基于歷史對(duì)話的“比熱容”教學(xué)設(shè)計(jì)

別麗麗 張贏今 謝烏云 侯恕

摘? 要：比熱容是初中物理的重點(diǎn)也是難點(diǎn)內(nèi)容之一，綜合學(xué)生的特點(diǎn)與相關(guān)物理學(xué)史，重構(gòu)了基于歷史對(duì)話的比熱容教學(xué)設(shè)計(jì)，以幫助學(xué)生真正理解比熱容的本質(zhì)，提高教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史;歷史對(duì)話;比熱容

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）7-0028-5

比熱容是學(xué)生在學(xué)習(xí)了溫度、熱傳遞和熱量等知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究物體溫度變化與熱量的關(guān)系，不僅是初中階段的重點(diǎn)內(nèi)容，更是整個(gè)熱學(xué)分支的基礎(chǔ)性內(nèi)容。但對(duì)于初中生而言，這種反映物質(zhì)固有屬性的物理量不容易理解，具有一定的抽象性，且學(xué)生對(duì)于溫度和熱容易出現(xiàn)迷思概念。因此，對(duì)比熱容的教學(xué)進(jìn)行深入研究是十分必要的。本文基于科學(xué)家跨時(shí)空的歷史對(duì)話，重構(gòu)比熱容的教學(xué)設(shè)計(jì)，希望可以為實(shí)際的教學(xué)帶來(lái)參考價(jià)值。

1? ? 設(shè)計(jì)背景

物理學(xué)史不僅可以幫助我們?cè)鲩L(zhǎng)見識(shí)，開闊眼界，還可以從前人的經(jīng)驗(yàn)中得到啟示，加深對(duì)物理學(xué)的理解等，課程標(biāo)準(zhǔn)中更是多次提到了物理學(xué)史[1]，可見其重要性。本文在熱學(xué)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了科學(xué)家們的歷史對(duì)話，在增強(qiáng)趣味性的同時(shí)也加深了學(xué)生對(duì)熱量概念的理解，破除迷思概念，真正理解比熱容的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)。

1.1? ? 學(xué)情分析

初中生正處于從童年向青年過渡的半幼稚、半成熟時(shí)期，對(duì)事物充滿較強(qiáng)的好奇心，而關(guān)于比熱容的知識(shí)與生活經(jīng)驗(yàn)密不可分，這也是學(xué)生產(chǎn)生迷思概念的主要原因之一。學(xué)生迷思概念的產(chǎn)生過程與科學(xué)家們獲得最終科學(xué)規(guī)律的曲折歷程存在一定的相似性。

1.2? ? 歷史對(duì)話與人物簡(jiǎn)介

以本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容為例，歷史對(duì)話是指針對(duì)同一熱學(xué)理論，將代表性人物布爾哈夫與布萊克置于同一時(shí)空環(huán)境中，呈現(xiàn)不同時(shí)代的科學(xué)家對(duì)熱學(xué)現(xiàn)象的不同觀點(diǎn)的一種教學(xué)策略。

（1）布爾哈夫

荷蘭著名的化學(xué)家布爾哈夫（Boerhaave，1668—1738）提出了熱量守恒原理，但未將溫度與熱做區(qū)分，是熱質(zhì)說(shuō)的支持者。他將精確的定量方法引入化學(xué)，被稱為是物理化學(xué)的奠基者。

（2）布萊克

英國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·布萊克（Joseph Black，1728—1799）通過水和水銀的混合實(shí)驗(yàn)，澄清了溫度與熱是兩個(gè)不同的概念，提出了熱容量、潛熱等比熱容理論，并由其學(xué)生逐漸完善，最終引入了比熱容[2]。他雖然是熱質(zhì)說(shuō)的主要倡導(dǎo)者，但仍存在“熱怎么沒有重量”的困惑。

1.3? ? 熱學(xué)的發(fā)展歷程簡(jiǎn)述

16世紀(jì)以前，我國(guó)古代的五行思想認(rèn)為物質(zhì)是由金、木、水、火、土組成的，把火視為構(gòu)成萬(wàn)物的元素之一。西方以亞里士多德為代表，認(rèn)為自然界的物質(zhì)都是由水、火、土、氣組成。受17世紀(jì)巴黎皇家學(xué)院的數(shù)學(xué)教授伽桑狄關(guān)于冷和熱分別是由特殊的熱原子和冷原子引起的觀點(diǎn)的啟發(fā)，布爾哈夫、道爾頓、拉瓦錫等人把熱認(rèn)為是物質(zhì)，出現(xiàn)了熱質(zhì)說(shuō)。他們大多認(rèn)為熱是一種不可稱量的流體，當(dāng)給一個(gè)物體加熱時(shí)，熱就流入該物體，物體溫度上升;當(dāng)物體不再受熱時(shí)，熱即流出物體，導(dǎo)致溫度下降[3]。物體的溫度是由其所含熱質(zhì)的多少?zèng)Q定的。當(dāng)然，也有以培根為代表的科學(xué)家們主張“熱是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的結(jié)果”。但是由于缺乏實(shí)驗(yàn)根據(jù)，不可避免地還是出現(xiàn)了熱質(zhì)說(shuō)。

