例說初中物理熱學(xué)圖象問題

湖北潛江江漢油田教育集團(tuán) 唐學(xué)文

物理規(guī)律可以用文字來描述，也可以函數(shù)式來表示，還可以用圖象來描述。利用圖象描述物理規(guī)律，解決物理問題的方法就稱之為圖象法。圖象法通過圖象來確定物理量之間的關(guān)系，是一種科學(xué)探究的基本方法。能直觀地反映某一物理量隨另一物理量變化的函數(shù)關(guān)系和動(dòng)態(tài)特征，形象地描述物理過程、展示物理規(guī)律、揭示物理問題，結(jié)合圖象，學(xué)生也能夠較容易地理解物理過程，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，準(zhǔn)確把握物理量之間的定性和定量關(guān)系，深刻理解問題的物理意義，找到解決問題的捷徑，分析或解決某些復(fù)雜的物理過程，提高學(xué)生的綜合能力。

在初中物理熱學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)中，利用圖象描述固體熔化、液體凝固和水的沸騰等現(xiàn)象溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，形象直觀地表示了物質(zhì)溫度的變化情況，學(xué)生通過圖象就能準(zhǔn)確地把握住晶體和非晶體的熔化凝固特點(diǎn)、液體的沸騰特點(diǎn)了；還可以應(yīng)用圖象描述比較不同物質(zhì)的吸熱能力，推導(dǎo)得到物質(zhì)比熱容的關(guān)系。下面列舉幾個(gè)實(shí)例來說說初中熱學(xué)的圖象問題。

一、熔化圖象問題

例題1、小明利用如圖1-甲所示裝置探究冰的熔化特點(diǎn),他每隔相同時(shí)間記錄一次溫度計(jì)的示數(shù),并觀察物質(zhì)的狀態(tài).

（1）應(yīng)選用顆粒________(選填“較大”或“較小”)的冰塊做實(shí)驗(yàn).

（2）圖1-乙是他根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制的“溫度—時(shí)間”圖象。由圖象可知：冰屬于________(選填“晶體”或“非晶體”),這樣判斷的依據(jù)是___________.

（3）圖1-乙中第3 min時(shí),物質(zhì)處于______態(tài)；第6min時(shí)物質(zhì)處于_____狀態(tài).

（4）圖1-乙中,物體在A點(diǎn)時(shí)具有的內(nèi)能________(選填“大于”“小于”或“等于”)在B點(diǎn)時(shí)的內(nèi)能，這是因?yàn)?_____ .

（5）開始計(jì)時(shí)時(shí)冰的溫度為________℃，由圖象可以得到冰的凝固點(diǎn)為_____.

（6）從開始加熱計(jì)時(shí)到熔化結(jié)束,共經(jīng)歷了________min，熔化過程經(jīng)歷了_____min.

分析與點(diǎn)評(píng)：本題是一道實(shí)驗(yàn)探究題，全面考查了學(xué)生對(duì)固體熔化過程和熔化規(guī)律的理解掌握情況，而其信息是由圖象來呈現(xiàn)的，因此，解題的關(guān)鍵在于弄清圖象所描述的物理過程和物理規(guī)律。這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)固體熔化時(shí)，經(jīng)歷整個(gè)探究過程，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，感知熔化特點(diǎn)，收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用圖象來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析圖象所表達(dá)的物理意義，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行反思和評(píng)估，然后做一些反饋訓(xùn)練，達(dá)到深入理解和掌握的目的。第（1）問從實(shí)驗(yàn)裝置和條件要求給予考查，為了使冰均勻受熱，應(yīng)選擇較小的冰塊做實(shí)驗(yàn)；第（2）問考查了晶體與非晶體的主要區(qū)別：是否有固定的熔點(diǎn)，在熔化過程中不斷吸熱、溫度保持不變的是晶體，否則為非晶體；第（3）問考查了觀察整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的狀態(tài)變化現(xiàn)象是否有清晰的認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中觀察到：冰經(jīng)過了“固態(tài)——固液共存——液態(tài)”三個(gè)階段，其中熔化過程中處于“固液共存”狀態(tài)；第（4）問考查了熱傳遞改變內(nèi)能的知識(shí)，不能機(jī)械片面地理解溫度對(duì)內(nèi)能的影響；第（5）問的解答要求學(xué)生正確認(rèn)識(shí)熔化溫度并與實(shí)驗(yàn)過程中開始計(jì)時(shí)的溫度區(qū)分開來，考查了同一晶體的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)相同；第（6）問考查了學(xué)生是否清楚的知道圖像那一階段表示熔化過程，要與“固態(tài)吸熱升溫、液態(tài)吸熱升溫”階段區(qū)分，不能混為一團(tuán)。

