利用轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)有效建立概念

龔冬子

摘 要：比熱容的概念因其比較抽象、內(nèi)涵有深度、外延有廣度而難以理解和應(yīng)用，老師的教和學(xué)生的學(xué)都有相當(dāng)?shù)碾y度。本文通過分析比熱容概念建立的難點(diǎn)癥結(jié)，分析原因，提出通過實(shí)驗(yàn)有效建立比熱容概念的建議。

關(guān)鍵詞：比熱容 ；實(shí)驗(yàn)探究；概念建立

在初中物理眾多的概念中，比熱容的概念因其比較抽象、內(nèi)涵有深度、外延有廣度而難以理解和應(yīng)用，老師的教和學(xué)生的學(xué)都有相當(dāng)?shù)碾y度。滬科版教材是通過“探究物質(zhì)吸熱或放熱的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)，比較水和煤油吸熱能力不同，進(jìn)而建立了比熱容的概念。這種方式建立概念的過程是間接迂回的，學(xué)生對概念的理解會(huì)出現(xiàn)“囫圇吞棗”現(xiàn)象。有效建立比熱容的概念，必須明確比熱容概念建立的難點(diǎn)，針對難點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

1 比熱容概念建立的難點(diǎn)

（1）比熱容概念涉及的物理量數(shù)量是初中物理概念中最多的教材用比值法定義比熱容，雖然在建立概念時(shí)相對容易，但其物理意義更難以理解。

比熱容是為了表示物質(zhì)吸熱和放熱的本領(lǐng)引入的概念，是物質(zhì)的一種特性，與物質(zhì)的種類有關(guān)，一般不同的物質(zhì)比熱容不同，與是否吸熱或放熱，吸熱或放熱多少、質(zhì)量等因素?zé)o關(guān)。但是，比熱容的大小等于一定質(zhì)量的某種物質(zhì)在溫度升高（或降低）時(shí)吸收（或放出）的熱量與它的質(zhì)量和升高（或降低）溫度的乘積之比，比熱容的定義涉及到吸收（或放出）的熱量、質(zhì)量和升高（或降低）的溫度三個(gè)物理量。這二者結(jié)合起來看似乎是矛盾的，給學(xué)生正確理解比熱容概念造成極大的困擾。

（2）教材通過給質(zhì)量相同的水和煤油加熱，讓它們升高相同的溫度，通過比較加熱時(shí)間比較兩種物質(zhì)吸熱的多少，進(jìn)而比較它們的吸熱本領(lǐng)。對學(xué)生而言有兩個(gè)難點(diǎn)。

一是為什么要比較相同質(zhì)量的不同物質(zhì)升高相同的溫度時(shí)吸熱的多少，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的意圖是什么？教材為引入實(shí)驗(yàn)所做的鋪墊是：明確“物體吸熱后溫度可能升高”，提出“不同物體升高相同的溫度吸收的熱量是否相同”的疑問，通過煤氣灶燒水的生活常識，明確“同一種物質(zhì)升高相同的溫度，質(zhì)量越大的物體吸熱越多”，最終引出實(shí)驗(yàn)“探究相同質(zhì)量的不同物質(zhì)在升高相同的溫度時(shí)，吸收熱量的多少是否相同”。顯然，因?yàn)槿狈W(xué)生的體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的引入比較晦澀和突兀。同時(shí)，與實(shí)驗(yàn)后引入比熱容的概念沒有形成有效的銜接，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前難免不知所云，不知道為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

二是為什么比較加熱時(shí)間可以比較液體吸熱的多少。因?yàn)闊崃繘]有具體的可視形體，吸熱的多少也沒辦法利用測量工具進(jìn)行直接測量，因此，判斷物質(zhì)吸熱多少只能采用轉(zhuǎn)換法，轉(zhuǎn)換為可以測量的加熱時(shí)間，通過比較加熱時(shí)間判斷物質(zhì)吸熱的多少。教材中提到“當(dāng)熱源相同時(shí)，兩液體升高溫度相同的情況下，加熱時(shí)間越長的液體從熱源吸熱越多”，從熱傳遞的角度分析，熱源在相同的時(shí)間放出的熱量相同，不計(jì)熱量損失或熱量損失相當(dāng)?shù)那闆r下，液體吸收的熱量也相同，相同的道理，熱源放熱時(shí)間越長，液體吸收熱量也越多，這是教材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的本意。在實(shí)際的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍掌握不好，因?yàn)檗D(zhuǎn)換法之前接觸較少，特別是，本實(shí)驗(yàn)的這種轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的比較突然，學(xué)生理解和應(yīng)用需要一個(gè)過程。

