基于DIS自制物質的比熱容探究儀①

朱峰磊

(江蘇省江陰市華西實驗學校，江蘇 無錫 214400)

1 引言

2021年江蘇省基礎教育青年教師教學基本功大賽(初中物理)首次增設了應用數字化實驗技能比賽的題目，南京師范大學劉炳昇教授在閉幕式上作了題為《關于初中物理數字化實驗建設的一點想法》的報告，關于利用DIS優化初中物理實驗教學，劉教授提出3條建議：(1) 根據時代信息化發展的要求，引入數字化實驗系統；(2) 優化實驗教學結構，強化數字化實驗研發；(3) 根據課程內容綜合化的需求，開發系列數學化實驗。筆者就利用DIS優化“物質的比熱容”實驗，談一談具體做法。

關于物質的比熱容，《義務教育物理課程標準(2011年版)》的要求為：通過實驗，了解比熱容，嘗試用比熱容說明簡單的物理現象。比熱容是利用比值定義法得出的概念之一。“比熱容”又不同于“速度”“密度”和“壓強”等由兩個不同物理量之比得出的物理概念，“比熱容”概念的建構要兼顧“熱量”“質量”和“升高的溫度”，所以它是初中物理中最難理解的物理概念之一。

針對比熱容概念較難理解的特點，基于物理學科核心素養的概念教學要求，提出以下策略。

2 源于生活，創設情境

情境創設對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用，物理概念的建立需要創設情境。學生在學習概念之前，基于生活經驗已經形成了大量的經驗性常識，在此基礎上建構物理概念，必須對所觀察的現象重新加工，在實驗中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質特征，完成從經驗性常識向物理概念的轉變。在此過程中，教師應促進學生科學思維的發展。

蘇科版教材創設了以下情境：初夏，小明和小華去海邊游玩。中午，他們赤腳走在海邊的沙灘上，覺得沙子很燙；當他們跳進海水中時，卻覺得海水較涼。同樣都是在太陽光照射下，為什么海水和沙子的溫度不一樣呢？

地球表面70%的面積被水覆蓋、其余30%面積為土壤、巖石、砂礫等物質，因此教材編者以沙灘、海水吸熱升溫差異這一生活情境來引入比熱容的課題。該現象來源于生活，對比鮮明，能引起學生的認知沖突，激發學生的求知欲。

3 對比教材，實驗探究

科學探究是建立物理模型的基礎，是培養學生科學思維的載體，是形成物理觀念的途徑。教材中的實驗裝置如圖1所示，筆者結合教材情境設置，對比教材的實驗和筆者的創新實驗設計(表1)。

圖1

表1

2.1 受熱的物質

采用“沙灘、海水”引入課題，源于真實情境，符合學生的認知特點。為了培養科學探究實事求是的精神，受熱物質選擇“沙子和水”，用“沙子和水”來模擬“沙灘和海水”。

2.2 熱源

(1) 使用酒精燈的缺點

蘇科版教材中采用酒精燈做實驗無法保證熱源完全相同，無法保證在相同時間內放出的熱量相等，因此也很難保證兩種物質在相同時間內吸收的熱量相等。

(2) 使用雙燈泡浴霸的優點

為了更好地模擬海邊沙灘的陽光，采用浴霸照射的方式替代酒精燈加熱，更符合生活情境。浴霸燈本是用于人體加熱的設備，溫度遠低于酒精燈火焰溫度，更安全。采用如圖2所示的雙燈泡浴霸(每個浴霸燈的額定功率均為275 W)能做到加熱功率不變，同時控制浴霸照射沙子和水的角度和距離均相等，保證兩種物質在相同時間內吸收相同的熱量，使探究實驗更具有科學性。

