沪科版教材“物质的比热容实验探究”的不足与改进

黄启刚

摘   要：教材中探究物质的比热容实验操作难度大，并且存在科学性问题，必须改进实验装置，修改实验步骤、优化记录数据表格，要解决热源和散热问题，更要降低操作难度，增加科学性，本文就这些问题作一些探究。

关键词：教材;探究;实验;改进;比热容

“比热容”是初中热学中最重要的概念之一，也是教学的重点和难点。而“探究物质吸热性质”这个探究实验，让学生通过实验探究，发现物质吸热规律，建立比热容的概念是提高教学效果的关键。沪科版九年级第十三章第二节科学探究物质的比热容这节内容的探究实验──“探究物质吸热性质的实验”，原版教材实验方法是采用两个酒精灯分别对同质量的水和煤油进行加热，使这两种物质升高相同的温度，根据水和煤油吸收热量的多少得出实验结论：相同质量的同种物质，升高相同的温度，吸收的热量相等;相同质量的不同物质，升高相同的温度，吸收的热量不相等，从而说明相同的物质吸热能力相同，不同的物质吸热能力是不同的。按照教材实验操作难度大，并且存在科学性问题，必须进行改进。

1  教材存在的问题

1.1  物质体积不严谨

实验装置图中的两个烧杯的大小相同，烧杯里面的水和煤油的体積也相同的，而水和煤油的密度不同，显然这与控制变量要求的“取相同质量的两种液体”是相矛盾的。

1.2  条件难完全相同

实验器材如图1 所示，要有两个相同的热源和两个相同的烧杯、两支相同的温度计、搅拌器、铁圈和石棉网。规格可以做到相同，但真正要完全相同现实很难做到。

1.3  难以控制吸热相同

要控制相同的酒精灯在相同的时间内放出相同的热量难度大。首先很难做到同时点燃酒精灯;在调节石棉网的高度时很难做到铁圈和石棉网的初温相同;很难调节两个酒精灯的火焰大小相同;也很难保证两个相同的外焰来加热;还要在无风的环境下进行实验。这些客观条件离相同的热源放出相同的热量还有不小差距。

1.4  散热太多

由于容器和相关装置要吸热，对装水和煤油的烧杯直接加热，盛液体的烧杯开口过大，加上烧杯的侧面没有做任何保温处理，也没有加盖，在加热过程中烧杯表面和液体表面过度开放，对外散热明显，又由于水和煤油的汽化速度不同，造成水和煤油对外散热不一致，所以会造成实验误差大，不利于做定量分析[ 1 ]。

1.5  读数难度大

两套装置相隔的间距较大，温度计读数较困难。教材中实验数据表格如表1所示，设置的升高温度的栏目不足，不能直观看出同种物质升高温度与加热时间（吸收热量）的联系。

1.6  结论无可靠依据

教材中没有出现探究相同质量的水升高相同温度所吸收热量的实验操作，但在实验结论中却得出了：“相同质量的同种物质，升高相同的温度，吸收的热量相同”。显然，这个结论来得突然，来得轻率，没有说服力。

教材中在探究物质的比热实验中存在的种种不足，将造成极大的实验误差，令实验结果牵强附会。按照教材的实验探究所给的装置和步骤，笔者对120 g的水和煤油进行加热，经过实验得到如表2的实验数据。

由表中数据粗略估算水的比热容是煤油的1.2倍，这与本节教材中“常见的物质的比热容表”中“水的比热容是煤油的2倍”差距太大。无独有偶，笔者对130 g水和沙子进行加热，得到实验数据如表3。

粗略估算水的比热容是沙子的1.6倍，这个结论与查表得到的水的比热容是砂石的4.6倍更是相去甚远。这种实验结果与科学数据相差太大，如果我们只是在探究实验的反思评估环节用“这是由于实验误差造成的”来搪塞学生，显然是违背科学精神的。物理课程标准明确指出，科学探究既是学生学习内容又是重要的教学方式，科学探究是学生在物理情境中，通过观察现象、分析数据、实验操作、交流与合作等活动培养科学精神、提升科学素养的过程[ 2 ]。而这个探究实验按教材操作很难培养学生严谨求实的科学精神。

