給抽象的物理概念插上形象的“翅膀”
——以“比熱容”的教學為例

(江蘇省泰州市海軍中學，江蘇 泰州 225300)

說起物理，許多學生都有怕的感覺，認為物理難學。難在何處？難在概念的抽象上。而物理學正是由一個個抽象的概念壘起的，與學生已經(jīng)學過的密度、壓強等概念相比，比熱容的概念更為抽象，學生把握的難度也就更大。比熱容是初中物理中繼密度后的又一個物質屬性，它是學習熱量計算、熱值、熱機效率等的基礎。比熱容又是一個容易導致學生產(chǎn)生兩極分化的核心概念，也是一個被中考命題人青睞的考點，甚至成為中考試卷壓軸題的內(nèi)容之一。學會建構比熱容概念的科學方法，對于學生學習其他核心概念具有指導意義，它體現(xiàn)了物理教師化解教學重難點的基本功。如何以更寬廣的視野審視比熱容教學的內(nèi)涵，給抽象的概念插上形象的“翅膀”？這是物理教師的責任之所在，筆者對此作深入探討。

1 教材中概念建構的思路及其教學處理

1.1 教材的概念建構思路

蘇科版物理教材對比熱容概念的建構思路如下。

(1) 交流討論：怎樣比較在海邊游玩時在沙灘上和在海水中的不同感覺？

(2) 提出問題：同樣都是在太陽光照射下，為什么沙子和海水的溫度不一樣？

(3) 猜想假設：可能是沙子吸熱升溫比海水快。

(4) 實驗論證：用酒精燈分別對沙子和水加熱，比較它們溫度上升的快慢。

(5) 得出結論：對于同種物質，Q/(m·Δt)是相等的；對于不同種物質，Q/(m·Δt)一般不相等。

(6) 建立概念：將物體溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比定義為比熱容，即c=Q/(m·Δt)。

(7) 知識應用：物體吸收熱量Q吸=cm(t-t0)，物體放出熱量Q放=cm(t0-t)。

1.2 教材運用中存在的問題及對策

通常情況下教師會按教材的思路組織教學，筆者嘗試后發(fā)現(xiàn)有兩個問題值得商榷。

(1) 問題情境的設置缺乏明確的探究方向。教材設置了“赤腳走在海邊的沙灘上覺得沙子很燙，當他們跳進海水中時，卻覺得海水較涼”的問題情境，目的是讓學生能夠提出需要探究的問題：物體吸收熱量與其質量和溫度變化的關系。但面對這樣的問題情境，學生會偏離預設的“軌道”，可能會提出很多方案：比較它們在太陽光照射下的表面積，關注它們的狀態(tài)不同，觀察它們能否導熱等等。面對這樣的課堂實際，教師就要把學生拉回“正軌”，會把“探究的問題”生硬地強加給學生。

(2) 學生難以真正理解比熱容的內(nèi)涵，因為他們只知道比熱容是物體吸收的熱量與其質量和升高溫度的乘積之比。如果問學生：為什么把物體吸收的熱量與其質量和升高溫度的乘積之比定義為比熱容？他們可能會回答：因為同種物質的這個“之比”是相同的，不同種物質的這個“之比”是不同的。顯然，“之比一定”是建立比熱容概念的原因，這里出現(xiàn)了“因果顛倒”的錯誤。如果你繼續(xù)追問：比熱容反映的是物質怎樣的一種物理屬性？學生很有可能無法回答。

1.3 解決的方案探索

教材的編寫思路回避了“物質吸熱能力”這個關鍵，從而未能解決比熱容教學的兩個基本問題：(1) 為什么要把物體吸收的熱量與其質量和升高溫度的乘積相比？(2) 為什么要用物體吸收的熱量與其質量和升高溫度乘積的比值來定義比熱容？筆者認為：為解決上述問題，要基于教材進行創(chuàng)新設計，將教材中的問題情景引向形成比熱容概念的源頭——比較不同物質的吸熱能力上來。針對其概念的抽象性較強，還須借助科學思維方法，化難為易，變抽象為形象，使之成為比熱容教學的“源頭活水”。

2 概念建構過程探討

2.1 從生活觀察中引入概念

設計思路：對學生而言，剛接觸物理概念時，通常需以直觀的經(jīng)驗事實為基礎。設計貼合學生實際的問題情境，讓學生在用已有知識解決問題的過程中，發(fā)現(xiàn)新的問題，從而激發(fā)其探究的欲望。

