比热容概念的建立及实验的创新教学设计

摘 要：比热容这个概念是初中阶段最为复杂的物理概念之一，该概念的建立采用比值法，但是又不同于以往的两个物理量的比值，比热容涉及三个物理量的比值，在概念建立的时候具有一定难度，苏科版教材中比热容概念的建立是通过探究沙子和水的吸热升温快慢来研究的.文章从实验环节的改进以及实验数据的处理来突破比热容概念的建构，进而加强学生对比热容概念的理解以及应用.

关键词：比热容;概念建构;实验创新

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1008-0333（2023）23-0103-03

收稿日期：2023-05-15

作者简介：高丽娜（1991.4-），女，黑龙江省齐齐哈尔人，硕士，中学一级教师，从事初中物理教学研究.

文章基于培养学生核心素养的要求，从实验分析、改进实验探究方案，引导学生动手并仔细观察实验现象，定量分析和处理实验数据的环节去让学生深刻认识、理解比热容概念，进而突破教学难点.以下是笔者的教学环节.

1 教学目标

理解比热容的概念、单位等，知道比热容是物质的一种物理属性;

理解比热容概念的建构过程，并且知道比热容和哪些物理量有关，并在实验探究环节中掌握转换法、控制变量法等研究方法，体会合作探究的科学精神;

利用比热容知识去解释生活中常见的现象.

2 教学重难点

比热容概念的建构过程;

引导学生数据的分析，知道比热容与哪些物理量有关，进而得出比热容的公式.

3 实验器材

铁架台、烧杯、石棉网、玻璃棒、秒表、酒精灯、电子温度计、水、煤油、温度传感器、电加热器、天平、蜡烛、气球等.

4 教学过程

课堂引入：视频连线远在海南度假的友人，帮助她解决在海南海边遇到的疑惑.

海南友人视频中提问：白天中午，同是一个太阳照射，沙子和水都要吸收热量，由于照射的时间是相同的，那么它们吸收的热量就是相同的，吸收热量后它们的温度都要升高.但是最后发现沙子的温度比海水的温度要高，你觉着是什么原因呢？

引出问题：为什么海水和沙子在同一时刻的温度不一样呢？（同时提示，物体吸收热量温度才会上升）

引导学生猜想与假设：可能是吸收相同的热量沙子吸热升温比水快.

教师：也就是说不同物质吸收相同的热量升温快慢是不相同的，那我们就以水和煤油为例，来探究下不同物质的吸热升温情况.

教师引导实验方案设计：

教师：想要验证猜想是否正确，就要设计一个实验方案来研究.首先要考虑两个问题：

（1）如何让水和煤油升温呢？

（2）如何比较水和煤油吸热升温的快慢？

学生小组活动讨论两个问题并分享：用两个相同的酒精灯分别对水和煤油加热，此时控制加热方式是相同的.比较水和煤油升温的快慢有两种方法：一种是相同时间比较水和煤油升高的温度；另一种是升高相同的温度比较加热时间，两种方法是等效的.本实验中采用的是加热相同时间，比较升高的温度.由于热源相同，加热时间相同，就代表相同时间内吸收的热量是相同的.所以加热时间的长短就代表吸收热量的多少，此处应用了转换法的思想.

另外提醒学生思考：除了控制加热方式和加热时间相同外，还需要控制什么相同？此时教师进行引导：家里水壶烧水的过程中，在热源相同时，一壶水和半壶水哪个更容易烧开？

学生思考并讨论得出：半壶水容易烧开，由于半壶水的质量少，所以得出物质质量的多少也会影响吸收的热量，还应该控制质量相同.

最终得出：本实验中需要控制热源相同，加热时间相同，水和煤油的质量相同，应用了控制变量法的思想.

实验器材的改进：

（1）本实验用煤油来替代沙子，煤油受热更容易均匀；

（2）用电子温度计来替代实验室温度计，读数更加准确.

称量质量相等的水和煤油如图1，利用改进后的实验装置进行实验如图2：

学生进行实验得到的图像并进行数据分析如图3.

