从冰的熔解热看物理实验教与学中存在的问题

张春玲，唐 蕾，钱 钧，孙 骞，宋 峰

（1.南开大学物理科学学院，天津300071；2.武警后勤学院数理教研室，天津300162）

1 引 言

2011年天津市中学生物理奥赛10月在南开大学举办.竞赛分为理论考试和实验考试两部分.实验考试部分要求考生在3h内完成1个力热实验、1个电磁实验和1个光学实验.由于热学是物理学的一个重要分支，而目前中学物理中的热学内容相对较少，因此我们希望通过设立热学竞赛题目以考促学[1]，促进中学物理教学重视热学，最终力热实验考试题目定为用混合量热法测定冰的熔解热.实验题目设计得比较简单，要求用混合量热法测定冰的熔解热，做出T－t图（温度－时间图）.笔者参加了实验考试的命题和监考，在监考期间发现了一些中学生出现较多的问题，而这些问题也频繁出现在大学本科生的物理实验过程中.因此，本文列举了其中较为普遍的一些问题，希望借助仔细分析这些问题，找出促进学生学习和教师教学的方法，对中学和大学的物理实验教学改革有帮助.

2 问 题

竞赛中学生出现较多的问题主要可归为以下几类.

2.1 不能在理解的基础上应用物理概念

物质从固相转变为液相的相变过程称为熔解.1kg物质的某种晶体熔解成为同温度的液体所吸收的能量，叫做该晶体的熔解潜热，简称熔解热或熔化热，单位J·kg－1.有多种方法可用来测定冰的熔解热[2]，其中混合量热法测定冰的熔解热是常用的热学实验.实验中使用量热器使实验系统成为孤立系统（即系统与外界没有热量交换），量热器的结构见图1.

图1 量热器结构示意图

若忽略温度计浸入水中部分的热容，则根据混合量热法可得冰的熔解热为

其中m1和m2是量热器内筒和搅拌器的质量，m0和T2是内筒中所加水的质量和初温，M和T1为投入冰块的质量和初温，T0为冰的熔点，T3为冰完全熔化为水时系统的平衡温度，c0和c3是水和冰的比热容，c1和c2是内筒和搅拌器的比热容.

很多教材和文献对此实验的基本原理、仪器和实验步骤都有详细说明[3－4].因为不容易用电子温度计准确测定冰块的初温，因此竞赛中为学生提供的是冰水混合物，这样竞赛中实际使用的公式变为

但是学生往往不能充分理解冰的熔解热的概念，从而影响了他们的实验过程.首先，未充分理解冰的熔解热的概念，最突出的表现是对于冰的初温的确定上.虽然学生都知道冰水混合物的温度是0℃，但是有的学生还要重复地问教师冰的初温是多少.

其次，在实验中应该向量热器内筒的温水中投放冰块，通过测量系统质量和温度的变化计算出所投放冰块的质量和冰的熔解热.标准的操作应该是从冰水混合物中取出冰块，用干拭布擦干冰块表面的水后投入量热器内筒中的温水里.但是，在竞赛中70%左右的学生直接将冰水混合物倒进温水中，20%左右的学生用手将冰块从冰水混合物中捞出来后投进温水中.这2种错误都会导致放入内筒中的不是冰，而是冰水混合物，究其原因都是由于对冰的熔解热的概念理解不准确造成的.

在物理学习中，准确理解物理概念是根本，在准确理解物理概念之后才可能消化吸收物理学知识，进一步进行相关计算和实验研究.因此，在物理实验教学中，应该首先让学生认识到准确理解物理概念、原理的重要性.