上課伊始，以學生去海濱浴場游泳的親身經(jīng)歷為話題進行交流討論(如圖1)，為什么在同樣的艷陽高照下，赤腳走在沙灘上感覺腳下的沙子很燙，跳進海水中時卻有冰火兩重天的感覺，海水是涼涼的？

圖1

沙子燙，說明沙子的溫度較高；海水涼爽，說明海水的溫度很低。通過溫度高低的原因分析，引發(fā)學生認知沖突。

生1：是否可以從它們吸收太陽熱的能力上進行思考？可能是沙子吸收太陽熱的能力大，使沙子的溫度上升得快，溫度就變得很高，給人以燙的感覺。而海水吸收太陽熱的能力小，使海水的溫度上升得慢，溫度還很低，給人以涼的感覺。

生2：我的觀點恰好相反，誰的吸熱能力大，表示其容納熱量的本領大。吸收相同的熱量，溫度上升得慢的海水，其容納熱量的本領才大，這就是“有容乃大”的道理。

為了解決學生認知上的沖突，教師設計第一個演示實驗，將抽象概念形象化。

這好比如圖2所示的兩個容器，一個是量筒，一個是燒杯，顯然量筒的橫截面積小。然后設問：倒入相同體積的水，誰的水面升得高？顯然是橫截面積小的量筒的水面上升得高。再將其類比為沙子的吸熱能力，讓學生明白了吸收相同的熱量，溫度升得快的物質吸熱能力小。要比較沙子和水的吸熱能力，就得比較它們溫度升高的快慢。

圖2

2.2 在實驗探究中生成概念

圖3

設計思路：讓學生仔細觀察教材插圖中的實驗裝置(如圖3)。提問：(1) 要確保實驗的條件相同，須考慮哪些因素？(2) 如何確保水和沙子能均勻受熱？(3) 怎樣比較水和沙子的吸熱能力？有哪些方法？(4) 本實驗要收集哪些數(shù)據(jù)？如何處理實驗數(shù)據(jù)？(5) 從中可以得出什么結論？前3個問題重在培養(yǎng)學生的觀察能力，后2個問題為探究實驗指明方向，為生成“比熱容”概念鋪路。

生3：要比較水和沙子的吸熱能力，必須保證它們的質量和初溫都相同，還要保證外界的條件相同，即加熱用的燒杯和酒精燈要相同。有兩種方法可比較它們吸熱能力的大?。?1) 加熱相同的時間，比較水和沙子溫度升高的快慢，溫度升得慢的吸熱能力大；(2) 升高相同的溫度，比較水和沙子加熱時間的長短，加熱時間長的吸熱能力大。

生4：實驗裝置中的石棉網(wǎng)，能將酒精燈火焰的熱量均勻傳遞給燒杯；燒杯中的攪拌棒不停地攪拌燒杯內(nèi)的水或沙子，能使燒杯底部所受的熱量均勻傳遞給杯內(nèi)的水或沙子。用秒表測量加熱的時間，用燒杯中的溫度計分別測量水和沙子的溫度，將測量的結果記錄在已經(jīng)設計好的表1中，利用表1中的實驗數(shù)據(jù)描繪圖像(如圖4)。分析表1中數(shù)據(jù)可知：10分鐘內(nèi)沙子的溫度升高到64.7℃，而水的溫度只升高到33.6℃，吸熱時水相比沙子升溫慢，說明水的吸熱能力比沙子大。分析圖4，溫度同樣升高到30℃時，沙子的加熱時間為1.6分鐘，水的加熱時間為7.0分鐘，水吸收的熱量比沙子多，也說明水的吸熱能力比沙子的大。

表1

圖4

生5：沙子和水吸熱升溫的圖像都是過原點的直線，即沙子或水吸熱升高的溫度與其加熱的時間成正比。如果將加熱的時間轉化為吸收的熱量，就可以得出結論：沙子或水升高的溫度與其所吸收的熱量成正比。從圖4中還發(fā)現(xiàn)：(1) 質量相同的沙子或水吸收的熱量與其升高溫度的比值是一個定值；(2) 沙子和水的這個定值是不同的。上述發(fā)現(xiàn)是在質量相同的前提下得出的，如果要考慮質量的不同，那該如何思考？