布爾哈夫根據(jù)物體混合時(shí)有熱量交換的現(xiàn)象，首先提出了熱量守恒的思想，即熱質(zhì)不會(huì)無(wú)中生有，也不會(huì)無(wú)故消失，這源于他將體積相同的40 ℃和80 ℃的水混合后，得到的水溫是60 ℃，即兩杯水共有120單位的熱質(zhì)，所以每杯水各有60單位的熱質(zhì)。人們把熱量守恒原理和當(dāng)時(shí)盛行的物質(zhì)守恒原理并列，當(dāng)成是自然界普遍的規(guī)律，這也是人們開始向熱質(zhì)說(shuō)靠攏的原因。但布爾哈夫沒有區(qū)分溫度與熱的不同，所以當(dāng)他把體積相同的40 ℃的水和80 ℃的酒精混合后，得到的末溫比60 ℃低時(shí)，他無(wú)法解釋這個(gè)事實(shí)，只好把它看成一種特殊情況了[4]。

布萊克基于布爾哈夫的實(shí)驗(yàn)，將等量的100 ℃的熱水與150 ℃的水銀進(jìn)行混合后，得到的混合液體溫度為120 ℃。他想：如果溫度多少就表示熱多少的話，就會(huì)有很多種情況是違反熱量守恒原理的。于是他假設(shè)溫度和熱是不一樣的：水銀的熱容量比較小，所以水銀消耗了30 ℃的熱質(zhì)只能讓水上升20 ℃;同樣地，若同時(shí)加熱等量的水和水銀，相同的熱總是能讓熱容量較小的水銀的溫度上升較多，由此可見溫度與熱是不同的，而上述的特殊情況也有了合理的解釋[4]。他還發(fā)現(xiàn)了熱平衡現(xiàn)象的末狀態(tài)是溫度相同。但他也存在一定的疑慮，如果熱是物質(zhì)的話，它應(yīng)該是有重量的。比熱容的引入經(jīng)過了布萊克學(xué)生的完善，并確定了溫度與熱量的數(shù)量關(guān)系式。

最終，在倫福特、焦耳、克勞修斯等科學(xué)家的努力下，否定了熱質(zhì)說(shuō)，確立了熱動(dòng)說(shuō)。繼而形成了其他的熱學(xué)理論。

2? ? 比熱容的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? ? 教學(xué)活動(dòng)的流程

比熱容的教學(xué)流程如圖1所示。

2.2? ? 創(chuàng)設(shè)情境，引入教學(xué)主題

爸爸勞累了一天回到家，想喝杯茶解渴，但是熱水瓶中又沒有開水了。你會(huì)燒半壺水還是一壺水泡茶呢？你會(huì)選擇燒溫水還是涼水呢？具體的理由是什么呢？

2.3? ? 歷史對(duì)話的設(shè)計(jì)與討論

歷史對(duì)話①是教師基于熱學(xué)的發(fā)展歷程和學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)提前設(shè)計(jì)好的。在兩位科學(xué)家意見發(fā)生分歧的時(shí)候暫停對(duì)話，是為了引導(dǎo)學(xué)生察覺“問題”的存在。教師在學(xué)生討論后進(jìn)行總結(jié)將會(huì)幫助學(xué)生明確最終的認(rèn)知。

