初中物理比热容概念教学的创新设计与思考

摘 要：在初中物理教学中将物质的比热容定义为物质吸收（或放出）热量的多少与质量和升高温度乘积的比.该定义相较于初中阶段用比值定义的其他概念来说，包含的物理量较多，学生理解起来难度较大，用比热容来描述物质的吸热特性就显得比较抽象.因此如何设计课堂教学能够更好更高效地帮助学生理解物质的吸热特性，并能体会比热容定义的合理性是我们一直在思考的问题.本文中介绍的教学思路是通过实验器材的改进获得大量的实验数据，在分析数据的过程中引导学生感知物质的吸热特性，从而找到描述物质吸热特性的方法，顺其自然地定义出物质的比热容.改进的教学思路更加符合学生的思维方式，能够更好地丰富学生的物理观念，提升实验探究能力，并且在学习中可以获得较高的成就感.

关键词：比热容;实验改进;实验数据;吸热特性

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）02-0055-03

作者简介：李莎（1985-），女，北京人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学实践.

1 研究的背景

物质的比热容是描述物质吸热特性的物理量，是物质本身的特性之一，对于完善学生的物质观念有着重要的意义.在初中物理教材中将比热容定义为物质吸收（或放出）热量的多少与质量和温度变化量乘积的比.

比热容由三个物理量的比值共同定义，相较于由两个物理量定义的密度、速度等概念，学生理解起来有一定的难度，并且对于物质的比热容是物质本身的一种特性，与物质的质量和吸收热量的多少等因素无关的理解也相对抽象.因此在本节的教学中，需要找到适合学生思维方式的教学过程，以帮助学生理解这一抽象的概念.

2 现行教材中关于物质比热容概念教学的设计

笔者查看了多个版本教材，发现在帮助学生理解比热容的定义及其是物质本身一种特性的教学处理上都不太尽如人意.不同版本的教材大都是通过探究发现不同物质在质量和升高温度相同的情况下，吸收的热量不同，发现物质吸热的特性不同，紧接着就直接给出了比热容的定义.

告诉学生用物质吸收（或放出）热量的多少与质量和温度变化量乘积的比来描述物质的吸热特性，并解释该定义描述的是每1千克的某种物质升高（或降低）1摄氏度所需要吸收（或放出）的热量.至于为什么要这样定义物质的吸热特性无法做出合理的解释，定义中的物质的质量和升高（或降低）的温度对物质吸热多少有什么样的影响也不得而知，这样的教学方式，学生也没有通过现象或数据感知到比热容是物质本身的一种特性，由物质种类决定.因此，

这样给出比热容的定义显得有些突然，学生不易理解，教师在教学中只能生硬地解释比热容的含义.但事实上从某种角度来讲学生还是靠死记硬背记住了概念，教学过程缺少了必要的探究步骤去更好地给学生展现为什么如此定义比热容.

3 教学思路的改进

在教学中，如果我们能够通过实验得到不同物质在不同质量、不同温度变化的情况下吸收（或放出）热量的数据，在数据分析中发现规律，类比密度的定义，发现不同物质的吸热特性不同，由此得出物质吸热特性的描述方法，此时再给出比热容的定义，就能帮助学生理解比热容是物质本身的一种特性.如果在数据分析过程中能够先找到物体吸收（或放出）的热量与物体的质量和升高（或降低）的温度的关系，自然就能很好地帮助学生理解为什么要用这样的定义方法，使学生体会建立比热容概念的必要性，感受到比热容定义的合理性.

3.1实验的改进

要想进行定量化探究，测量液体吸收的热量就是其中最关键的问题，现行教材中的实验基本上都是用电加热棒加热烧杯中的液体，但考虑到加热棒散热严重且功率较大有一定的安全隐患.若换用酒精灯加热，酒精灯单位时间内放出的热量又不太穩定，也不能准确地测出液体吸收热量.如何改进实验的器材来解决这些问题呢？

在加热的方式上，使用如图1所示的定值电阻丝来加热，这样的好处一是功率比较小，安全隐患小，可用于学生实验，二是电阻丝在液体中的位置方便固定，最重要的一点是电阻丝的发热功率稳定，可用加热时间和电阻丝的功率，计算电阻丝放出的热量，也就近似等于液体吸收的热量.为了使热量测量更加准确，在散热方面也要进行改进，采用双层玻璃杯和隔热材料切割成的杯盖，来减少热量的散失.为了使温度的测量更准确，还将液体温度计换成了数字温度计，整体实验装置如图2所示.这样改进后的实验装置能够较准确地测出液体在升高一定温度时的加热时间，再利用电阻丝的电功率就可以间接地计算出液体吸收的热量.

