基于历史对话的“比热容”教学设计

别丽丽 张赢今 谢乌云 侯恕

摘  要：比热容是初中物理的重点也是难点内容之一，综合学生的特点与相关物理学史，重构了基于历史对话的比热容教学设计，以帮助学生真正理解比热容的本质，提高教学效率。

关键词：物理学史;历史对话;比热容

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）7-0028-5

比热容是学生在学习了温度、热传递和热量等知识的基础上进一步探究物体温度变化与热量的关系，不仅是初中阶段的重点内容，更是整个热学分支的基础性内容。但对于初中生而言，这种反映物质固有屬性的物理量不容易理解，具有一定的抽象性，且学生对于温度和热容易出现迷思概念。因此，对比热容的教学进行深入研究是十分必要的。本文基于科学家跨时空的历史对话，重构比热容的教学设计，希望可以为实际的教学带来参考价值。

1    设计背景

物理学史不仅可以帮助我们增长见识，开阔眼界，还可以从前人的经验中得到启示，加深对物理学的理解等，课程标准中更是多次提到了物理学史[1]，可见其重要性。本文在热学发展历程的基础上设计了科学家们的历史对话，在增强趣味性的同时也加深了学生对热量概念的理解，破除迷思概念，真正理解比热容的本质，实现有效教学。

1.1    学情分析

初中生正处于从童年向青年过渡的半幼稚、半成熟时期，对事物充满较强的好奇心，而关于比热容的知识与生活经验密不可分，这也是学生产生迷思概念的主要原因之一。学生迷思概念的产生过程与科学家们获得最终科学规律的曲折历程存在一定的相似性。

1.2    历史对话与人物简介

以本节教学设计的内容为例，历史对话是指针对同一热学理论，将代表性人物布尔哈夫与布莱克置于同一时空环境中，呈现不同时代的科学家对热学现象的不同观点的一种教学策略。

（1）布尔哈夫

荷兰著名的化学家布尔哈夫（Boerhaave，1668—1738）提出了热量守恒原理，但未将温度与热做区分，是热质说的支持者。他将精确的定量方法引入化学，被称为是物理化学的奠基者。

（2）布莱克

英国化学家、物理学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black，1728—1799）通过水和水银的混合实验，澄清了温度与热是两个不同的概念，提出了热容量、潜热等比热容理论，并由其学生逐渐完善，最终引入了比热容[2]。他虽然是热质说的主要倡导者，但仍存在“热怎么没有重量”的困惑。

1.3    热学的发展历程简述

16世纪以前，我国古代的五行思想认为物质是由金、木、水、火、土组成的，把火视为构成万物的元素之一。西方以亚里士多德为代表，认为自然界的物质都是由水、火、土、气组成。受17世纪巴黎皇家学院的数学教授伽桑狄关于冷和热分别是由特殊的热原子和冷原子引起的观点的启发，布尔哈夫、道尔顿、拉瓦锡等人把热认为是物质，出现了热质说。他们大多认为热是一种不可称量的流体，当给一个物体加热时，热就流入该物体，物体温度上升;当物体不再受热时，热即流出物体，导致温度下降[3]。物体的温度是由其所含热质的多少决定的。当然，也有以培根为代表的科学家们主张“热是机械运动的结果”。但是由于缺乏实验根据，不可避免地还是出现了热质说。

布尔哈夫根据物体混合时有热量交换的现象，首先提出了热量守恒的思想，即热质不会无中生有，也不会无故消失，这源于他将体积相同的40 ℃和80 ℃的水混合后，得到的水温是60 ℃，即两杯水共有120单位的热质，所以每杯水各有60单位的热质。人们把热量守恒原理和当时盛行的物质守恒原理并列，当成是自然界普遍的规律，这也是人们开始向热质说靠拢的原因。但布尔哈夫没有区分温度与热的不同，所以当他把体积相同的40 ℃的水和80 ℃的酒精混合后，得到的末温比60 ℃低时，他无法解释这个事实，只好把它看成一种特殊情况了[4]。

布莱克基于布尔哈夫的实验，将等量的100 ℃的热水与150 ℃的水银进行混合后，得到的混合液体温度为120 ℃。他想：如果温度多少就表示热多少的话，就会有很多种情况是违反热量守恒原理的。于是他假设温度和热是不一样的：水银的热容量比较小，所以水银消耗了30 ℃的热质只能让水上升20 ℃;同样地，若同时加热等量的水和水银，相同的热总是能让热容量较小的水银的温度上升较多，由此可见温度与热是不同的，而上述的特殊情况也有了合理的解释[4]。他还发现了热平衡现象的末状态是温度相同。但他也存在一定的疑虑，如果热是物质的话，它应该是有重量的。比热容的引入经过了布莱克学生的完善，并确定了温度与热量的数量关系式。

