比较不同物质的吸热能力实验的探究与改进

“比热容”是初中热学中最重要的概念，也是教学的重点和难点。如何做好“比较不同物质的吸热能力”这个探究实验，让学生通过实验探究，发现规律，形成概念是提高教学效果的关键。

比热容这节内容的探究实验──“比较不同物质的吸热能力”，一直让我们一线工作的物理教师觉得为难，一难是实验装置复杂;二难是实验时间长，且难于控制;三难是读数困难，实验误差大，实验结果牵强附会。

随着物理新课程标准的实施，作者将这个实验做了改进，改进后的实验简化了实验装置，降低了操作难度，缩短了实验时间，也使得读数更加方便，实验结果更加可靠。更加有助于通过实验培养学生严谨、认真的科学态度。

一、原来实验的原理及其实施过程中遇到的问题

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植物油加热相同的时间，使这两种物质吸收的热量相等，根据水和植物油升高的温度来说明不同物质的吸热能力是不同的。

这就实验带来了四个难于回避的问题：

一是实验器材多，装置复杂，实验难度大。实验装置要求把铁圈、石棉网、复夹、温度计装在铁架台适当的位置，并分别用两个同样的酒精灯的外焰给石棉网上的烧杯里同质量的水和植物油加热，老师完成这个装配都需要五分钟左右的时间，所以这个重要的研究实验通常都作为演示实验来开设。任课教师一般都只能提前进入教室把实验装置装配好，还得小心守着别让好动的学生在碰翻了。

二是实验时间比较长，且难于控制。酒精灯的热功率比较小且不稳定，加热时间不容易控制，这就造成了这节课的课堂教学时间的不确定，使任课老师不能很到地把握课堂的节奏。

三是读数困难。大家知道实验室用的普通温度计是利用玻璃泡内的液体热胀冷缩的原理来工作的，从被测物体的温度变化到玻璃泡内液体的体积变化需要一定的时间，所以在介绍温度计的使用方法时，要求待温度计的示数稳定后在读数记录。在进行这个实验时，无论是在加热的过程中读数还是把酒精灯移开后读数，测量对象的温度都是动态值，前一种方法是吸热温度升高，后一种是温度降低。读数时难于做到时间的一致，也影响了数据的可靠性。也因为读数困难这个原因，原来的实验设计只读取一组数据，这种采集数据的方法，对探究物理规律的实验来说，没有做到避免实验的偶然性。

四是实验可信度不高，科学性不强。除了读数的原因，主要问题是让两个酒精灯在相同的时间内放出的热量相等操作难度大，植物油和水在加热的过程中向周围空间散发的热量也不同，所以，该实验的条件──同质量的不同物质吸收相同的热量就无法得到保证，造成了实验的可信度、实验的科学性打了折扣。

在以往的实验过程中，学生曾经提出：在相同的时间内这两个酒精灯放出的热量真的是一样的吗?看了比热容的表，学生又会问：煤油的比热容是水的一半，吸收相同的热量煤油升高的温度为什么不是水的两倍呢?对于这些问题，我们只能用实验误差、误差在允许的范围内……等答案来回答学生。可能也是这个原因，现行教材把比热容正好是水的一半的煤油换成了没在比热容表上的植物油。原版教材比热容的概念是安排电学前进行的，从学生的认知程度来考虑，在实验设计时就只能用酒精灯作为热源加热。

二、改进实验的客观条件及解决问题的具体方法

原来实验的问题中，最主要的实验可信度不高、科学性不强。造成这个结果的原因有两个，一是两个酒精灯热功率不相同，二是研究对象与周围空间的热交换。新课程标准把比热容的概念安排到了九年级的物理教材，为作者用电热作为热源解决这个问题提供了创造了客观条件。学生在八年级下期学习了电与热，知道了焦耳定律──电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电导体成正比，在这个认知基础上学生能够理解到两个阻值相同的电阻丝串联在电路中，在任何时间内这两个电阻产出的热量都相等。

作者用两根串联起来的阻值相等的电热丝代替火焰强度相同的酒精灯作热源，解决热源热功率的问题。因为串联电路中电流强度相等，两个电阻丝的阻值相等，根据焦耳定律Q=I2Rt，这两个串联的电阻丝在任何时间产生的热量一定相等。

仿照量热器的原理，作者在大烧杯的底部放隔热的胶木垫，装有煤油或水的小烧杯放在胶木垫上，用插着温度计、连接有电阻丝的胶木盖，盖住大烧杯口。因为空气是热的不良导体，装着水和煤油的小烧杯与大烧杯之间隔着相对封闭的空气，封闭的空气不能对流，所以就能比较有效地避免电热丝产生的热量向大烧杯周围空间传递。解决了热源和散热两个问题，实验中遇到的其他问题也都迎刃而解了。

三、改进后实验的优点及其意义

首先是增强了实验的可信度和科学性。

解决的发热和散热问题，相同质量的不同物质吸收相同的热量，这个实验的条件才得以保证;实验过程中可以很方便地通过开关来控制加热时间，可以在停止加热后，注意观察温度计示数的变化，等待示数稳定后再读数并记录，使实验操作更加规范;还可以多测几组数据找规律，避免实验结果的偶然性。多次试验结果表明，煤油上升的温度正好是水上升温度的两倍。通过这样的实验更有助于培养学生严谨、认真的科学态度。

其次是减少了实验器材，简化了实验装置，降低了操作难度。完成原来的实验加热过程需要的器材有：铁架台2个，酒精灯2个、铁圈2个、石棉网2个、烧杯2个，厚纸片2张(盖在烧杯口避免散发散热)，温度计2支、复夹2个(挂温度计)、火柴1盒。现在只要安装有电阻丝插有温度计的胶木盖2个、大烧杯2个、小烧杯2个，稳压电源一个就可以了，并且避免了把铁圈、石棉网、复夹、温度计装在铁架台适当的位置，这个繁琐的过程。为把这个演示实验转变成学生实验创造了条件，能让学生更多地享受探究的过程和成功带来的乐趣。

再者因为电热丝发热功率稳定，任课老师可以更好地控制上课的节奏。在介绍实验原理的时候也可以帮助同学们回顾以前所学的知识，这对巩固学生的知识结构、培养学生的发散思维也是很有帮助的。

四、改进后实验装置尚存的不足

首先，外面烧杯的烧杯口影响了两烧杯间空气密封程度。作者做了多方努力，没找到适当的代用容皿，曾经考虑过用量热器做这个实验。但量热器不是透明的，直观性有所降低，也不能确定温度计的使用是否符合要求。

其次烧杯是透明的，会有辐射热损失。但水和煤油的温度不超过60 ℃ ，辐射散热对实验结果的影响不大。

最后是作为演示实验来说，温度计里温度的变化情况还是没能使下面听课的同学看得很明白，建议有条件的学校把这个实验当作学生实验来进行，结合焦耳定律，学生甚至能计算出水的比热容，这是电热结合的一个很好的例子。

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