基于物理学史的比热容教学

摘 要：比热容概念是初中物理难度最大的概念之一，教师在教学中感觉教得困难，学生学得困难。从物理学史的角度去挖掘比热容概念建立的过程并向学生介绍，可以大大降低教学难度。

关键词：物理学史；比热容；比热

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）10-0068-2

国内几个版本的教材对于比热容教学的引入，基本上都是采用觀察到夏天中午沙滩的温度比海水的温度高，提出问题“为什么同样在阳光的照射下，沙滩和海水的温度却不一样呢？”然后，利用相同的热源加热质量相等的不同物质，在相同加热时间的情况下，比较升温的多少，从而引入比热容。在实验的过程中，老师一再强调用了控制变量法和转换法，重点放在了实验的设计上，弱化了概念建立的完整过程。这种教学最后导致学生对比热容的概念只是死记硬背，理解不深刻。那么，比热容的概念到底是在什么情况下产生的呢？

笔者在8年级的教学中曾经向学生介绍了比重的规定：干燥物体完全密实（没有孔隙）的重量和同体积的纯水在4 ℃时的重量之比。例如，金子的比重是19.3，水银的比重是13.55。它是无量纲量，即比重是无单位的值。

人们在生活中还发现物体的质量与体积成正比，即

m∝V

如果比例系数用ρ表示，上式可以写成m=ρV。

进行数学变换后可以得到

ρ=m/V

这样，ρ的量纲就是g/cm3，从而引入了密度的概念。

当然，牛顿在《自然哲学原理》一书中，定义质量等于物质的密度乘以体积。

自从伽利略自1593年制造第一支温度计以来，100多年间，人们虽然早已普遍地使用了温度计，但却不知道温度计所指示的究竟是温度还是热量。那时，科学家还没能把温度和热量这两个概念区分开来。当时的人们把温度计叫做“量热计”，以为从温度计上所测得的量是“热的量”。直到18世纪中叶，英国科学家约瑟夫·布莱克从蒸馏酒厂的蒸馏过程中得到启发，他观察到在蒸馏的过程中，虽然不断地对液体加热，但液体中的温度计所指示的标度却始终不变。这个现象，许多人都熟视无睹，但布莱克却觉得奇怪并提出问题，这是怎么回事？如果温度计所指示的是热的量，为什么不断地对液体加热，但温度计的标度却始终不变呢？这个问题激励他进行了许多研究。他把32 ℉（即0 ℃）的一块冰和172 ℉（即77.8 ℃）的同重量的水混合起来，按照里赫曼公式计算出应该是102 ℉。但布莱克实验的结果，测得的温度计的标度仍然为32 ℉。于是，他又提出问题：如果温度计所指示的是“热”，那么原来的冰有32 ℉热，然后加上了172 ℉热的水，结果仍只有32 ℉热，这是不可思议的。所有这些问题和现象终于使他悟出一个道理：热量和温度是两回事；温度计所指示的是温度（他最初称之为“热的强度”），而不是热量。从而也就改变了人们以往的“量热术”的观念。然而，真正意义上的“热量”是如何测定的呢？这个新意义上的“量热术”竟成为了科学中的真正难题。

布莱克在热质说观念的指导下，反反复复进行了许多实验，终于发现以下关系：

第一，把一定量的物质加热，发现：若要使物体的温度上升愈多，则它所需要的“热的量”也愈多。一般来说，它们成正比关系，

Q∝（t1-t0）

其中，Q为使物体升温所需要的“热量”。

第二，把同样的物质加热到相同的温度，物体所需要的“热的量”，与物体的重量（实际上应为“质量”）成正比，即

Q∝m·Δt

第三，把温度相等的同样重量的不同物质加热升温到相同的温度，发现：这些不同的物质所需要的热量是不同的。

在这些关系的基础上，布莱克发现，热量可以用下面这个公式表示出来，即

Q=c·m·（t1-t0）

其中，c是一个比例系数，对于不同的物质它的值是不同的。布莱克把这个比例系数叫做比热。它是无量纲量，即比热是无单位的值。

他还引进“卡路里”（规定：使重量为1 g的水从14.5 ℃升高到15.5 ℃吸收的“热的量”为1卡路里，计作15 ℃卡，后来写成“卡”）。用这一术语来描述他所说的“热的量”（即“热量”）的单位。由此，可以发现水的比热是1，其他物质1 g升高1 ℃所需要的热量与等重量的水升高相同温度所吸收热量的比值就叫做该物质的比热。所以，比热是一个纯比值，没有单位。（如果我们在初二的时候能给学生介绍比重的概念，现在就可以类比一下了。）

由上式可以变形得到c=，这样根据量纲，比热容c的单位就是J/（kg·℃），c=1K/（g·℃）=1 000 K /（kg·℃）。后来焦耳测定了热功当量1 K=4.2 J，所以，水的比热容等于4 200 J/（kg·℃）。

纵观比热容概念的建立过程，我们发现，教材上所谓的引入和实验过程也只是揭示了布莱克当年发现的“第三点”。而比热容概念的建立是源于布莱克根据日常生活中的现象和测量同时发现了“三点”结论，并结合热量单位的规定才建立的。它本来只是一个比例系数，只是人为地赋予了它新的内涵。

当我们把比热容概念建立的历史向学生介绍到此的话，学生应该对比热容就有了深刻的认识，回过头再来做课本上的实验，将进一步加深学生对比热容概念的理解。

作为中学老师，我们需要去研究物理学史，从历史的角度分析概念建立的过程，这样自己认识清楚了，自己的教学也就有了一定的高度，教学效果自然也就好了。给学生一杯水，自己要有一池水。

参考文献：

[1]刘炳昇，等.义务教育课程标准实验教科书 物理（九年级上册）[M].南京：江苏科技出版社，2013.

[2]林定夷.科学哲学：以问题为导向的科学方法论[M].广州：中山大学出版社，2009.

[3]朱文军.比热容教学的深度备课[J].物理教学，2014，34（12）：32-34，43.

（栏目编辑 邓 磊）endprint