最终，在伦福特、焦耳、克劳修斯等科学家的努力下，否定了热质说，确立了热动说。继而形成了其他的热学理论。

2    比热容的教学设计

2.1    教学活动的流程

比热容的教学流程如图1所示。

2.2    创设情境，引入教学主题

爸爸劳累了一天回到家，想喝杯茶解渴，但是热水瓶中又没有开水了。你会烧半壶水还是一壶水泡茶呢？你会选择烧温水还是凉水呢？具体的理由是什么呢？

2.3    历史对话的设计与讨论

历史对话①是教师基于热学的发展历程和学生的生活经验提前设计好的。在两位科学家意见发生分歧的时候暂停对话，是为了引导学生察觉“问题”的存在。教师在学生讨论后进行总结将会帮助学生明确最终的认知。

布尔哈夫：Hello，我是布尔哈夫，我认为温度就是热。

布莱克：Hi，我是来自英国的布莱克，我觉得温度与热是不一样的。

布莱克：布尔哈夫前辈，这里有两杯温度都是50 ℃的水，但一杯是100 mL，另一杯是200 mL，您觉得哪一杯水所含的热更多呢？

布尔哈夫：当然是一样多呀！你没看到两只温度计处于相同的位置吗？

布莱克：那如果我们用相同的酒精灯同时加热这两杯水，两杯水的温度上升情况将会怎样？

【讨论1】你们认为这两杯水的温度上升情况将会如何，为什么？

布尔哈夫：小杯水的温度会上升得比较多。

布莱克：您讲的话可真是矛盾！如果它们原先含有相同的热，后来又加了相同的热，那它们的温度应该相同才对！

布尔哈夫：年轻人，做实验可一定要注意观察，难道你没注意到它们在加热的过程中，吸热的能力不同吗？

布莱克：您是觉得小杯水加热后吸收的热较多，所以温度上升得较多，大杯水吸收的热较少，所以温度上升得较少？

布尔哈夫：这是一定的，因为加热后小杯水的温度较高，可见它吸收的热较多。你想想，原本含热相同的物质加热后含热却不同了，必定是加热过程中吸收了不一样多的热！

布莱克：可是我们用的酒精灯相同，加热的时间相同，所提供的热不应该是相同的吗？

布尔哈夫：我觉得是小杯水的量比较少，热容易在彼此间扩散开，所以可以在相同时间吸收更多的热。

【讨论2】 同学们，你们认为布尔哈夫与布莱克的说法，哪一个更有道理呢？

布莱克：好吧，刚才您说这两杯水的温度相同所以含热相等，現在我把这两杯水倒在一起，您认为这杯水的温度会如何？

布尔哈夫：我觉得还是原来的50 ℃。

布莱克：那为什么热质增加了，温度却没有增加呢？这并不符合您所谓的“热越多温度越高”的说法吧。

【讨论3】 同学们，两杯体积不同的50 ℃的水混合在一起，温度会改变吗？热会改变吗？说说你的理由。

布尔哈夫：温度是不会增减的，你看如果我把水倒一半出来，它的热和它的温度都不会发生改变。

布莱克：那您所谓的“热越多温度越高”究竟是什么意思呢？

布尔哈夫：这句话的意思是说，你提供的热越多，物质的温度就会上升得越高，以我们刚才做的实验来说，如果你继续加热，温度必然会继续升高。

布莱克：我有看过您将两杯体积相同温度分别为40 ℃、60 ℃的水进行混合，得到末温为50 ℃的水的实验。那如果将一杯200 mL的60 ℃的水和另一杯100 mL的40 ℃的水进行混合，得到的温度仍然会是50 ℃吗？

布尔哈夫：可能会高于50 ℃。

布莱克：如果体积分别为100 mL和200 mL的两杯60 ℃的水所含的热相同的话，就不应该出现这样的情况，不是吗？

【讨论4】 温度相同但体积不同的水，所含的热是否相同呢？说出你的理由。

布尔哈夫：这个……如果温度与热不一样的话，那温度是什么？热又是什么呢？

【讨论5】 同学们，你们可以回答布尔哈夫的问题吗？温度是什么？热是什么？

布尔哈夫：我注意到有些物质加热时温度上升得较快，有的则较慢。我认为每一种物质吸热的速度都不同。吸热快的物质，加热时很快就吸了很多的热，所以温度上升得比较快，反之则慢。

布莱克：不不不，不对。物质加热时温度上升快慢不同的原因是它们容纳热的空间大小不同。容热空间小的物质，加热时，热很快就装满，所以温度上升较快;反之，容热空间大的物质，加热时，热要很久才能装满，所以温度上升较慢。

