《比熱容》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

黎文藝

【摘 要】本文針對(duì)人教版第十三章第三節(jié)《比熱容》的實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中存在的不足，使用溫度傳感器、數(shù)據(jù)處理軟件等現(xiàn)代化教育技術(shù)手段改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，重新設(shè)計(jì)了“比較沙子和水的吸熱情況”的實(shí)驗(yàn)和“利用傳感器比較水和煤油的吸熱情況”實(shí)驗(yàn)，取得滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】比熱容 探究實(shí)驗(yàn) 溫度傳感器 減小散熱

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2017）06B-0138-02

比熱容是熱學(xué)知識(shí)中重要的概念，也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如何做好“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成概念是本課的重要內(nèi)容。在教學(xué)過程中，可以讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察和分析，得出結(jié)論，更好地理解不同物質(zhì)的吸熱能力。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

（一）知識(shí)與技能

通過第一個(gè)定性的探究實(shí)驗(yàn)建立比熱容概念；再通過定量的探究實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)比熱容概念的理解和應(yīng)用。

（二）過程與方法

經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)探究方法，學(xué)會(huì)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)關(guān)注細(xì)節(jié)。

（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀

培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識(shí)和科學(xué)的求真態(tài)度。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

（一）分析教材實(shí)驗(yàn)，指出其不足之處

人教版第十三章第三節(jié)《比熱容》課文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)如圖1所示。利用兩個(gè)相同的電加熱器（熱得快）來分別加熱質(zhì)量相等的水和食用油，使它們升高相同的溫度。比較它們吸收熱量的多少，看看這兩種物質(zhì)的吸熱情況是否存在差異。學(xué)生使用溫度計(jì)測(cè)量溫度，使用停表測(cè)量時(shí)間，并做好實(shí)驗(yàn)記錄。兩個(gè)電加熱器的功率相同，當(dāng)它們浸沒在液體中加熱時(shí)，如果在相等的時(shí)間里放出的熱量相等，那么我們可以認(rèn)為這兩種液體每秒吸收的熱量是相同的。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加熱質(zhì)量相等的水和食用油使升高相同的溫度時(shí)，所用的時(shí)間不同，水需要加熱的時(shí)間更長(zhǎng)，這說明水需要吸收的熱量更多。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果不錯(cuò)，可以定性地說明不同的物質(zhì)吸熱情況不同。但是筆者在具體的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)方案還是有幾點(diǎn)不足之處：

1.電加熱器（熱得快）的體積過大。由課本提供的圖片可以發(fā)現(xiàn)，部分電熱絲裸露在液體之外，且裸露的長(zhǎng)度不同，這無法保證相等的時(shí)間里兩種液體吸收的熱量相同。

2.盛液體的燒杯開口過大。這種大口徑的燒杯散熱快，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)誤差大，不利于做定量分析，實(shí)驗(yàn)明顯不夠嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范。實(shí)際教學(xué)中確實(shí)有部分學(xué)生向筆者提出了散熱影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的問題，筆者也順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生做了一些改進(jìn)的討論和分析。

3.這個(gè)時(shí)候?qū)W生還沒學(xué)到電學(xué)的知識(shí)，還沒有建立起安全用電的意識(shí)。該類型的電加熱器（熱得快）有漏電的風(fēng)險(xiǎn)，有一定的安全隱患，使用 220 V的高電壓，不利于學(xué)生獨(dú)立操作。

4.實(shí)際情況下，多數(shù)學(xué)校的教室只有一個(gè)插座，安排學(xué)生使用那么多個(gè)電加熱器（熱得快）同時(shí)進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究，困難較大，根本無法實(shí)現(xiàn)。有的時(shí)候只能進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果很不理想。

那么作為一線教師，該如何處理這些困難呢。針對(duì)教學(xué)中遇到的這些問題，筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，運(yùn)用現(xiàn)代化的教育技術(shù)手段，嘗試進(jìn)行了一些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)方案。

（二）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

〖實(shí)驗(yàn)一〗比較沙子和水的吸熱情況

1.器材

托盤天平、試管2支（型號(hào)相同）、泡沫板（鉆孔夾住試管）、溫度計(jì)兩支、燒杯兩個(gè)、65℃左右的熱水（熱源）、等質(zhì)量的水和沙子（因受到熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響，必須使用潮濕的沙子實(shí)驗(yàn)才能成功）、秒表、手機(jī)（錄像）等。如圖2為實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。

2.實(shí)驗(yàn)操作過程

（1）先用托盤天平測(cè)量出質(zhì)量相等的水和沙子（必須使用潮濕的沙子）各60 g，然后分別裝入相同的平底試管。

（2）將裝有質(zhì)量相等的水和沙子的試管用軟木塞塞住，然后插入溫度計(jì)，同時(shí)放入事先準(zhǔn)備好的同一燒杯的冷水中1～2分鐘，保證兩試管中的沙子和水的初始溫相同。

