

其次是實驗中雖然解決了兩種物質在導熱性能上的缺陷，但采用的是直徑為1.5毫米的小鋁球，小鋁球之間存在空隙，加熱過程中熱量會散發，無法達到水的比熱容與鋁的比熱容兩者的比值。

責任編輯羅峰