生6：既然水或沙子吸收的熱量與其升高溫度的比值是一個定值。說明這個定值應該與吸收的熱量、升高的溫度都無關，只與它們的比值有關。我猜想這個比值也可能與質量也無關，因為升高相同的溫度，沙子或水吸收的熱量與其質量也是成正比的。仿照密度的研究方法，當時求質量與體積的比值的原因，就是利用除法將物體的體積變成一樣。同樣的道理，也可以用除法將物體的質量變成一樣，只要在物體吸收的熱量與其升高溫度比值的分母中加入質量即可，變成“物體吸收的熱量與其質量和升高溫度乘積的比值”就行。如果熱量用Q表示，質量用m表示，升高溫度用Δt表示，那么這個比值就是Q/(m·Δt)，我認為可以用一個新物理量來表征物質的吸熱能力。

師：這個新物理量就是本節(jié)課要學習的“比熱容”，用符號c表示。物理學中，將物體溫度升高時吸收的熱量與其質量和升高溫度乘積的比值定義為比熱容，公式為c=Q/(m·Δt)。請同學們回顧一下，以前學過的哪些物理量是用這樣的方法來定義的？

生：速度v=s/t、密度ρ=m/V、壓強p=F/S、功率P=W/t等都是用比值法來定義的，不同的是：比熱容是用三個物理量來定義的，所以對比熱容概念的理解會更難些。

2.3 在應用練習中鞏固概念

設計思路：通過對表2的觀察與分析，解決比值的本質問題，領悟比熱容的內(nèi)涵和外延。利用表3設問，解決公式的應用問題，學到的是解題的規(guī)范和方法。以秧田放水和灌水為例，解決的是學以致用問題，指向概念的應用和鞏固。

表2 幾種物質的比熱容

師：請同學們仔細觀察表2中的數(shù)據(jù)，會發(fā)現(xiàn)哪些規(guī)律？

生：(1) 水的比熱容最大，為4.2×103J/(kg·℃)；(2) 在一般情況下固體的比熱容比液體的小，金屬的比熱容更小；(3) 水和冰是同種物質，但狀態(tài)不同，水的比熱容是冰的2倍，說明物質的比熱容與其狀態(tài)有關；(4) 因為各種物質都有自己的比熱容，所以，比熱容是物質的一種特性，可以用比熱容鑒別物質。從比熱容表去看比值Q/(m·Δt)，這個比值是由物質決定的。只要物質的狀態(tài)沒有變，這個比值保持不變。例如水，無論是吸熱還是放熱，溫度是升高還是降低，這個比值的大小保持不變。即物質比熱容的大小由比值Q/(m·Δt)來確定，但是與Q、m、Δt都無關，決定其大小的是物質本身及其所處的狀態(tài)。

師：現(xiàn)在有甲、乙兩種物質，它們的相關條件如表3所示，加熱器每分鐘放出熱量2100J，全部被這兩種物質吸收，你能鑒別出這兩種物質嗎？

生：由表3中數(shù)據(jù)可知Q吸甲=10×2100J=21000J，Δt甲=25℃-20℃=5℃，m甲=1kg，c甲=Q吸甲/(m甲Δt甲)=21000J/(1kg×5℃)=4200J/(kg·℃)。同理可得c乙=Q吸乙/(m乙Δt乙)=840J/(kg·℃)，可知：甲是水，乙是干泥土。

表3

師：由此我們還能解釋“有的地方在初春季節(jié)培育秧苗期間，白天要給秧田放水，晚上要給秧田灌水”，因為這些地方的初春季節(jié)氣溫較低，秧田的主要物質是泥土，其比熱容只有水的五分之一，白天給秧田放水，泥土吸收太陽熱后溫度升得快，有利于秧苗的發(fā)育生長。晚上的氣溫較低，秧田要向外放熱，灌了水后，由于水的比熱容很大，放熱時溫度的降低幅度比較小，可以防止秧苗被凍壞。

3 結語

抽象概念形象化教學的基本思路是：通過創(chuàng)設問題情境來引入概念，通過設計實驗來建立概念，通過探究過程來生成概念，通過應用練習來鞏固概念。讓學生在一系列鮮活的情景體驗中，使比熱容這一比較抽象的概念得到深化和具體化，使課堂教學真正成為學生體驗探究過程的“源頭活水”，由懼怕物理變成喜歡物理。