關(guān)于比熱容實驗的探究與改進

鄭少林

物質(zhì)的比熱容是初中熱學中最重要的概念，也是教學的重點和難點。如何做好“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”這個探究實驗，讓學生通過實驗探究，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成概念是提高教學效果的關(guān)鍵。

一、原實驗實施過程中遇到的問題和造成的原因

原版教材實驗方法是采用同一盞酒精燈分別對同質(zhì)量的水和砂石加熱相同的時間，使這兩種物質(zhì)吸收的熱量相等，根據(jù)水和沙石升高的溫度來說明不同物質(zhì)的吸熱能力是不同的。這個實驗遇到的問題和造成的原因：（1）水和沙子相比較，水的導熱性能好，加熱過程中水溫變化差異??；沙子的導熱性能弱，加熱過程中沙子受熱不均勻，邊加熱邊攪拌效果也不好，加熱過程中沙子溫度差異較大，實驗數(shù)據(jù)不夠準確，用沙子與水探究不同物質(zhì)比熱容不妥。（2）同一盞酒精燈在相同的時間內(nèi)放出的熱量相等操作難度大，相同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸收相同的熱量就無法得到保證，造成實驗數(shù)據(jù)差異大，影響了實驗的可信度和實驗的科學性。許多物理教師都一直在努力改進這個實驗，其中采用電熱絲加熱水和煤油進行實驗，實驗現(xiàn)象明顯提高，但煤油在實驗中易揮發(fā)，氣味難聞，易燃，具有很大的危險性，實驗也存在不足。

二、改進實驗的客觀條件及解決問題的具體方法

改進實驗的客觀條件及解決問題的具體方法：（1）沙子的導熱性能弱，加熱過程中沙子受熱不均勻，應該采用導熱性能良好的物質(zhì)。在實驗中本人采用直徑為1.5毫米的小鋁球，利用鋁的導熱性能良好和鋁球的滾動性好，解決了原版教材實驗中兩種物質(zhì)導熱性能不同和攪拌時不容易滾動的缺陷。由于采用直徑為1.5毫米的小鋁球，顆粒小，溫度計可插入物質(zhì)中測量物質(zhì)的溫度。（2）酒精燈的熱功率不穩(wěn)定，本人利用PTC加熱片自制一種小型恒溫加熱器，這種PTC小型恒溫加熱器正常工作時它的熱輸出功率是穩(wěn)定，不受到周圍環(huán)境的影響，解決了實驗加熱過程中不同物質(zhì)吸收相同的熱量無法得到保證的難題，為熱源提供了創(chuàng)造了客觀條件。

三、實驗過程和實驗數(shù)據(jù)與分析

在實驗中，用相同LN3.3工型100毫升的兩個燒杯分別盛有80克的水和小鋁球，在PTC小型恒溫加熱器正常工作時對水和小鋁球進行加熱。實驗表明：在對水進行加熱過程中，只要溫度在10℃至65℃范圍內(nèi)，選取一個初始溫度，每分鐘記錄一次溫度，可測得每分鐘水的溫度升高2.2℃，水升高的溫度與加熱的時間（吸收相同的熱量）成正比。在對小鋁球進行加熱過程中，先用攪拌棒均勻攪拌20秒左右，使燒杯中的小鋁球均勻受熱，用溫度計測量小鋁球的溫度。實驗表明：在溫度10℃至85℃范圍內(nèi)，選取一個初始溫度，每分鐘記錄一次溫度，可測得每分鐘小鋁球的溫度升高5.2℃，鋁球升高的溫度與加熱的時間吸收相同的熱量（吸收相同的熱量）成正比。本人通過多次實驗，采用自制PTC小型恒溫加熱器對水和小鋁球進行加熱，可以確保水和小鋁球在相同時間內(nèi)吸收相同的熱量，使水和小鋁球的溫度升高成正比。

四、改進后實驗的優(yōu)點及其意義

首先是增強了實驗的可信度和科學性。由于實驗采用PTC小型恒溫加熱器具有恒溫發(fā)熱，輸出熱功率穩(wěn)定，解決了酒精燈加熱不穩(wěn)定的問題，確保了相同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸在相同時間內(nèi)吸收相同的熱量，這個實驗的條件得到保證。在上述實驗條件不變和操作正當?shù)那闆r下，重復實驗測量的數(shù)據(jù)是相同，實驗數(shù)據(jù)準確、可靠。不會出現(xiàn)原版教材實驗中測量沙子的溫度一樣，在加熱時間相同的情況下，溫度升高時多時少，這樣增強了實驗的可信度和科學性，有助于培養(yǎng)學生嚴謹、認真的科學態(tài)度。

其次是實驗效果好。改進后的實驗，獲取的實驗數(shù)據(jù)準確，學生很容易從數(shù)據(jù)中分析得到：相同質(zhì)量的不同物質(zhì)吸在相同時間內(nèi)吸收相同的熱量，升高的溫度是不相同的。從而使學生很容易認識到不同物質(zhì)在吸、放熱性能上的差別，為學生認識比熱容這個概念創(chuàng)造了條件，提高了教學效果。

再次是簡化了實驗裝置，實驗安全性高。由于采用PTC陶瓷發(fā)熱組件，無明火現(xiàn)象，比用酒精燈加熱或用電熱絲加熱煤油安全得多?，F(xiàn)在實驗裝置只需一只PTC小型恒溫加熱器和220V電源、兩個燒杯、鐵架臺、溫度計、石棉網(wǎng)、復夾就可以了，實驗裝置簡化了，操作難度也降低了。這樣可以把這個演示實驗轉(zhuǎn)變成學生實驗創(chuàng)造了條件，能讓學生更多地享受探究的過程和成功帶來的樂趣。

五、改進后實驗裝置尚存的不足

首先是由于PTC小型恒溫加熱器恒溫發(fā)熱，當物體的溫度升高到一定數(shù)值時，物體之間的熱傳遞會逐漸變?nèi)?，因此，本實驗只能在一定的范圍?nèi)進行測試。

其次是實驗中雖然解決了兩種物質(zhì)在導熱性能上的缺陷，但采用的是直徑為1.5毫米的小鋁球，小鋁球之間存在空隙，加熱過程中熱量會散發(fā)，無法達到水的比熱容與鋁的比熱容兩者的比值。

責任編輯羅峰