“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”實驗的改進與創(chuàng)新

程文潔

【摘要】“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”實驗是初中物理熱學中的一個重要實驗，教材中的實驗器材和研究方法具有一定的局限性。本文通過對實驗方案和器材進行改進，提高了加熱效率，直觀地展現(xiàn)了水和油吸收的熱量和溫度的關(guān)系圖線，取得了較好的實驗效果。

【關(guān)鍵詞】吸熱能力;初中物理;傳感器;磁力加熱攪拌器;實驗改進

在探究“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”實驗中，若按照人教版教材上的實驗裝置只能進行演示實驗，因為紅外線加熱器裝置在初中物理實驗室中一般沒有配備，因而具有一定的局限性。鑒于九年級的學生已經(jīng)通過之前的“探究同種物質(zhì)的質(zhì)量和體積的關(guān)系”實驗得出實踐經(jīng)驗，筆者對“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”實驗的方案和器材進行了進一步優(yōu)化，取得了較好的實驗效果。本文通過對擴展性實驗的記錄和分析，呈現(xiàn)了數(shù)字化的現(xiàn)代實驗手段，以期對中學實驗課程有所裨益。

一、教材實驗回顧

人教版初中物理九年級物理第十三章第三節(jié)“比熱容”介紹了“比較不同物質(zhì)吸熱的情況”實驗，實驗過程如下。

（1）稱取等質(zhì)量的水和食用油裝入燒杯內(nèi)，組裝實驗器材。

（2）記錄液體的初溫，用電加熱器（熱得快）加熱液體。

（3）通電一段時間后，停止加熱，記錄液體溫度。

二、教材實驗不足分析

1.實驗器材的局限性

（1）教材中選用的加熱儀器為電加熱器。首先，電加熱器要全部浸入液體中，不能碰到容器底部或容器壁，這在實驗過程中較難實現(xiàn)。其次，“熱得快”功率一般在1000～1500W左右，功率較大，在實際操作中發(fā)現(xiàn)，當有四個電加熱器同時工作時，實驗臺的開關(guān)會因為過載而斷開，故按照教材中的實驗方案，只能進行演示實驗。

（2）教材中選用敞口燒杯作為加熱容器。由于電加熱器需要全部浸入液體中，實驗中需要較多的液體而杯敞口，散失的熱量較多，這就導致加熱時間過長。同時，在加熱過程中高溫液體易濺出，導致實驗存在較大安全隱患。

（3）教材實驗缺少攪拌裝置。實驗中如果采用玻璃棒攪拌液體，由于電加熱器和溫度計的存在，很難均勻攪拌，這就導致整杯液體的溫度不均勻，在測量過程中可能存在較大誤差。

（4）教材實驗不方便讀取溫度。實驗中的溫度計沒有固定，再加上加熱后水蒸氣容易在溫度計表面液化成小水珠，在實驗過程中讀取溫度存在一定困難。

綜上分析，教材中的實驗器材在演示實驗上具有一定局限性，并不適合初中生進行分組實驗。

2.學生認知的局限性

密度、比熱容是初中物理中的兩個重要概念，它們都是物質(zhì)本身的特性，都采用比值定義法進行定義，但教材中幾乎沒體現(xiàn)出兩個概念的建立過程及其相應的聯(lián)系。在八年級物理課程中密度概念的建立利用了圖像法，讓學生通過動手實驗描點、連線得到“同種物質(zhì)質(zhì)量和體積的比值為定值，不同物質(zhì)比值不同”這一實驗結(jié)論，進而建立密度的概念。而比熱容概念的建立只是簡單比較了加熱相同時間之后水和油升溫程度的不同，就得出“不同物質(zhì)，在質(zhì)量相等、升高的溫度相同時，吸收的熱量不同”這一實驗結(jié)論，沒有通過圖像直觀展現(xiàn)，導致學生在理解上出現(xiàn)困難，不利于比熱容概念在學生頭腦中的建立。

（三）實驗改進要點

1.實驗方法改進

為了提高學生的動手實驗能力、激發(fā)學生學習物理的興趣，本實驗采用了演示實驗與分組實驗相結(jié)合的方式。演示實驗使用溫度傳感器自動收集數(shù)據(jù)，運用相應的計算機軟件在計算機上自動繪制出溫度隨時間變化的圖像。分組實驗采用溫度計收集數(shù)據(jù)、學生列表、描點來分析數(shù)據(jù)。這樣既考慮了中學生計算機操作水平有限的問題，也可以與八年級物理知識點“密度”概念的建立聯(lián)系。