圖2

2.3 攪拌方式

為了使沙子受熱均勻，需要采用玻璃棒攪拌的方法。其缺點為：由于用酒精燈加熱的容器溫度較高，用玻璃棒攪拌時，固定容器的難度較大，放在石棉網上的裝沙容器易發生晃動、傾倒等意外，且容器中的沙子很難做到受熱均勻。用玻璃棒攪拌沙子或水的過程中，不能用力太大，否則會損壞溫度計。

使用翻滾式攪拌時，先將兩容器粘合固定，將等質量的沙子和水放入密閉透明容器中，采用轉動手柄使容器翻滾的方式對沙子和水進行攪拌，類似于糖炒栗子機的攪拌方式(圖3)。其優點為：同一位操作者轉動手柄，保證兩容器轉速相同，使沙子和水攪拌速度完全相同。為了防止兩容器在攪拌時發生位置偏離，將其卡在木制凹槽內，確保裝沙和裝水的容器不滾離浴霸正下方的位置，使沙和水接受到的光照強度相同。攪拌時由于容器密閉不會發生傾倒、物質溢出等意外，實驗更加安全、易操作。敞口容器不能避免水的蒸發，導致初溫不同，而密閉容器能防止水的蒸發，避免因為蒸發吸熱降溫對實驗的影響。

圖3

2.4 測溫工具

(1) 使用普通溫度計的缺點

教材實驗設計中溫度測量采用實驗室溫度計，按照學生讀數習慣，一次正確讀數所花時間一般為5～10 s，沙子受熱時溫度升高較快，一方面沙子要比較干燥而且要不斷攪拌使其均勻受熱，另一方面實驗小組內的同學要相互配合，及時記錄相關數據，讀數時間過長會影響實驗結果的準確性。

(2) 使用溫度傳感器的優點

筆者采用螺旋金屬絲和透明吸管組合固定測溫探頭，將溫度傳感器探頭固定于容器內中心位置，保證在翻滾攪拌過程中測溫探頭不接觸容器側壁和底部。通過電子溫度計顯示器能讀出被加熱物質的即時溫度(圖4)，或通過DIS軟件能讀出即時溫度并生成溫度隨時間變化的數據表格和圖像。

圖4

3 得出規律，建立模型

分別取質量為300 g的沙子和水，分別裝入兩只相同容器中。為了減少環境溫度對實驗的影響，在受熱物質上罩上透明容器，在底部鋪上了反光膜增加了吸熱效率(圖5)。

圖5

同時打開功率都為275 W的兩個浴霸燈加熱，加熱的同時轉動手柄翻滾攪拌沙子和水，測溫軟件設置每10 s間隔采集一組溫度數據，記錄溫度數據(表3)并生成溫度-時間圖像(圖6)。

表3

圖6

通過數據和圖像，進行科學推理和科學論證，比較得出不同物質吸熱升溫的特點。

結論1：等質量的沙子和水吸收相同的熱量，沙子升溫更高。

結論2：等質量的沙子和水升高相同的溫度，水吸熱更多。

通過上述實驗探究沙子和水的吸熱升溫特點，在課堂實驗教學中使用溫度傳感器和測溫軟件，結合多媒體將測得的溫度數據和溫度圖像，實時呈現在全體學生面前。整個實驗過程安全、實驗現象明顯、實驗數據記錄準確。通過對實驗的改進，讓學生經歷了整個科學探究的過程，比熱容概念的建立更順利。結合日常生活情境，通過科學探究，學生自主建構了比熱容概念。

5 結語

數字化具有信息技術發展的時代特征，在物理教學中引入數字化實驗有利于拓寬學生的知識來源渠道，提升信息技術素養。隨著5G、人工智能等技術的發展、智能手機的普及，學生對信息化技術的應用已經不再陌生。我們教師更有充分的理由，應用數字化手段服務于物理實驗教學，改進實驗教學，培養學生的物理學習興趣。利用DIS優化初中物理實驗教學是從真實情境出發，以教材實驗為基礎，結合新技術、新方法開展物理實驗教學，培養學生的核心素養。