滬科版教材“物質(zhì)的比熱容實(shí)驗(yàn)探究”的不足與改進(jìn)

黃啟剛

摘? ?要：教材中探究物質(zhì)的比熱容實(shí)驗(yàn)操作難度大，并且存在科學(xué)性問題，必須改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，修改實(shí)驗(yàn)步驟、優(yōu)化記錄數(shù)據(jù)表格，要解決熱源和散熱問題，更要降低操作難度，增加科學(xué)性，本文就這些問題作一些探究。

關(guān)鍵詞：教材;探究;實(shí)驗(yàn);改進(jìn);比熱容

“比熱容”是初中熱學(xué)中最重要的概念之一，也是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而“探究物質(zhì)吸熱性質(zhì)”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)物質(zhì)吸熱規(guī)律，建立比熱容的概念是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。滬科版九年級第十三章第二節(jié)科學(xué)探究物質(zhì)的比熱容這節(jié)內(nèi)容的探究實(shí)驗(yàn)──“探究物質(zhì)吸熱性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)”，原版教材實(shí)驗(yàn)方法是采用兩個(gè)酒精燈分別對同質(zhì)量的水和煤油進(jìn)行加熱，使這兩種物質(zhì)升高相同的溫度，根據(jù)水和煤油吸收熱量的多少得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：相同質(zhì)量的同種物質(zhì)，升高相同的溫度，吸收的熱量相等;相同質(zhì)量的不同物質(zhì)，升高相同的溫度，吸收的熱量不相等，從而說明相同的物質(zhì)吸熱能力相同，不同的物質(zhì)吸熱能力是不同的。按照教材實(shí)驗(yàn)操作難度大，并且存在科學(xué)性問題，必須進(jìn)行改進(jìn)。

1? 教材存在的問題

1.1? 物質(zhì)體積不嚴(yán)謹(jǐn)

實(shí)驗(yàn)裝置圖中的兩個(gè)燒杯的大小相同，燒杯里面的水和煤油的體積也相同的，而水和煤油的密度不同，顯然這與控制變量要求的“取相同質(zhì)量的兩種液體”是相矛盾的。

1.2? 條件難完全相同

實(shí)驗(yàn)器材如圖1 所示，要有兩個(gè)相同的熱源和兩個(gè)相同的燒杯、兩支相同的溫度計(jì)、攪拌器、鐵圈和石棉網(wǎng)。規(guī)格可以做到相同，但真正要完全相同現(xiàn)實(shí)很難做到。

1.3? 難以控制吸熱相同

要控制相同的酒精燈在相同的時(shí)間內(nèi)放出相同的熱量難度大。首先很難做到同時(shí)點(diǎn)燃酒精燈;在調(diào)節(jié)石棉網(wǎng)的高度時(shí)很難做到鐵圈和石棉網(wǎng)的初溫相同;很難調(diào)節(jié)兩個(gè)酒精燈的火焰大小相同;也很難保證兩個(gè)相同的外焰來加熱;還要在無風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這些客觀條件離相同的熱源放出相同的熱量還有不小差距。

1.4? 散熱太多

由于容器和相關(guān)裝置要吸熱，對裝水和煤油的燒杯直接加熱，盛液體的燒杯開口過大，加上燒杯的側(cè)面沒有做任何保溫處理，也沒有加蓋，在加熱過程中燒杯表面和液體表面過度開放，對外散熱明顯，又由于水和煤油的汽化速度不同，造成水和煤油對外散熱不一致，所以會造成實(shí)驗(yàn)誤差大，不利于做定量分析[ 1 ]。

1.5? 讀數(shù)難度大

兩套裝置相隔的間距較大，溫度計(jì)讀數(shù)較困難。教材中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格如表1所示，設(shè)置的升高溫度的欄目不足，不能直觀看出同種物質(zhì)升高溫度與加熱時(shí)間（吸收熱量）的聯(lián)系。

1.6? 結(jié)論無可靠依據(jù)

教材中沒有出現(xiàn)探究相同質(zhì)量的水升高相同溫度所吸收熱量的實(shí)驗(yàn)操作，但在實(shí)驗(yàn)結(jié)論中卻得出了：“相同質(zhì)量的同種物質(zhì)，升高相同的溫度，吸收的熱量相同”。顯然，這個(gè)結(jié)論來得突然，來得輕率，沒有說服力。

教材中在探究物質(zhì)的比熱實(shí)驗(yàn)中存在的種種不足，將造成極大的實(shí)驗(yàn)誤差，令實(shí)驗(yàn)結(jié)果牽強(qiáng)附會。按照教材的實(shí)驗(yàn)探究所給的裝置和步驟，筆者對120 g的水和煤油進(jìn)行加熱，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到如表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表中數(shù)據(jù)粗略估算水的比熱容是煤油的1.2倍，這與本節(jié)教材中“常見的物質(zhì)的比熱容表”中“水的比熱容是煤油的2倍”差距太大。無獨(dú)有偶，筆者對130 g水和沙子進(jìn)行加熱，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

