淺談初中物理教材中比熱容探究實(shí)驗(yàn)的不足及改進(jìn)

竇元敏 雷登玉 簡(jiǎn)涵林 余天標(biāo)

對(duì)于九年級(jí)人教版物理第十三章第三節(jié)《比熱容》的實(shí)驗(yàn)版塊的不足之處，本文結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)談?wù)効捶?

1教材中實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

比較不同物質(zhì)的吸熱情況.加熱質(zhì)量相同的水和食用油，使他們升高相同的溫度，比較他們吸熱的多少，觀(guān)察兩種物質(zhì)的吸熱情況是否存在差異.

實(shí)驗(yàn)器材：相同規(guī)格的加熱器、玻璃杯、溫度計(jì)等.

如教材圖13.3-1和圖13.3-2，利用電加熱器加熱水和食用油，電加熱器每秒放出的熱量是一定的，當(dāng)它浸沒(méi)在液體中時(shí)，可認(rèn)為液體每秒吸收的熱量相同.

思考怎樣得到相同質(zhì)量的水和油，怎樣比較水和油吸收熱量的多少，設(shè)計(jì)表格，記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2實(shí)驗(yàn)中存在的不足之處

控制變量法是物理實(shí)驗(yàn)中常用的研究方法，即研究涉及多個(gè)變量的物理問(wèn)題時(shí)，常常采取只允許一個(gè)條件改變，其他條件保持不變的方法進(jìn)行探究.

教材中的實(shí)驗(yàn)控制了水、食用油的質(zhì)量和溫度變化量相同，研究它們吸熱情況是否存在差異.表面上看似乎已經(jīng)控制了所有的變量，但編者忽略了一點(diǎn)，水與食用油密度是不相同，ρ水=1.0×103 kg/m3，ρ油≈0.92×103 kg/m3，那么相同質(zhì)量的水和食用油的體積是不同的：V水<V油，即它們?cè)谙嗤?guī)格燒杯中的深度是不相同的.如教材中的圖示，把相同規(guī)格加熱器分別放入玻璃杯中，且都與杯底相接觸，則加熱器在液體中浸入的深度是不同，浸沒(méi)深度的不同將造成食用油和水單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量并不相等，所以本實(shí)驗(yàn)中并不能直接得出油溫上升快是因?yàn)楸葻崛荼人〉木壒?，還有可能是加熱器與油接觸面積大造成的.對(duì)此筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)據(jù)分析.

3實(shí)驗(yàn)探究

本實(shí)驗(yàn)采用eLab數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)V4.0物理實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和處理，實(shí)驗(yàn)器材有溫度傳感器，燒杯，電爐絲，導(dǎo)線(xiàn)，學(xué)生電源，玻璃板，鐵架臺(tái)，電腦，水，食用油，天平，滴管等.

實(shí)驗(yàn)1該實(shí)驗(yàn)?zāi)M了教材上的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示，燒杯中裝有質(zhì)量相同的水和食用油，將用電爐絲制成的加熱器分別放入其中，使其都到達(dá)燒杯底部，用導(dǎo)線(xiàn)將電爐絲和學(xué)生電源連接起來(lái)，燒杯頂部用帶孔的玻璃板蓋住.

然后，將溫度傳感器一端浸入液體中，另一端與電腦相連.用eLab軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖2所示.

通過(guò)溫度傳感器，用eLab軟件得到食用油與水的溫度變化關(guān)系.

通過(guò)表1數(shù)據(jù)分析，相同時(shí)間內(nèi)，加熱相同質(zhì)量的食用油和水，食用油溫度上升得比水快.但這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，加熱器與兩種液體的接觸面積是不一樣的，所以沒(méi)有做到相同的控制變量，部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為是油與加熱器的接觸面積大，從而導(dǎo)致吸收的熱量多，溫度上升快.因此，本文設(shè)計(jì)了第二個(gè)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)2該實(shí)驗(yàn)相比實(shí)驗(yàn)一的改進(jìn)之處是將加熱器浸入兩種液體中的深度保持相同，如圖3所示，同樣利用eLab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與處理，如圖4所示.

通過(guò)溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，在eLab軟件上得到食用油與水的溫度變化關(guān)系.

表2的數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)控制了加熱器與液體接觸面積相同時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)加熱相同質(zhì)量的食用油和水，食用油溫度上升比水快，說(shuō)明油的比熱容比水小.

實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二數(shù)據(jù)表明，在相同時(shí)間內(nèi)加熱器的接觸面積對(duì)液體的吸收的熱量是有影響的，在實(shí)驗(yàn)一中，28 min內(nèi)油的變化溫度為7.22 ℃，在實(shí)驗(yàn)二中，28 min內(nèi)油變化的溫度為7.17 ℃，造成二者相同時(shí)間內(nèi)溫度變化不同的因素是加熱器與油的接觸面積不同.為了進(jìn)一步驗(yàn)證，本文又設(shè)計(jì)了第三個(gè)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)3兩杯質(zhì)量相同的水，將加熱器置于液體的不同深度處，如圖5所示，通過(guò)溫度傳感器得出兩杯水的溫度變化關(guān)系.

表3數(shù)據(jù)表明，加熱相同質(zhì)量的水，由于加熱器浸入的深度不同，水的溫度變化也不相同，加熱器浸入多的水中溫度上升更快，所以驗(yàn)證了以上猜測(cè)，加熱器浸入液體中的深度即加熱器與液體的接觸面積會(huì)對(duì)液體吸收的熱量多少存在影響.

4實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

基于以上分析，表明加熱器與液體的接觸面積對(duì)液體吸收熱量是存在影響的，教材實(shí)驗(yàn)中存在的主要問(wèn)題是沒(méi)有控制加熱器與水和食用油的接觸面積相同.因此，本文在此處提出實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案.

如圖6所示，在兩個(gè)相同規(guī)格加

熱器上的同一位置（高度）處分別標(biāo)上記號(hào)A、B，浸沒(méi)液體時(shí)分別讓A、B兩標(biāo)記點(diǎn)剛好接觸到水和食用油的表面.使得它們浸入在水和食用油中的深度相同，從而保證了加熱器與液體的接觸面積相同.只有這樣才能消除加熱器與液體接觸的面積大小對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，確保相同時(shí)間內(nèi)水和食用油吸收的熱量相同.

在初中物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是必不可缺的部分，因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中，應(yīng)該重視可能影響實(shí)驗(yàn)的全部因素，從而真正做到控制變量，確保實(shí)驗(yàn)的可行性和嚴(yán)謹(jǐn)性.