比熱容概念的建立及實驗的創新教學設計

高麗娜

(東沙湖實驗中學,江蘇 蘇州 215127)

文章基于培養學生核心素養的要求,從實驗分析、改進實驗探究方案,引導學生動手并仔細觀察實驗現象,定量分析和處理實驗數據的環節去讓學生深刻認識、理解比熱容概念,進而突破教學難點.以下是筆者的教學環節.

1 教學目標

理解比熱容的概念、單位等,知道比熱容是物質的一種物理屬性;理解比熱容概念的建構過程,并且知道比熱容和哪些物理量有關,并在實驗探究環節中掌握轉換法、控制變量法等研究方法,體會合作探究的科學精神;利用比熱容知識去解釋生活中常見的現象.

2 教學重難點

比熱容概念的建構過程;引導學生數據的分析,知道比熱容與哪些物理量有關,進而得出比熱容的公式.

3 實驗器材

鐵架臺、燒杯、石棉網、玻璃棒、秒表、酒精燈、電子溫度計、水、煤油、溫度傳感器、電加熱器、天平、蠟燭、氣球等.

4 教學過程

課堂引入:視頻連線遠在海南度假的友人,幫助她解決在海南海邊遇到的疑惑.

海南友人視頻中提問:白天中午,同是一個太陽照射,沙子和水都要吸收熱量,由于照射的時間是相同的,那么它們吸收的熱量就是相同的,吸收熱量后它們的溫度都要升高.但是最后發現沙子的溫度比海水的溫度要高,你覺著是什么原因呢?

引出問題:為什么海水和沙子在同一時刻的溫度不一樣呢?(同時提示,物體吸收熱量溫度才會上升)

引導學生猜想與假設:可能是吸收相同的熱量沙子吸熱升溫比水快.

教師:也就是說不同物質吸收相同的熱量升溫快慢是不相同的,那我們就以水和煤油為例,來探究下不同物質的吸熱升溫情況.

教師引導實驗方案設計:

教師:想要驗證猜想是否正確,就要設計一個實驗方案來研究.首先要考慮兩個問題:

(1)如何讓水和煤油升溫呢?

(2)如何比較水和煤油吸熱升溫的快慢?

學生小組活動討論兩個問題并分享:用兩個相同的酒精燈分別對水和煤油加熱,此時控制加熱方式是相同的.比較水和煤油升溫的快慢有兩種方法:一種是相同時間比較水和煤油升高的溫度;另一種是升高相同的溫度比較加熱時間,兩種方法是等效的.本實驗中采用的是加熱相同時間,比較升高的溫度.由于熱源相同,加熱時間相同,就代表相同時間內吸收的熱量是相同的.所以加熱時間的長短就代表吸收熱量的多少,此處應用了轉換法的思想.

另外提醒學生思考:除了控制加熱方式和加熱時間相同外,還需要控制什么相同?此時教師進行引導:家里水壺燒水的過程中,在熱源相同時,一壺水和半壺水哪個更容易燒開?

學生思考并討論得出:半壺水容易燒開,由于半壺水的質量少,所以得出物質質量的多少也會影響吸收的熱量,還應該控制質量相同.

最終得出:本實驗中需要控制熱源相同,加熱時間相同,水和煤油的質量相同,應用了控制變量法的思想.

實驗器材的改進:

(1)本實驗用煤油來替代沙子,煤油受熱更容易均勻;

(2)用電子溫度計來替代實驗室溫度計,讀數更加準確.

稱量質量相等的水和煤油如圖1,利用改進后的實驗裝置進行實驗如圖2:

圖1 實驗示意圖 圖2 實驗示意圖

學生進行實驗得到的圖像并進行數據分析如圖3.

圖3 實驗圖像

分析得到:

(1)質量相等的水和煤油吸收相同的熱量,水升高的溫度少,也就是水升溫慢;

(2)質量相等的水和煤油升高相同的溫度,水需要加熱的時間長,也就是說水的吸熱能力強.

由于學生實驗實驗數據比較局限,只能記錄下幾個時刻的溫度,老師采用了兩個溫度傳感器,它可以連續地反映出各個時刻水和煤油的溫度隨時間的變化情況,并描繪成圖像,實驗裝置如圖4.

圖4 實驗示意圖

具體演示實驗操作過程:將稱量好的質量相等的水和煤油各200 g.把它放在電加熱板上進行加熱,并且把電熱板調到相同的檔位(2檔位),使用電加熱板更易于控制熱源相同,確保水和煤油相同時間內吸收的熱量相同.然后開始實驗觀察電腦上的參數,藍色的溫度代表的是水的溫度,紅色的溫度代表的是煤油的溫度,加熱的時間是4分鐘,得到的實驗數據如圖5.

圖5 實驗圖像

由圖像5可知水和煤油在剛開始的時候溫度幾乎保持不變,由于燒杯還有石棉網是要先進行吸收熱量,所以前一段時間并不是水和煤油吸熱升溫情況,把這一段時間截掉后,就變成了如圖6所示圖像.橫坐標是加熱時間,根據轉換法加熱時間的長短就代表著吸收熱量的多少,可以用吸收熱量Q來表示.縱坐標是溫度t,如果把縱坐標變成溫度的變化量,就是把縱坐標都減去初溫,初溫大概是28攝氏度左右.每一點溫度都減去初溫,那整條線就會向下平移.就得到如圖7所示圖像.在圖像7的基礎上來研究水和煤油的吸熱升溫情況就更直觀.

圖6 實驗圖像

圖7 實驗圖像

讓學生連線海南友人嘗試解釋:白天,沙子的溫度比海水溫度高?而夜晚,海水的溫度卻比沙子高?

學生解釋:白天,質量相等的海水和沙子吸收相同的熱量,水的比熱容大,升溫慢,最終的溫度低;夜晚,質量相等的海水和沙子放出相同的熱量,水的比熱容大,降溫慢,所以溫度高一些.本教學環節設計激發學生解決問題的能力,讓學生意識到學習物理知識是非常重要的,可以解決生活中的許多問題,提高學生對學習物理科學知識的認可度.

最后,讓學生自發提出生活中有關比熱容的現象并解釋,例如:早穿皮襖晚穿紗,圍著火爐吃西瓜的現象、海陸風的成因、發動機冷卻水系統和暖氣管熱水系統等.

教學后記:本節課遵循了學生為主體、教師為主導的教學思想,讓學生從發現問題、猜想與假設、設計并進行實驗、分析與討論結果等科學探究環節去得出比熱容的概念,注重學生的動手和動腦能力的培養,并且在實驗探究過程中多次讓學生合作探究討論,也培養了學生相互合作、互幫互助的科學精神,本節課充分培養了學生的科學素養[2].