粗略估算水的比熱容是沙子的1.6倍，這個(gè)結(jié)論與查表得到的水的比熱容是砂石的4.6倍更是相去甚遠(yuǎn)。這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果與科學(xué)數(shù)據(jù)相差太大，如果我們只是在探究實(shí)驗(yàn)的反思評估環(huán)節(jié)用“這是由于實(shí)驗(yàn)誤差造成的”來搪塞學(xué)生，顯然是違背科學(xué)精神的。物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，科學(xué)探究既是學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容又是重要的教學(xué)方式，科學(xué)探究是學(xué)生在物理情境中，通過觀察現(xiàn)象、分析數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)操作、交流與合作等活動培養(yǎng)科學(xué)精神、提升科學(xué)素養(yǎng)的過程[ 2 ]。而這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)按教材操作很難培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。

2? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施

滬科版教材中探究物質(zhì)的吸熱性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，用相同的熱源給相同質(zhì)量的不同物質(zhì)加熱，比較升高相同溫度時(shí)吸收熱量的多少來反映物質(zhì)的吸熱能力，這在理論上是沒問題的，但問題出現(xiàn)在教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置無法保證熱源相同、散熱相同，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論不夠一致上。造成實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可信度大打折扣。為此筆者將此實(shí)驗(yàn)作了如下改進(jìn)。

2.1? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

用一個(gè)酒精燈和一個(gè)裝有熱水的大燒杯作為熱源，來同時(shí)加熱兩個(gè)試管內(nèi)的水和煤油。通過觀察試管內(nèi)水和煤油在升高相同溫度時(shí)所吸熱的時(shí)間來反映物質(zhì)吸熱性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

意義分析：這個(gè)裝置保證了用相同熱源在相同的條件下給水和煤油加熱，讓水和煤油在相同的環(huán)境中吸收熱量，物質(zhì)吸收熱量多少可從加熱時(shí)間多少來直接體現(xiàn)，從而解決了加熱時(shí)間的長短即為水和煤油吸收熱量多少的問題。這個(gè)裝置讓兩個(gè)同規(guī)格試管中的水和煤油始終置于裝熱水的大燒杯內(nèi)，給兩個(gè)試管分別蓋上瓶塞，對燒杯加熱時(shí)，兩支試管內(nèi)的水和煤油基本上處于只吸熱狀態(tài)，大大減少了由于散熱帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。從而很好地解決了熱源和散熱兩個(gè)問題。

2.2? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)

（1） 取相同質(zhì)量的水和煤油分別倒入兩個(gè)試管中。按圖2組裝實(shí)驗(yàn)器材。將試管蓋上試管塞，要確保塞子與溫度計(jì)和攪拌器的密封性。

（2）觀察并記錄加熱前兩液體的初溫，再同時(shí)將兩試管放入裝有熱水的燒杯中加熱。試管要盡量浸沒在熱水中，兩支試管浸入水中的深度要相同，溫度計(jì)和攪拌器要盡量減少露在試管塞外的體積。

（3）記錄兩液體每上升10℃時(shí)所加熱的時(shí)間，加熱時(shí)，上下反復(fù)緩慢地提拉攪拌器，確保試管內(nèi)水和煤油受熱均勻。

（4）將數(shù)據(jù)填入改進(jìn)后的表格。

（5）妥善收集好用過的水和煤油，整理好實(shí)驗(yàn)器材。

意義分析：試管蓋上塞子，確保密封性，讓試管盡量浸沒在熱水中，減小溫度計(jì)和攪拌器外露體積，都能盡量減少水和煤油的熱損失，進(jìn)一步保證了加熱即為吸熱。

2.3? 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

從實(shí)驗(yàn)結(jié)論上看，教材的本意是想通過實(shí)驗(yàn)，既探究同一物質(zhì)吸熱性質(zhì)，又要探究不同物質(zhì)的吸熱性質(zhì)。但教材在探究過程中沒有探究同一物質(zhì)吸熱的實(shí)驗(yàn)和收集證據(jù)環(huán)節(jié)，而在認(rèn)證結(jié)論中出現(xiàn)了相同物質(zhì)吸熱性質(zhì)的結(jié)論。針對這一存在的不足，筆者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)環(huán)節(jié)，將原有的數(shù)據(jù)表格優(yōu)化成如表4所示。

意義分析：將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)做的合理化，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)記錄的表格，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)記錄表格橫向比較能得出同種物質(zhì)的吸熱性質(zhì);縱向比較能得出不同種物質(zhì)的吸熱性質(zhì)。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置解決了熱源和散熱問題，物質(zhì)吸收熱量的問題就迎刃而解。改進(jìn)后相同質(zhì)量的不同物質(zhì)在升高相同溫度時(shí)，加熱時(shí)間基本能反映物質(zhì)吸收熱量的多少。多次試驗(yàn)結(jié)果表明，升高相同的溫度時(shí)，水加熱時(shí)間每次幾乎都是煤油加熱時(shí)間的兩倍。 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作步驟和數(shù)據(jù)表格，既探究了相同物質(zhì)的吸熱性質(zhì)，又探究了不同物質(zhì)的吸熱性質(zhì)，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)論與之對應(yīng)。通過這樣的改進(jìn)讓實(shí)驗(yàn)結(jié)論與探究過程一致，增強(qiáng)了嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性。更有助于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。其次簡化了實(shí)驗(yàn)裝置、減少了實(shí)驗(yàn)器材，降低了操作難度，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。能讓學(xué)生感受到實(shí)驗(yàn)探究過程樂趣和成就感。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黎文藝.比熱容實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)[J].廣西教育，2017（22）：140-141.

[2] 夏廣平.追求令人滿意的探究過程[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（12）：13-15.