2  实验改进措施

沪科版教材中探究物质的吸热性质实验，用相同的热源给相同质量的不同物质加热，比较升高相同温度时吸收热量的多少来反映物质的吸热能力，这在理论上是没问题的，但问题出现在教材提供的实验装置无法保证热源相同、散热相同，以及实验数据和实验结论不够一致上。造成实验的科学性和实验结论的可信度大打折扣。为此笔者将此实验作了如下改进。

2.1  改进实验装置

用一个酒精灯和一个装有热水的大烧杯作为热源，来同时加热两个试管内的水和煤油。通过观察试管内水和煤油在升高相同温度时所吸热的时间来反映物质吸热性质。实验装置如图2所示。

意义分析：这个装置保证了用相同热源在相同的条件下给水和煤油加热，让水和煤油在相同的环境中吸收热量，物质吸收热量多少可从加热时间多少来直接体现，从而解决了加热时间的长短即为水和煤油吸收热量多少的问题。这个装置让两个同规格试管中的水和煤油始终置于装热水的大烧杯内，给两个试管分别盖上瓶塞，对烧杯加热时，两支试管内的水和煤油基本上处于只吸热状态，大大减少了由于散热带来的实验误差。从而很好地解决了热源和散热两个问题。

2.2  改进实验步骤及注意事项

（1） 取相同质量的水和煤油分别倒入两个试管中。按图2组装实验器材。将试管盖上试管塞，要确保塞子与温度计和搅拌器的密封性。

（2）观察并记录加热前两液体的初温，再同时将两试管放入装有热水的烧杯中加热。试管要尽量浸没在热水中，两支试管浸入水中的深度要相同，温度计和搅拌器要尽量减少露在试管塞外的体积。

（3）记录两液体每上升10℃时所加热的时间，加热时，上下反复缓慢地提拉搅拌器，确保试管内水和煤油受热均匀。

（4）将数据填入改进后的表格。

（5）妥善收集好用过的水和煤油，整理好实验器材。

意义分析：试管盖上塞子，确保密封性，让试管尽量浸没在热水中，减小温度计和搅拌器外露体积，都能尽量减少水和煤油的热损失，进一步保证了加热即为吸热。

2.3  优化实验数据表格

从实验结论上看，教材的本意是想通过实验，既探究同一物质吸热性质，又要探究不同物质的吸热性质。但教材在探究过程中没有探究同一物质吸热的实验和收集证据环节，而在认证结论中出现了相同物质吸热性质的结论。针对这一存在的不足，笔者在进行实验与收集证据环节，将原有的数据表格优化成如表4所示。

意义分析：将进行实验与收集证据做的合理化，改进实验记录的表格，改进后的实验记录表格横向比较能得出同种物质的吸热性质;纵向比较能得出不同种物质的吸热性质。

改进后的实验装置解决了热源和散热问题，物质吸收热量的问题就迎刃而解。改进后相同质量的不同物质在升高相同温度时，加热时间基本能反映物质吸收热量的多少。多次试验结果表明，升高相同的温度时，水加热时间每次几乎都是煤油加热时间的两倍。 改进后的实验操作步骤和数据表格，既探究了相同物质的吸热性质，又探究了不同物质的吸热性质，让实验结论与之对应。通过这样的改进让实验结论与探究过程一致，增强了严谨性、科学性。更有助于培养学生严谨求实，尊重客观规律的科学态度。其次简化了实验装置、减少了实验器材，降低了操作难度，缩短了实验时间。能让学生感受到实验探究过程乐趣和成就感。

参考文献：

[1] 黎文艺.比热容实验教学的改进[J].广西教育，2017（22）：140-141.

[2] 夏广平.追求令人满意的探究过程[J].中学物理教学参考，2016（12）：13-15.