布尔哈夫：推理要有依据，你看我把体积和温度都相同的水和酒精，同时用相同的酒精灯加热一样长的时间，结果酒精的温度上升比水多，这是因为在加热的过程中，酒精吸热比水快，所以会有这样的现象。可是，如何用你那个“热容空间”来说明这个现象呢？

布莱克：酒精容纳热的空间比较小，因此相同的热很快就装满酒精的容热空间，因此温度上升得会比较多（图2）;如同我们先前讲过的，加热相同的时间，提供的热是相同的，酒精怎么可能会吸收比较多的热呢？

【讨论6】同学们，你们比较认同谁的看法呢？为什么？

布尔哈夫：同样用吸管来喝水，相同的时间，你能保证我们两人喝到的水一样多吗？科学要讲究证据，你能提出证据来证明酒精的容热空间和水不相同吗？

布莱克：那要是按您刚刚所说的，把体积和温度都相同的水和酒精，同时用相同的酒精灯加热相同时间，酒精的温度上升比水多，这就是因为在加热的过程中，酒精吸热比水快，它吸了较多的热。而如果我另外再准备甲、乙两杯温度和体积都相等的冷水，我把加热后的水和酒精分别倒入甲、乙杯中，水的末温会如何？

【讨论7】 想一想，哪一杯水的温度高，为什么？如果乙杯的温度高，说明什么？如果甲杯的温度高，又说明什么？

布莱克：根据您的理论，一些机器上的不同金属受热后温度不同，这是因为不同金属的吸热能力不同所造成的。

布尔哈夫：是，就像铜吸热快，所以加热相同的时间，铜吸的热总是比其他金属多，因此温度上升得会比较多。

布莱克：跟我刚才检验水和酒精的方式一样，如果我把加热后的铜和铁分别投入甲、乙烧杯中，您认为情况如何？

布尔哈夫：也如同我刚才的回答，因为铜的温度高，铁的温度低，所以混合后，甲的温度会比乙高。你的看法呢？

【讨论8】 想一想，哪一杯水的温度高，为什么？如果乙杯的温度高，说明什么？如果甲杯的温度高，又说明什么？

布莱克：我认为两杯水的温度会差不多，用相同的器具加热相同的时间所提供的热是一样的，所以铜加热后温度虽然比较高，但所含的热却与铁相同。

布尔哈夫：这样的想法还是有一点儿令人难以接受。

布莱克：如果您这样想，铜里面有一个专属于热的空间，这个空间像一个细长的瓶子，铁里面也有一个热的空间，但它是一个比铜粗的瓶子，因此相同的热装到铜的瓶子里，可以使铜的温度上升比铁多。当您把它们的热放到相同的瓶子里时，您就会发现热是一样多的。

【讨论9】 你认同布莱克的想法吗？为什么？

2.4    跨越时空的实验

将布尔哈夫与布莱克所进行的实验与教材中的实验比较后进行了改进，其中电加热器替换了酒精灯，食用油替换了酒精。通过历史对话可以猜想影响吸热多少的物理量，并引导学生自行设计实验数据记录表，再使用学生熟悉的控制变量法探究各物理量之间的关系，多次进行实验并将数据记录至如表1所示的表格中。

2.5    理论推导，量化吸收的热量与温度变化的关系

对表1中的数据进行处理，不难发现对于水或者食用油，吸收的热量与自身质量和温度变化量的乘积的比值总是不变的，且水的比值大于食用油的比值，这也是学生所熟知的比值定义法。由此可以得出最终的结论，即比热容是指一定质量的某种物质，在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比[4]， 并给出符号及其公式和单位，即c=，单位为J/（kg·℃）。在此基础上进行变式，讨论其物理意义。

简单介绍布莱克的量热术，以及比热容的发展历程，即从热容量到比热再到比热容，使学生始于历史对话后见证科学的进步。

2.6    学以致用，解释生活中的现象

先引导学生运用比热容公式，解释给爸爸烧半壶温水的原因，首尾呼应。再引导学生解释为什么同样的日照条件下，中午的沙子烫脚但海水凉爽，傍晚沙子凉了下来而海水却暖暖的等生活现象，强化本节课所学内容，这也是课标中所倡导的从生活走向物理的新课程理念。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]朱文军.基于物理学史的比热容教学[J].物理教学探讨，2017，35（10）：68-69.

[3]柳福提.热学发展史对中学热学教学的启示[J].中学物理教学参考，2006（12）：15-16.

[4]周嘉仪.中学生热与温度迷思概念的跨年级研究[D].金华：浙江师范大学，2016：2.

[5]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书物理（九年级全一册）[M].北京：人民教育出版社，2013.

注释：

①對话改编自廖花秀：《以历史对话帮助国小五年级学童学习温度与热的概念》，2005年1月。

（栏目编辑    邓   磊）