淺析探究物質(zhì)比熱容實(shí)驗(yàn)中水浴法失敗的原因

孫東振

(廈門市海滄區(qū)東孚中學(xué) 福建 廈門 361000；吉木薩爾縣第一中學(xué) 新疆 昌吉 831700)

周金滿

(廈門市海滄區(qū)東孚中學(xué) 福建 廈門 361000)

1 提出問(wèn)題

水浴法在初中階段的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常常見(jiàn)，其特點(diǎn)也非常突出，可以使被加熱物體受熱均勻.實(shí)驗(yàn)探究物質(zhì)的比熱容，是初中物理比較重要的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也是一個(gè)比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，很多的文獻(xiàn)資料、學(xué)生輔導(dǎo)材料和試題中對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)都提出了改進(jìn)方法.其中有很多有價(jià)值的方法，但也有一些沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，存在很大缺陷的方法，其中采用水浴法加熱就是常見(jiàn)的改進(jìn)方式.

例如發(fā)表在某雜志上的題為“基于學(xué)生核心素養(yǎng)達(dá)成的物理概念教學(xué)——以滬科版九年級(jí)比熱容一課為例”的論文中，作者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用了同一個(gè)酒精燈同時(shí)對(duì)水和煤油進(jìn)行水浴加熱，以保證在相同的時(shí)間吸收的熱量相同，但作者沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程.究竟這種改進(jìn)方法效果怎么樣，還需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[1].

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了提高實(shí)驗(yàn)效率，筆者使用了實(shí)驗(yàn)室中的DISLab溫度傳感器來(lái)代替溫度計(jì)，實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，然后將溫度變化圖像顯示在計(jì)算機(jī)軟件中.另外按照水浴法的加熱方法，將等質(zhì)量的水和煤油裝入兩只試管，然后放入一個(gè)裝水的大燒杯中.裝置如圖1所示.

圖1 水浴法加熱

燒杯中使用初溫約80 ℃的水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在加熱一段時(shí)間之后，酒精燈傳遞的熱量與水散失的熱量相當(dāng)時(shí)，水的溫度達(dá)到平衡，保證水浴加熱時(shí)熱源溫度相對(duì)穩(wěn)定.然后將兩支試管放入水中，加熱一段時(shí)間，實(shí)驗(yàn)圖像如圖2所示.

圖2 水浴法升溫線

很明顯實(shí)驗(yàn)圖像和理想的圖像差別很大，主要存在兩個(gè)問(wèn)題，一是煤油的升溫速度在后期明顯比水要慢，這和水的吸熱能力比煤油強(qiáng)相矛盾；二是兩條溫度線都是明顯的曲線，這和物質(zhì)吸收熱量公式Q=cmΔT明顯不符.這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生很大的困惑，顯然不能用于比熱容實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)，那問(wèn)題究竟出在哪呢？

3 實(shí)驗(yàn)分析與改進(jìn)

從熱傳遞的3種方式入手，水浴法加熱屬于熱傳導(dǎo)，其熱流量可以表示為

(1)

其中λ是熱傳導(dǎo)系數(shù)[2]，為簡(jiǎn)化研究，我們只關(guān)注試管與熱源水交界面的熱傳導(dǎo)，在試管壁厚度一定的條件下，則由式(1)可以得到

Φ∝-λAΔT

(2)

由式(2)可以看出，水浴法的熱流量與燒杯中的水和試管之間的溫度差ΔT以及它們之間的接觸面積A成正比.在加熱的過(guò)程中，由于溫差變得越來(lái)越小，會(huì)使得熱流量變小，也就是在相等的時(shí)間內(nèi)，傳遞的熱量會(huì)越來(lái)越少，加上水溫和試管的溫差本來(lái)就很小，所以導(dǎo)致水浴法升溫線是一條逐漸變緩的曲線.而對(duì)比裝水的試管，裝煤油的試管與外界水的溫差會(huì)降得更快，熱流量降得也會(huì)更快，所以會(huì)出現(xiàn)后期煤油的升溫速率比水的升溫速率還要慢.

作為改進(jìn)，可以選用紅外加熱爐進(jìn)行加熱，如圖3所示，將裝有等質(zhì)量的水和煤油的試管放入事先預(yù)熱好的加熱爐中進(jìn)行加熱，得到的溫度圖像如圖4所示.

圖3 紅外加熱爐加熱

圖4 紅外加熱升溫線

圖中水和煤油的升溫線都近似于一條直線段，而且可以很明顯地看到煤油的升溫速度比水的升溫速度快，說(shuō)明水的比熱容比煤油的比熱容大，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，課堂效果也很好.

4 兩種加熱方式對(duì)比

使用紅外加熱爐進(jìn)行加熱屬于熱輻射傳熱，一般物體輻射的熱流量

Φ=εσAT4

(3)

式(3)中ε是一般物體的輻射率，其值小于1，取決于物體自身的材料種類，σ是玻爾茲曼常數(shù)[2].兩個(gè)物體之間的輻射換熱熱流量取決于這兩個(gè)物體之間輻射熱流量的差值，即

(4)

式(4)中絕對(duì)溫度T是加熱過(guò)程中唯一的變量.

(5)

式(5)中ΔT0是初始狀態(tài)試管內(nèi)外表面液體的溫度差，用計(jì)算機(jī)繪出水浴法加熱熱流量的穩(wěn)定度如圖5所示.

圖5 水浴法熱流量穩(wěn)定度

由圖5可以看出，水浴法加熱過(guò)程中，隨著試管的溫度升高，溫差減小，熱流量會(huì)顯著減小，直到達(dá)到熱平衡，熱流量變?yōu)榱?

作為對(duì)比，采用紅外加熱爐加熱時(shí)，由于加熱爐只有頂部小面積開(kāi)口，我們可以簡(jiǎn)化認(rèn)為試管被加熱爐完全包圍，加熱爐的輻射面積大于試管的輻射面積，但作為估算可忽略試管和加熱爐輻射率以及輻射面積的差別，并且認(rèn)為試管內(nèi)液體與試管壁處于熱平衡狀態(tài).討論紅外加熱爐的溫度分別穩(wěn)定在600 K,800 K和1 000 K這3種情況，被加熱試管溫度變化300～380 K時(shí)，加熱爐與試管之間的輻射換熱熱流量式(4)可以簡(jiǎn)化為

(6)

遠(yuǎn)紅外加熱爐的熱流量穩(wěn)定度可以表示為

(7)

圖6 紅外加熱熱流量穩(wěn)定度

由圖6我們可以看出，紅外加熱爐加熱時(shí)的熱流量穩(wěn)定度基本保持在0.9～1之間，而且使用的溫度檔越高，熱流量越穩(wěn)定.

5 總結(jié)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水浴法加熱是一種熱流量不夠穩(wěn)定的加熱方式，其并不適用于探究物質(zhì)比熱容的實(shí)驗(yàn)，作為改進(jìn)，利用紅外加熱爐進(jìn)行加熱是非常理想的加熱方式,同時(shí)也適用于需要穩(wěn)定熱流量加熱的實(shí)驗(yàn).另外，在物理教學(xué)過(guò)程中，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不能夠只停留在紙面，需要引導(dǎo)學(xué)生多動(dòng)手實(shí)踐，特別是初中階段，學(xué)生正處在科學(xué)觀念形成的關(guān)鍵時(shí)期，多引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，敢于質(zhì)疑、勇于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，才能在教學(xué)中讓物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)真正落地.