2.實驗器材的改進

（1）加熱方式：采用磁力加熱攪拌器進行加熱。磁力加熱攪拌器功率小、加熱面大且均勻，加熱檔位可調(diào)，方便大規(guī)模多臺同時使用。

（2）加熱容器：選用帶塞的錐形瓶。錐形瓶的底面積大、容積小，大大縮短了加熱時間，相比較于帶孔橡皮塞，雖然便于固定溫度計和傳感器探頭，但也減少了熱量的散失。

（3）數(shù)據(jù)收集、分析方式：選用演示實驗和學生分組實驗兩種方式。演示實驗中采用溫度傳感器收集海量數(shù)據(jù)，利用計算機軟件自動分析繪制溫度圖線。學生分組實驗中學生通過溫度計收集數(shù)據(jù)，列表記錄、分析數(shù)據(jù)。

（4）增加攪拌裝置：錐形瓶中放入磁力攪拌子，磁力攪拌子在磁力作用下旋轉(zhuǎn)使得整瓶液體溫度均勻，而且攪拌的速度可調(diào)，從而減小了實驗誤差。

（5）增加兩處玻璃管：橡皮塞上方的玻璃管能夠平衡瓶內(nèi)外氣壓，防止塞子彈出引發(fā)的安全隱患。橡皮塞下方的玻璃管起到固定傳感器探頭方向的作用。

四、實驗效果評價

教師將教材中的演示實驗改為分組實驗，并根據(jù)學生學習的能力不同分配不同難度的任務：1號學生負責計時和分析實驗數(shù)據(jù)，2號學生負責讀取并記錄油的溫度，3號學生負責讀取、記錄水的溫度。學生通過列表，分析分組實驗中溫度計收集到的溫度數(shù)據(jù)，得出“物體吸收熱量的多少與物質(zhì)種類有關(guān)”這一初步結(jié)論。然后分析演示實驗得到的圖線，類比m-v圖像得出“同種物質(zhì)的吸熱能力相同，不同物質(zhì)吸熱能力一般不同”。最終得出結(jié)論：物體吸收的熱量（Q吸）的多少與物體的質(zhì)量（m）、升高的溫度（△t）、物質(zhì)的種類（K）有關(guān)，即Q吸=m△tk，物理上我們把這一與物質(zhì)種類有關(guān)的量k定義為比熱容，用C表示，于是得到比熱容的定義式C=Q/m△t。這樣，通過直觀的展示，比熱容的概念更容易被學生理解掌握。

五、拓展實驗

1.演示“探究水沸騰時溫度變化的特點”實驗

教師在課堂上演示“探究水沸騰時溫度變化的特點”實驗時，經(jīng)常遇到的問題是等待酒精燈將水加熱至沸騰的時間過長，而且只有參與實驗的人才能觀察到溫度計的示數(shù)。本實驗裝置中溫度傳感器每5秒收集一次溫度，溫度圖線很直觀地顯示在計算機屏幕上，而且利用磁力加熱攪拌器從20攝氏度室溫加熱至沸騰只需要2分鐘，這就大大縮短加熱的時間，提高了課堂效率。利用同樣的原理，將水換成冰、蜂蠟還可以探究“固體融化時溫度的變化規(guī)律”。

2.演示“流體壓強和流速關(guān)系”實驗

水旋渦現(xiàn)象涉及八年級物理流體壓強知識，利用本實驗中的磁力攪拌子可以輕松進行演示，攪拌子可以在磁力作用下旋轉(zhuǎn)，帶動錐形瓶底部的水轉(zhuǎn)動，形成旋渦。這樣直觀且方便的實驗方法，將極大地提高課堂效率，同時滿足學生的好奇心，激發(fā)學生的學習興趣。

實驗教學在構(gòu)建“真體驗、有感悟、善應用”的物理課程中起著巨大的作用，而對實驗進行挖掘與改進對突出重點、突破難點很有幫助。本節(jié)實驗將溫度傳感器、磁力加熱攪拌器等現(xiàn)代化實驗器具運用于實驗，不僅體現(xiàn)了新技術(shù)、新方法、新材料在實驗中的應用，還為以分組實驗為核心，改進演示實驗的教學改革做出有效示范，讓學生通過對比課堂探究實驗與數(shù)字化的現(xiàn)代實驗手段的不同而感知經(jīng)典、感受現(xiàn)代、感悟創(chuàng)新。

【參考文獻】

梁智毅.比較不同物質(zhì)的吸熱能力實驗的探究與改進[J].教學儀器與實驗，2008（12）：8.