分析得到：

（1）质量相等的水和煤油吸收相同的热量，水升高的温度少，也就是水升温慢；

（2）质量相等的水和煤油升高相同的温度，水需要加热的时间长，也就是说水的吸热能力强.

由于学生实验实验数据比较局限，只能记录下几个时刻的温度，老师采用了两个温度传感器，它可以连续地反映出各个时刻水和煤油的温度随时间的变化情况，并描绘成图像，实验装置如图4.

具体演示实验操作过程：将称量好的质量相等的水和煤油各200 g.把它放在电加热板上进行加热，并且把电热板调到相同的档位（2档位），使用电加热板更易于控制热源相同，确保水和煤油相同时间内吸收的热量相同.然后开始实验观察电脑上的参数，蓝色的温度代表的是水的温度，红色的温度代表的是煤油的温度，加热的时间是4分钟，得到的实验数据如图5.

由图像5可知水和煤油在刚开始的时候温度几乎保持不变，由于烧杯还有石棉网是要先进行吸收热量，所以前一段时间并不是水和煤油吸热升温情况，把这一段时间截掉后，就变成了如图6所示图像.横坐标是加热时间，根据转换法加热时间的长短就代表着吸收热量的多少，可以用吸收热量Q来表示.纵坐标是温度t，如果把纵坐标变成温度的变化量，就是把纵坐标都减去初温，初温大概是28摄氏度左右.每一点温度都减去初温，那整条线就会向下平移.就得到如图7所示图像.在圖像7的基础上来研究水和煤油的吸热升温情况就更直观.

深入研究图像7，水和煤油的这两个图像都是过原点的，并且读取误差以外，近似都是一条直线.在数学上一条过原点的直线就是正比例函数，那它的纵坐标除以横坐标就是一个常数，当然横坐标与纵坐标的比值也是一个常数，也就是说Q/△t是一个常数.Q/△t就可以表示成物质升高单位摄氏度所吸收的热量，除以质量m，那整个这一项Q/△t·m就还是一个定值.再观察图像7中的两条线，它们的倾斜程度不同，Q/△t的比值就一定不同，又由于除以相同的质量m，所以Q/△t·m比值就是不同，这个不同的比值就反映了物质的种类不同，所以说这个比值与物质的种类有关.当质量和升高的温度相同时，Q/△t·m这个比值越大，就代表吸收的热量就越多，也就代表吸热本领越强.所以这个比值不仅与物质的种类有关，还可以表示物质的吸热本领的强弱^［1］.此时就可以顺利地引出比热容的概念、公式、单位以及物理意义等知识点.

让学生连线海南友人尝试解释：白天，沙子的温度比海水温度高？而夜晚，海水的温度却比沙子高？

学生解释：白天，质量相等的海水和沙子吸收相同的热量，水的比热容大，升温慢，最终的温度低；夜晚，质量相等的海水和沙子放出相同的热量，水的比热容大，降温慢，所以温度高一些.本教学环节设计激发学生解决问题的能力，让学生意识到学习物理知识是非常重要的，可以解决生活中的许多问题，提高学生对学习物理科学知识的认可度.

最后，让学生自发提出生活中有关比热容的现象并解释，例如：早穿皮袄晚穿纱，围着火炉吃西瓜的现象、海陆风的成因、发动机冷却水系统和暖气管热水系统等.

教学后记：本节课遵循了学生为主体、教师为主导的教学思想，让学生从发现问题、猜想与假设、设计并进行实验、分析与讨论结果等科学探究环节去得出比热容的概念，注重学生的动手和动脑能力的培养，并且在实验探究过程中多次让学生合作探究讨论，也培养了学生相互合作、互帮互助的科学精神，本节课充分培养了学生的科学素养^［2］.

参考文献：

［1］  石凌燕.《比热容》教学设计［J］.中学物理，2016，8（34）：42-43.

［2］ 康家美，董振邦，胡琥.比热容实验创新设计：突破实验设计建构比热容概念［J］.中学物理，2019，1（37）：27-28.

［责任编辑：李 璟］