2.2 不注意仪器的使用条件

在利用仪器进行测量时，先要对仪器的规格型号进行了解.如果待测量与仪器的测量范围相差较大会影响测量的准确性，甚至会损坏测量仪器.例如使用电流表和温度计进行测量时，都要先估计测量值的大小，如果不能进行估计，就要先选用大量程的仪器进行粗测，然后根据粗测结果选用量程合适的仪器进行精确测量.在本次竞赛中提供的电子天平的称量范围是600g，量热器内筒是130g左右，搅拌器20g左右，如果按照实验要求向内筒中加入内筒高度的水，水的质量应该是120～180g左右.实验中标准操作是将内筒连同里面的搅拌器、水和冰块放在天平上进行称量.但是有的学生根本不看电子天平的称量范围，连同外筒和绝热盖子一起放到天平上称量，总质量很容易超过600g，既不符合操作步骤，还会损伤电子天平的传感器.有的学生不但将整套量热器放在天平上称量质量，甚至还在天平上进行实验，一边用搅拌器进行搅拌，一边用温度计进行温度测量.如果总质量超过天平量程，天平发出“嘟，嘟……”的报错声，有的学生能够注意到称量范围，改正测量方法，但是有的学生只通过减少内筒中的水量让天平停止报错，不考虑过少的水量对实验结果的影响.

2.3 不能合理分配时间

物理竞赛实验考试部分每场考试的时间为60min.因为学生们都有一本专门的实验指导手册，里面的内容在竞赛前应该都看过，而且有的学校对竞赛非常重视，还专门请教师对学生的实验进行了指导，所以虽然竞赛时间比较紧张，但是如果时间安排合理应该能够完成实验要求的内容.但是，部分学生在竞赛中时间安排得不够理想.在不清楚物理原理、不了解仪器使用条件的情况下就匆忙上阵，开考的前30min手忙脚乱、错误百出，最后却剩下10min无所事事.

2.4 不喜欢动脑分析细节问题

量热器内筒和搅拌器都由黄铜制成，因为黄铜导热性能优秀，因此量热器内筒和搅拌器各个部分的温度都与内筒中水的温度基本相同，实验中通过测定水温即可基本确定量热器内筒和搅拌器的温度.但是学生在实验中一般都不考虑量热器的材质问题.一方面，学生不清楚为什么要用导热性好的材质作量热器，另一方面，学生不考虑量热器的材质对实验操作步骤的影响.实验中内筒中应加内筒高度的温水，水温应该比室温高10～15℃.我们为学生准备了开水和自来水.在配温水时，应该先向内筒中加适量凉水再加热水，但是有的学生不加考虑就向量热器内筒加大量的开水，由于量热器内筒导热性很好，热量传导使量热器迅速升温，导致无法用手拿住量热器内筒.

综上所述，中学生在冰的熔解热竞赛中和大学生在日常的实验课上出现了多种错误.这一方面是由于学生对实验和竞赛的重视程度不同、掌握基本实验技能技巧的能力不同，另一方面也反映出我们在物理实验教学中存在的问题.我们在实验教学中，通常希望学生能够“又好又快”地完成实验，实验开始时教师先对实验内容进行讲解，然后介绍仪器设备的使用方法，有时甚至从头到尾做一遍示范操作.这会造成学生课前不充分预习也能顺利完成实验内容，在遇到问题后不善于动脑筋也能找教师解答，在看似帮助学生的情况下影响了学生发挥主动性和提高实验动手能力.

3 结束语

物理实验是物理学的基础，实验教学改革应以教法改革为突破口.应通过改革教法使学生不只是知道怎样做好具体的实验，而是要使学生在面临物理问题时，知道应该从哪些角度出发去处理问题，应该抓住哪些关键点，启发学生自己去思考细节问题.就像在文献[5]中指出的，教学改革要将重点放在“引导学生思考、观察、分析和判断，总之是引导学生自己去解决问题”.

[1] 赵升频.浅议实验教学竞赛对提高实验教学质量的作用[J].大学物理实验，2007，20（1）：91－93.

[2] 陈光伟，文景，杨国彗.电热法测定冰的熔化热实验仪的研制[J].物理实验，2007，27（3）：21－22.

[3] 杨述武，马葭生，贾玉民，等.普通物理实验（一、力学及热学部分）[M].北京：高等教育出版社，2000：237－239.

[4] 刘子臣.大学基础物理实验（力学热学及分子物理分册）[M].2版.天津：南开大学出版社，2005：154－158.

[5] 杨述武.漫谈物理实验教学的改革[J].物理实验，2002，22（3）：3－5.

[6] 廖慧敏，荀坤，陈晓林.第12届亚洲物理奥林匹克竞赛实验题介绍与解答[J].物理实验，2011，31（10）：16－25.