用電熱水壺定量研究水的比熱容

王宇航　王志茜

(1. 北京市育英學校，北京　100036；2. 北京市西城外國語學校，北京　100044)

·實驗研究·

用電熱水壺定量研究水的比熱容

王宇航1王志茜2

(1. 北京市育英學校，北京100036；2. 北京市西城外國語學校，北京100044)

摘要：針對比熱容的教學現(xiàn)狀，筆者選用能顯示溫度的電熱水壺，借助加熱時間的長短來定量比較水吸熱多少.從實驗數(shù)據(jù)中可以看到，水在吸熱升溫過程中，加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值不變.這樣的實驗改進能幫助學生建構比熱容的概念.

關鍵詞：比熱容；電熱水壺；定量研究

1比熱容的教學現(xiàn)狀分析

《義務教育物理課程標準(2011年版)》對比熱容的教學要求如下：“通過實驗，了解比熱容，嘗試用比熱容說明簡單的自然現(xiàn)象.”不同版本的教材中均突出了“比較不同物質的吸熱能力”這個探究性實驗.

從實際教學來看，比熱容是初中物理教學中較復雜的概念，屬于典型的比值定義.與密度、熱值等涉及兩個因素的概念相比，比熱容是初中物理中唯一涉及到三個因素的物理量.但在實際教學中，由于缺乏不同物質吸收熱量與質量、溫度變化乘積的定量實驗，學生們往往是在教師的引導下，在腦海中“想”這樣的實驗.雖然也有老師借助一些編好的實驗數(shù)據(jù)來幫助學生理解比值不變這個物質特性，但學生內(nèi)心深處并沒有真正認可這一觀點.即對同一種物質來說，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值不變.所以，比熱容的物理含義和概念建構往往最后是不了了之，學生只得用記憶代替建構、用做題來幫助記憶概念.

2定量研究水的熱容實驗

實際教學中，水的質量和溫度變化的測量是很容易實現(xiàn).關于水吸收熱量多少的問題，長期以來在教學實踐中，我們是借助加熱時間來定量研究.但由于加熱條件的限制，在常規(guī)教學中我們很難創(chuàng)設出讓加熱源均勻放熱的條件，所以借助加熱時間來定量研究吸熱多少是非常粗糙的做法.同時因實際加熱過程中水要散熱，所以我們也很難創(chuàng)設出液體均勻吸熱的條件.

怎樣保證加熱源均勻放熱和水均勻吸熱呢？我們想到了電熱水壺，電熱水壺能保證放熱均勻，它的金屬外殼導熱性良好，可以保證壺內(nèi)水相對均勻地吸熱.如果能直接顯示壺內(nèi)水的溫度就更好了.

我們驚喜發(fā)現(xiàn)，某公司生產(chǎn)的A600B電熱水壺符合我們的設想.正如說明書所言，這樣的電熱水壺“采用最新電子測溫技術，水溫一目了然、準確”.借助電熱水壺自身攜帶的溫控器，我們還可以設置要加熱的溫度.由于這樣的電熱水壺在工作過程中是均勻加熱，所以通過加熱時間的長短，我們可以定量比較水吸熱多少.

借助這樣的電熱水壺和秒表，我們反復實驗,獲取了大量實驗數(shù)據(jù).實驗中，時間的測量可以精確到0.01秒，但考慮到人的反應時間問題，我們統(tǒng)一四舍五入保留到1秒，實驗數(shù)據(jù)如下表所示：

水的質量(g)水的初溫(℃)水的末溫(℃)水的溫度變化量(℃)加熱時間(s)加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值(s/g·℃)50018100821600.00396001690741740.00397001890721970.00397501890722140.0039

分析實驗數(shù)據(jù)，我們看到，水在吸熱升溫過程中，加熱時間與質量和溫度變化乘積的比值基本不改變.換言之，對水來說，加熱過程中吸熱多少與質量和溫度變化乘積的比值不變.

在實踐中，我們首先錄制好兩段加熱水的視頻，在視頻中明確標出水的質量和溫度的變化，通過編輯軟件將視頻壓縮到兩分半鐘的時間.在課堂上，除了播放視頻之外，又現(xiàn)場做了一個實驗，但水的質量和視頻之中不同.通過大約五分鐘的實驗，學生們能建構起比熱容的概念，并且意識到比值定義法不僅僅局限于兩個物理量之間.

3對實驗的再思考

在上述實驗中，我們使用的水都是已經(jīng)放置一晚上的水，所以水的初溫比較穩(wěn)定.電熱水壺的功率是1350W，如果假設電能完全轉變?yōu)樗膬?nèi)能，借助電功公式W=Pt，我們可以從實驗數(shù)據(jù)中計算出水的比熱容是5265J/(kg·℃).關于實驗誤差，我們認為有如下幾個因素：① 電熱水壺自身散熱的影響；② 這樣類型的電熱水壺自身所帶的測溫器能直接測出水的初溫，但末溫只能設置為5的整數(shù)倍，所以也不可避免會帶來一些誤差；③ 在使用電熱水壺設置好加熱水的末溫時，要同時按下計時器，但實際操作中很難做到同時按下.我們認為在水的質量和溫度變化比較大時，誤差會小一些.這樣改進的實驗，確實突出了物理學的實驗特點，也使學生能順利建構起比熱容的概念.

參考文獻：

中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[S].北京：北京師范大學出版社，2012.