3.2实验数据的分析

在8V电压下，测电阻丝的实际功率P为10.4W，根据Q=W=Pt，利用实验中测得的加热时间t，就可以计算出水和色拉油吸收的热量.在吸收热量的计算问题上，由于学生还没有学习电流的热效应，因此请学生仿照机械功中学习过的功和功率的关系进行计算，并且向学生说明电流通过电阻丝产生的热量等于电流通过电阻丝所做的功，具体原理在后面电功、电功率学习时再具体解释.利用此实验装置应用控制变量法分别探究出水质量一定时，水吸收的热量与升高的温度的关系，测得的实验数据见表1.升高温度一定时，水吸收的热量与水的质量之间的关系，数据见表2.当然也可以用此装置探究色拉油吸收热量的多少与质量和升高温度的关系，实验数据分别见表3、表4.

通过实验数据学生可轻松得出“水吸收的热量与水的质量和升高的温度成正比，色拉油吸收的热量与其质量和升高的温度也成正比”这样的结论.再进一步分析数据，将水和色拉油

在质量和升高温度相同时，吸收热量多少

的数据进行对比，见表5.通过对比数据可以发现在每一组质量和升高温度相同的数据中，总是水吸收的热量比色拉油吸收的热量多，可以让学生初步体会到不同物质在升高相同温度时，吸收热量不同.

3.3比热容定义的得出

如果质量和升高温度不同时，怎么比较他们的吸热情况呢？可以用吸收的热量Q除以质量m和升高温度Δt的方法，找到单位质量且升高1摄氏度吸收的热量.我们把水的各组数据中Q与mΔt的比值计算出来，见表6.色拉油的各组数据也将三个量的比值计算出来，见表7.从数据中发现水的比值都很接近4.6J/（g·℃），而色拉油的比值都接近3.2 J/（g·℃），说明在质量和升高温度相同的条件下，水吸收的热量比色拉油多.在此数据的分析过程中，学生能够感知到同种物质的该比值是相同的，不同物质的比值不同，此比值与物质的种类有关，且比值越大的物质，在质量和升高温度相同的情况下，吸收的热量越多.顺其自然地就可以用该比值来描述物质的吸热性质，将其定义为物质的比热容，由此给出物质比热容的定义.

4 改进教学后的再思考

4.1 收集实验数据，发现较大实验误差

以水的实验数据为例，从理论上来讲，水吸收的热量与质量和升高温度的乘积的比值（水的比熱容）应该是4.2×103J/（kg·℃），但是由实际实验数据得出的比值接近4.6×103J/（kg·℃），并且不同组实验数据，计算出的比热容也不完全相等.

4.2 产生误差的可能原因分析

双层玻璃杯也存在散热问题，每升高一定的温度，测量的加热时间可能会比实际偏长，因此会导致计算出的吸收的热量比实际值偏大，若在质量和升高温度相同的情况下，实验计算得出的比热容将会比实际值偏大.

实验过程中，当要改变水的质量时，每次都要移动与电阻丝相连的杯盖和重新插入的温度计探头，并再次组装实验装置.在重新组装的过程中自然会导致电子温度计探头与电阻丝间的距离相比于上次实验发生变化，这也可能会导致升高温度一定时加热时间的测量存在一定的偏差.

水和色拉油的导热性能不佳，液体温度的测量值可能低于实际温度.

4.3 教学改进的意义

实验虽然存在着较大的误差，但相较于教材上的设计，改进后的教学设计更符合学生的认知规律.首先可以让学生在亲自动手实验的过程中得出数据，又能在分析实验数据过程中体会到不同物质的吸热特性不同，不同物质的Q与mΔt的比值不同.在此过程中，体会到用比值描述物质吸热特性的合理性，体会比热容定义的合理性，自然也能够充分体会到比热容是物质本身的一种特性，只与物质本身的特性有关，与质量、升高的温度和吸收热量的多少无关.

这样的教学改进不仅能在实验设计、动手操作、分析数据等环节有效地提升学生的实验探究能力，还能从数据现象中发现物质的吸热特性，利于学生理解概念，进而完善学生的物理观念，并且在分析发现的过程中可以获得较高的成就感.

参考文献：

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（收稿日期：2020-09-25）