二、凝固圖象問題

例題2、下列圖象中，能正確描述液體凝固成晶體的圖象是（ ）

分析與點(diǎn)評(píng)：本題的題干部分要求選出晶體凝固圖象，而呈現(xiàn)的選項(xiàng)是晶體和非晶體的熔化圖象與凝固圖象，因此解題時(shí)，首先要排除熔化圖象，然后根據(jù)晶體和非晶體的凝固規(guī)律選出液體凝固成晶體的圖象。晶體凝固過程中，不斷放熱，溫度保持不變，而非晶體在凝固的過程中，不斷放熱，溫度不斷降低，即晶體和非晶體的凝固的主要區(qū)別在于：晶體有凝固點(diǎn)，而非晶體沒有凝固點(diǎn)。同學(xué)們不僅要記住這些知識(shí)點(diǎn)，而且要能根據(jù)圖象來加以描述，跟圖象表達(dá)的物理規(guī)律緊密的聯(lián)系起來，融會(huì)貫通的解決實(shí)際問題。

三、物質(zhì)吸熱能力（比熱容）圖象問題

例題3、用兩個(gè)相同的“熱得快”，分別給質(zhì)量、初溫都相同的甲、乙兩種液體同時(shí)加熱，兩液體的溫度隨時(shí)間變化關(guān)系的圖象如圖．根據(jù)圖象可知，甲液體的比熱容_____乙液體的比熱容（選填“大于”、“小于”或“等于”）．如果乙液體是水，那么質(zhì)量為500g，初溫為20℃的乙液體吸收1.89×105J的熱量，乙液體的溫度升高了_____℃（氣壓為一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）．

分析與點(diǎn)評(píng)：本題圖象非常直觀告訴我們：質(zhì)量相等、初溫相同的兩種物質(zhì)，在相等的時(shí)間內(nèi)吸收相等的熱量，甲升高的溫度比乙的大，從而推知乙的吸熱能力比甲的強(qiáng)；也可以從圖象直觀地看出：要使質(zhì)量相等、初溫相同的甲乙兩種物質(zhì)升高相同的溫度，乙就要吸收更多的熱量，說明了乙的吸熱能力比甲的強(qiáng)。這樣，學(xué)生就比較容易理解相關(guān)的物理知識(shí)。物質(zhì)的吸熱能力是用“比熱容”這個(gè)物理量來表示的，吸熱能力強(qiáng)的比熱容大，反之吸熱能力弱的比熱容小。通過進(jìn)一步分析圖象，還可以得到一些結(jié)論：質(zhì)量一定的某種物質(zhì)吸收的熱量跟升高的溫度成正比；在同一圖象內(nèi)，在其它條件相同的條件下，比熱容越大的物質(zhì)溫度隨時(shí)間變化關(guān)系的直線圖象的斜率越小。這些結(jié)論有助于對(duì)公式Q =cm△t理解，擴(kuò)展思維空間，提升理解能力。

例題5、已知c水=4.2×103J/（kg·℃），在上述例題1中，假設(shè)試管中冰的質(zhì)量為50g，在整個(gè)過程中相同時(shí)間內(nèi)試管內(nèi)的物質(zhì)吸熱相等，請(qǐng)根據(jù)1-乙圖的相關(guān)信息計(jì)算：冰在熔化過程中吸收的熱量是_____，冰的比熱容_____水的比熱容。（選填“＞”“＝”或“＜”）

分析與點(diǎn)評(píng)：這道題是晶體的熔化圖象和物質(zhì)吸熱能力的圖象問題的綜合應(yīng)用，解題的關(guān)鍵是要從圖象獲取信息，理清冰在熔化過程中吸收的熱量是不能用公式Q =cm⊿t來計(jì)算的，但熔化成水后溫度升高所吸收的熱量可以用公式Q = cm⊿t來計(jì)算,這樣根據(jù)圖象信息先計(jì)算得到試管內(nèi)的物質(zhì)每分鐘吸收的熱量，再推導(dǎo)出冰在熔化過程中吸收的熱量；比較“冰吸熱升溫”階段與“水吸熱升溫”階段的直線斜率，不難得出冰的比熱容小于水的比熱容。這里還可以進(jìn)一步拓展，利用圖象信息和前面的計(jì)算量求出冰的比熱容的大小。