論比熱容實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

◆宋豐艮

(山東桓臺(tái)縣世紀(jì)中學(xué))

論比熱容實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

◆宋豐艮

(山東桓臺(tái)縣世紀(jì)中學(xué))

《探究不同物質(zhì)的吸熱能力》在初中階段是非常重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，為了實(shí)現(xiàn)其易操作性、安全性等，做了一下改進(jìn)：用盛滿(mǎn)熱水的保溫杯作為熱源，在兩支相同的試管中加入同質(zhì)量的酒精和水作為研究對(duì)象，并在試管中固定好溫度計(jì)，與保溫杯組裝起來(lái)，就組成了改良后的實(shí)驗(yàn)裝置。經(jīng)使用，發(fā)現(xiàn)能夠比較清晰，方便地將實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示出來(lái)。

保溫杯 試管 溫度計(jì) 泡沫塑料

《探究不同物質(zhì)的吸熱能力》是比熱容部分最重要的實(shí)驗(yàn)之一，在以往的教學(xué)過(guò)程中，大部分教師的處理方式是視頻教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)室、flash動(dòng)畫(huà)等。不僅僅因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)的教具相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而且在實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作過(guò)程中有一定的危險(xiǎn)性，所以在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，我們尋求的是實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，能更清晰、安全的展示出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

一、課本教材實(shí)驗(yàn)展示

以水和食用油為研究對(duì)象，參考右圖的實(shí)驗(yàn)裝置，用天平稱(chēng)取相同質(zhì)量的水和食用油，分別裝入兩個(gè)相同的燒杯內(nèi)。用電加熱器給它們加熱，用溫度計(jì)測(cè)量液體吸收熱量后升高的溫度值，并用鐘表記錄加熱時(shí)間。在質(zhì)量一定時(shí)，比較兩種物質(zhì)的吸熱能力。如果加熱時(shí)間相同，即液體吸收熱量相同的情況下，溫度變化小的吸熱能力強(qiáng)；如果溫度變化相同，則加熱時(shí)間長(zhǎng)的吸收熱量多，吸熱能力強(qiáng)。(如圖1所示)

1.優(yōu)點(diǎn)

(1)電加熱器更加穩(wěn)定，不容易受到外界因素的干擾，如果選用酒精燈，那么熱源容易產(chǎn)生差別。

(2)水和煤油的吸熱能力相差較大，能夠清晰從溫度計(jì)或者加熱時(shí)間上比較出兩者之間差別。

2.劣勢(shì)

從加熱裝置上來(lái)說(shuō)，此實(shí)驗(yàn)可以作為演示實(shí)驗(yàn)，在大部分的城鎮(zhèn)學(xué)校無(wú)法達(dá)到使用電加熱器的標(biāo)準(zhǔn)，更不用說(shuō)將這個(gè)實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，自己去探究實(shí)驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，涉及到了熱學(xué)和電學(xué)過(guò)程，從操作上和安全上來(lái)說(shuō)，并不適合初中學(xué)生來(lái)完成此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

二、改進(jìn)措施

1.裝置改進(jìn)

在本實(shí)驗(yàn)中，要求研究的熱源具有一定的穩(wěn)定性，所以在改進(jìn)時(shí)熱源的改進(jìn)需要進(jìn)一步斟酌。

(1)在熱源的改進(jìn)過(guò)程中，首先我選擇的是將電加熱器換成酒精燈，要求盡量完全相同的兩個(gè)酒精燈。

酒精燈的操作更加的方便，安全性上來(lái)說(shuō)，也避免了電的介入。但酒精燈的加熱，我們不能保證熱源的穩(wěn)定性。

(2)鑒于熱源的穩(wěn)定性的處理，我將酒精燈減少為一個(gè)(如右圖2所示)，共同給兩個(gè)燒杯內(nèi)的液體進(jìn)行加熱。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于兩個(gè)燒杯內(nèi)的液體而言，熱源具有穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較清晰。

劣勢(shì)：實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，液體的量相對(duì)于熱源來(lái)說(shuō)，偏重。

(3)處理上述問(wèn)題，我采用的方法是將盛液裝置有燒杯換成試管，并將試管放入正在加熱的水中，觀(guān)察現(xiàn)象(如右圖3所示)。

優(yōu)點(diǎn)：能夠保證熱源的穩(wěn)定性，并能快速的觀(guān)察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

劣勢(shì)：本裝置固定溫度計(jì)使用的是鐵架臺(tái)，移動(dòng)明顯不方便，而且有一定的安全隱患。此外酒精燈的使用，我們也可以做替代處理。

(4)介于上述的要求，我們使用泡沫塑料，借鑒了螺絲墊的原理以及兩點(diǎn)確定一條直線(xiàn)的理論，使用兩個(gè)泡沫所料墊將溫度計(jì)固定在了試管中(如圖4所示)。同時(shí)用將起加熱作用的酒精燈去掉，來(lái)觀(guān)察現(xiàn)象(如圖5所示)。

由于外界氣溫較低，使用圖5的裝置，我發(fā)現(xiàn)用于加熱的熱水溫度降低速度較快，導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯。所以，我將圖5燒杯換成保溫杯，發(fā)現(xiàn)效果很好。這個(gè)裝置，便于攜帶，而且利用的是大家熟悉的加熱工具，體現(xiàn)了物理與社會(huì)生活的練習(xí)。

2.材料的改進(jìn)

教材中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，是利用的水和煤油，但在上述的裝置中加熱時(shí)。但吸收相同的熱量時(shí)，兩種液體溫度變化不明顯。在改進(jìn)中，我將煤油替換成了豆油，色拉油等等，發(fā)現(xiàn)效果不明顯，所以我要選擇比熱容差距較大的兩種物質(zhì)，重做實(shí)驗(yàn)。

(1)鑒于固體與液體比熱容的差距較大，我選擇的材料為細(xì)沙和水，重新做上述的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)我們看到，細(xì)沙升溫速度比水的升溫速度慢，與正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相違背。經(jīng)教研組研究，我們認(rèn)為影響實(shí)驗(yàn)效果的因素有這樣幾個(gè)：首先，沙子的熱傳導(dǎo)效果比較差，所以，沙子中溫度計(jì)的變化一開(kāi)始比較緩慢。其次，在加熱過(guò)程中，我們無(wú)法對(duì)沙子進(jìn)行加熱，所以在不同區(qū)域受熱不均勻。

(2)鑒于上述的問(wèn)題，我發(fā)現(xiàn)固體并不適合實(shí)驗(yàn)，所以重新從液體中選擇加熱材料，一個(gè)偶然的想法，我決定使用酒精和水，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以看到：質(zhì)量相同的水和酒精，吸收相同的熱量(加熱時(shí)間相同)，升溫慢的，吸熱能力強(qiáng)。同樣的，我們也可以發(fā)現(xiàn)升高相同的溫度，水吸收的熱量多。

三、結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們總結(jié)出：不同物質(zhì)的吸熱能力不同，我們用比熱容來(lái)代表物質(zhì)這種能力。

這種能力體現(xiàn)兩個(gè)方面：①質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，升高(或降低)相同的溫度，比熱容大的物質(zhì)吸收(或放出)的熱量多。②質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，吸收(或放出)相同的熱量，比熱容大的物質(zhì)升溫(或降溫)慢。

四、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

該實(shí)驗(yàn)用到器材是保溫杯和試管，所以熱源的供應(yīng)是有一定時(shí)間限制的，此外兩種液體放在了試管中，質(zhì)量較小，所以溫度變化很快，用時(shí)較短，所以需要及時(shí)觀(guān)察記錄。