（3）給兩種液體加熱相同的時(shí)間，觀察到的現(xiàn)象是煤油溫度升得高，大部分學(xué)生的思維是，其它條件相同，因?yàn)槊河蜕叩臏囟榷?，所以煤油的吸熱本領(lǐng)大。

究其原因，應(yīng)該有兩個(gè)，一是受前面知識的影響，認(rèn)為同一物體吸熱越多，溫度升高也越高，反之，溫度升高越高，吸收熱量也越多。二是依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)判斷，認(rèn)為溫度升高越高，就是因?yàn)槲鼰岜绢I(lǐng)大。因此怎么處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生正確理解比熱容的概念，是教學(xué)的難點(diǎn)所在。

2 利用轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn) 有效建立概念

物理概念的建立，離不開感知和抽象兩個(gè)過程，必須體現(xiàn)過程性，必須遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律[ 1 ]。歸納上述幾個(gè)問題不難發(fā)現(xiàn)，影響比熱容概念教學(xué)最重要的環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)探究，科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)決定了比熱容概念能否順利建立。在新課教學(xué)時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循概念內(nèi)在的規(guī)律，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生順利建立比熱容的概念。

2.1 利用轉(zhuǎn)換引入探究問題

教材通過煤氣灶燒水和加熱不同金屬的事例入手，提出問題“質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，在升高相同的溫度時(shí)，吸收熱量的多少是否相同”，從而引出實(shí)驗(yàn)探究?？梢宰儞Q角度，從物質(zhì)吸熱的多少與哪些因素有關(guān)入手，引導(dǎo)學(xué)生分析生活中最常見的兩個(gè)燒水的情景：燒開一壺水和燒開半壺水（質(zhì)量不同，升高的溫度相同）需要的時(shí)間是否一樣？把一壺水燒開和把一壺水燒成溫水（質(zhì)量相同，升高的溫度不同）需要的時(shí)間是否一樣？學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)軒椭麄冋J(rèn)識到物質(zhì)吸熱的多少跟物質(zhì)的質(zhì)量和升高的溫度有關(guān)。繼續(xù)提出問題，物質(zhì)吸熱的多少除了跟質(zhì)量和升高的溫度有關(guān)，還跟什么因素有關(guān)呢？學(xué)生猜想，引導(dǎo)學(xué)生猜想還跟物質(zhì)的種類有關(guān)，有效引出后面的實(shí)驗(yàn)探究。

這樣角度的轉(zhuǎn)換至少有幾個(gè)好處：

（1）“燒水”是生活中非常常見的情景，學(xué)生都很熟悉、很親切，生活經(jīng)驗(yàn)可以幫助他們做出正確的判斷。

（2）多次出現(xiàn)“通過比較加熱時(shí)間長短判斷水吸收熱量的多少”，為后面的實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

（3）提出“物質(zhì)的種類”這一說法，是為實(shí)驗(yàn)后提出“吸熱的本領(lǐng)”做準(zhǔn)備，因?yàn)榉治鰧?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同質(zhì)量的水和煤油升高相同的溫度，之所以吸收的熱量不同就是因?yàn)樗鼈兪遣煌N的物質(zhì)，吸熱的本領(lǐng)是不一樣的，從而引出用“比熱容”這一物理量表示物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)。從概念引入的角度看，顯然這種轉(zhuǎn)換是更有效，更容易接受的。

（4）物質(zhì)吸熱的多少與質(zhì)量、升高的溫度和物質(zhì)的種類（比熱容）有關(guān)，為更好地理解和掌握熱量的計(jì)算做準(zhǔn)備，體現(xiàn)了知識的連續(xù)性和首尾呼應(yīng)。