（3）將 65℃ 左右的熱水倒入大燒杯中，待穩(wěn)定后，將初溫相同的兩試管從冷水中拿出來并同時(shí)放入熱水中。此時(shí)，要記錄初始溫度，同時(shí)注意觀察兩試管中溫度計(jì)示數(shù)的變化。同時(shí)讓一位同學(xué)進(jìn)行錄像，作為課堂素材，供下一階段的學(xué)習(xí)討論使用。

（4）當(dāng)試管中的溫度計(jì)的示數(shù)達(dá)到50℃ 時(shí)，分別記下沙子所用的時(shí)間和水所用的時(shí)間。表1為其中一個(gè)小組學(xué)生記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）本實(shí)驗(yàn)將兩套裝置合二為一，簡(jiǎn)化了器材裝置，使教師和學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作不再那么繁重，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的操作更加簡(jiǎn)單 ，快速完成了“比熱容”概念的引入，節(jié)約了大量的課堂時(shí)間。

（2）運(yùn)用“水浴加熱法”，使用 65℃ 左右的熱水作為熱源，省去很多費(fèi)時(shí)的準(zhǔn)備工作。而且熱源穩(wěn)定，受熱均勻，我們可以認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)沙子和水吸收的熱量是相等。

（3）兩試管用木塞堵住，散熱較少。

（4）實(shí)驗(yàn)器材更加簡(jiǎn)單，降低了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備難度和危險(xiǎn)系數(shù)。

（5）學(xué)生用手機(jī)錄像，為后面的課堂思考、討論提供了素材。學(xué)生也可以在課后復(fù)習(xí)時(shí)回顧課堂上的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到鞏固新概念的目的。

〖實(shí)驗(yàn)二〗利用傳感器比較水和煤油的吸熱情況

1.器材

蘇威爾數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、數(shù)字化軟件、計(jì)算機(jī)、兩個(gè)相同的可密封的塑料盒子、兩根電阻相同的電熱絲、較大的塑料桶（透明）、學(xué)生電源、導(dǎo)線若干、開關(guān)一個(gè)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

2.實(shí)驗(yàn)操作過程

（1）使用天平分別測(cè)得 60 g 的水和煤油。

（2）分別將 60 g 的水和煤油裝入塑料盒中，并分別放入阻值相等的電熱絲。注意電熱絲要完全浸沒在液體中，然后蓋上蓋子進(jìn)行密封。

（3）將兩個(gè)盒子一起放入透明的塑料桶中，同時(shí)，串聯(lián)接好電路，使用 12 V學(xué)生穩(wěn)壓電源。在盒子上鉆孔，然后分別插上溫度傳感器。

（4）在電腦上打開蘇威爾實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)，打開數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置每隔 20 秒記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)總時(shí)間為 5 分鐘。設(shè)置圖像生成格式，如圖 4 所示。

（5）閉合加熱的電路開關(guān)，點(diǎn)擊“開始”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器開始采集數(shù)據(jù)，電腦軟件開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后生成記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 4 所示。

（6）完成實(shí)驗(yàn)后學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由圖 4 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在第200 秒，煤油升高 20℃，水升高 10℃。由此可見，等質(zhì)量的水和煤油，加熱相同的時(shí)間，吸收相等的熱量，煤油升高的溫度是水的 2 倍。這樣嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)得到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了水的比熱容是煤油比熱容的 2 倍的結(jié)論。

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）分別將水和煤油裝入密封塑料盒，再放進(jìn)塑料桶中減小了空氣流動(dòng)，底座又是泡沫塑料，極大地減小了散熱，使測(cè)量更準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)誤差更小。

（2）使用相同的電熱絲串聯(lián)作為加熱器，保證在相等的時(shí)間內(nèi)兩種液體吸收的熱量相同。而且電熱絲完全浸沒，在液體中分布均勻，使液體受熱均勻。

（3）使用溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器可以使讀數(shù)更準(zhǔn)確，采集的數(shù)據(jù)更多，得出的結(jié)論更有說服力。

三、小結(jié)

實(shí)驗(yàn)一縮短了實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間，使教師對(duì)課堂掌控自如。實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作也簡(jiǎn)單易行，學(xué)生的獨(dú)立簡(jiǎn)便操作。這既能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制變量法的運(yùn)用，又能鍛煉中學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，點(diǎn)燃了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。使“比熱容”概念的建立，成為了順理成章的事情。

實(shí)驗(yàn)二強(qiáng)化了控制變量法的運(yùn)用，通過減小散熱方法的設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，知道科學(xué)實(shí)驗(yàn)要精益求精，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法減小誤差。對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和討論，培養(yǎng)了學(xué)生數(shù)據(jù)分析的能力。

借助傳感器和數(shù)據(jù)處理軟件，師生獲取了大量真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，新的概念就不再是教師空洞的說教，而是來自學(xué)生真實(shí)的操作體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。這就加深了學(xué)生對(duì)“比熱容”概念的理解，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，增強(qiáng)教學(xué)的有效性。

電與熱相結(jié)合，提前為學(xué)生將來焦耳定律的學(xué)習(xí)埋下伏筆。本套實(shí)驗(yàn)設(shè)備也可以針對(duì)焦耳定律做定量的實(shí)驗(yàn)研究。

（責(zé)編 盧建龍）