2.2 采用轉(zhuǎn)換法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教材中的實(shí)驗(yàn)用酒精燈給水和煤油加熱，熱源很難做到相同，甚至很難做到接近，畢竟影響酒精燈放熱和液體吸熱的因素太多了。實(shí)驗(yàn)中既然要準(zhǔn)確測量加熱時(shí)間，定量分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)按照定量實(shí)驗(yàn)的基本要求，排除不穩(wěn)定因素對采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的干擾?？刂茻嵩聪嗤袃煞N方案可供選擇。

方案一：用電熱棒代替酒精燈

市面上有售500W左右的小功率電熱棒，發(fā)熱管長度10cm 左右，放在燒杯中給水和煤油加熱時(shí)發(fā)熱管正好浸沒在液體中。用電熱棒代替酒精燈有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）只要使用功率相同的電熱棒，可以真正做到熱源相同。根據(jù)電功、電功率和加熱時(shí)間的關(guān)系，通過比較加熱時(shí)間可以準(zhǔn)確比較電熱棒放出熱量的多少，在熱損失幾乎相同的情況下（這種加熱方式熱損失極小），就可以比較液體吸熱的多少。

（2）不必?fù)?dān)心知識超前學(xué)生難以理解，畢竟電熱棒是家用電器，只要強(qiáng)調(diào)規(guī)格相同的電熱棒加熱時(shí)間相同放出的熱量相同，加熱時(shí)間越長，放出的熱量越多就可以了。相反，這種加熱方式為今后解決電熱綜合題作了鋪墊。

方案二：水浴法加熱

借鑒晶體熔化的實(shí)驗(yàn)，采用水浴法給水和煤油加熱。在大燒杯中加入熱水，用熱水給試管中的水和煤油加熱（如圖1），且試管中液體的液面低于燒杯中的水面。這種加熱方式的好處：一是試管內(nèi)的液體受熱更均勻，溫度變化更平穩(wěn)；二是可以更方便地控制末溫，確保兩種液體末溫相同，只要初溫相同，升高的溫度就相同。

2.3 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立比熱容的概念

“分析與論證”是通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較、尋找數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，并且能夠用準(zhǔn)確、簡潔的物理語言加以表述[ 2 ]。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)并不復(fù)雜，通過之前有意識的引導(dǎo)，學(xué)生在表格中能根據(jù)加熱時(shí)間長短填上水吸熱的“多”，煤油吸收熱量“少”。引導(dǎo)學(xué)生回答實(shí)驗(yàn)提出的問題：相同質(zhì)量的不同物質(zhì)，升高相同的溫度時(shí)吸收的熱量不同，說明物質(zhì)吸熱的多少與物質(zhì)的種類有關(guān)，不同的物質(zhì)吸熱的本領(lǐng)不同。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，水吸收收更多的熱量，說明水的吸熱本領(lǐng)大。為了表示物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)，引入比熱容這一物理量，從而順利引入比熱容的概念。

在用比值法給出了比熱容的定義之后，將比熱容的定義式變形為Q=cmΔt，不難發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)吸熱多少等于質(zhì)量、升高的溫度和比熱容的乘積，正好驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)論“物質(zhì)吸熱的多少除了跟質(zhì)量和升高的溫度有關(guān)，還跟物質(zhì)的種類有關(guān)”。

在定義比熱容時(shí)，甚至可以直接利用數(shù)學(xué)手段，將公式Q=cmΔt變形為c=，從而得出比熱容的定義。

綜上所述，通過轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)引入的角度，提出更明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，分析數(shù)據(jù)得出不同物質(zhì)吸熱本領(lǐng)不同，從而順利建立比熱容的概念。在建立比熱容概念的過程中，實(shí)驗(yàn)是重要的環(huán)節(jié)，只有科學(xué)、合理、遵循概念內(nèi)涵、符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)才能有效建立物理概念。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧建元.淺談初中物理概念教學(xué)的有效性[J].中學(xué)物理，2012（6）：11-12.

[2]張霞.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、分析與論證[J].中學(xué)生數(shù)理化（八年級物理）（配合人教社教材），2010（11）：27-28.