布爾哈夫：Hello，我是布爾哈夫，我認(rèn)為溫度就是熱。

布萊克：Hi，我是來(lái)自英國(guó)的布萊克，我覺得溫度與熱是不一樣的。

布萊克：布爾哈夫前輩，這里有兩杯溫度都是50 ℃的水，但一杯是100 mL，另一杯是200 mL，您覺得哪一杯水所含的熱更多呢？

布爾哈夫：當(dāng)然是一樣多呀！你沒看到兩只溫度計(jì)處于相同的位置嗎？

布萊克：那如果我們用相同的酒精燈同時(shí)加熱這兩杯水，兩杯水的溫度上升情況將會(huì)怎樣？

【討論1】你們認(rèn)為這兩杯水的溫度上升情況將會(huì)如何，為什么？

布爾哈夫：小杯水的溫度會(huì)上升得比較多。

布萊克：您講的話可真是矛盾！如果它們?cè)群邢嗤臒幔髞?lái)又加了相同的熱，那它們的溫度應(yīng)該相同才對(duì)！

布爾哈夫：年輕人，做實(shí)驗(yàn)可一定要注意觀察，難道你沒注意到它們?cè)诩訜岬倪^程中，吸熱的能力不同嗎？

布萊克：您是覺得小杯水加熱后吸收的熱較多，所以溫度上升得較多，大杯水吸收的熱較少，所以溫度上升得較少？

布爾哈夫：這是一定的，因?yàn)榧訜岷笮”臏囟容^高，可見它吸收的熱較多。你想想，原本含熱相同的物質(zhì)加熱后含熱卻不同了，必定是加熱過程中吸收了不一樣多的熱！

布萊克：可是我們用的酒精燈相同，加熱的時(shí)間相同，所提供的熱不應(yīng)該是相同的嗎？

布爾哈夫：我覺得是小杯水的量比較少，熱容易在彼此間擴(kuò)散開，所以可以在相同時(shí)間吸收更多的熱。

【討論2】 同學(xué)們，你們認(rèn)為布爾哈夫與布萊克的說(shuō)法，哪一個(gè)更有道理呢？

布萊克：好吧，剛才您說(shuō)這兩杯水的溫度相同所以含熱相等，現(xiàn)在我把這兩杯水倒在一起，您認(rèn)為這杯水的溫度會(huì)如何？

布爾哈夫：我覺得還是原來(lái)的50 ℃。

布萊克：那為什么熱質(zhì)增加了，溫度卻沒有增加呢？這并不符合您所謂的“熱越多溫度越高”的說(shuō)法吧。

【討論3】 同學(xué)們，兩杯體積不同的50 ℃的水混合在一起，溫度會(huì)改變嗎？熱會(huì)改變嗎？說(shuō)說(shuō)你的理由。

布爾哈夫：溫度是不會(huì)增減的，你看如果我把水倒一半出來(lái)，它的熱和它的溫度都不會(huì)發(fā)生改變。

布萊克：那您所謂的“熱越多溫度越高”究竟是什么意思呢？

布爾哈夫：這句話的意思是說(shuō)，你提供的熱越多，物質(zhì)的溫度就會(huì)上升得越高，以我們剛才做的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，如果你繼續(xù)加熱，溫度必然會(huì)繼續(xù)升高。

布萊克：我有看過您將兩杯體積相同溫度分別為40 ℃、60 ℃的水進(jìn)行混合，得到末溫為50 ℃的水的實(shí)驗(yàn)。那如果將一杯200 mL的60 ℃的水和另一杯100 mL的40 ℃的水進(jìn)行混合，得到的溫度仍然會(huì)是50 ℃嗎？

布爾哈夫：可能會(huì)高于50 ℃。

布萊克：如果體積分別為100 mL和200 mL的兩杯60 ℃的水所含的熱相同的話，就不應(yīng)該出現(xiàn)這樣的情況，不是嗎？

【討論4】 溫度相同但體積不同的水，所含的熱是否相同呢？說(shuō)出你的理由。

布爾哈夫：這個(gè)……如果溫度與熱不一樣的話，那溫度是什么？熱又是什么呢？

【討論5】 同學(xué)們，你們可以回答布爾哈夫的問題嗎？溫度是什么？熱是什么？

布爾哈夫：我注意到有些物質(zhì)加熱時(shí)溫度上升得較快，有的則較慢。我認(rèn)為每一種物質(zhì)吸熱的速度都不同。吸熱快的物質(zhì)，加熱時(shí)很快就吸了很多的熱，所以溫度上升得比較快，反之則慢。

布萊克：不不不，不對(duì)。物質(zhì)加熱時(shí)溫度上升快慢不同的原因是它們?nèi)菁{熱的空間大小不同。容熱空間小的物質(zhì)，加熱時(shí)，熱很快就裝滿，所以溫度上升較快;反之，容熱空間大的物質(zhì)，加熱時(shí)，熱要很久才能裝滿，所以溫度上升較慢。

布爾哈夫：推理要有依據(jù)，你看我把體積和溫度都相同的水和酒精，同時(shí)用相同的酒精燈加熱一樣長(zhǎng)的時(shí)間，結(jié)果酒精的溫度上升比水多，這是因?yàn)樵诩訜岬倪^程中，酒精吸熱比水快，所以會(huì)有這樣的現(xiàn)象。可是，如何用你那個(gè)“熱容空間”來(lái)說(shuō)明這個(gè)現(xiàn)象呢？

布萊克：酒精容納熱的空間比較小，因此相同的熱很快就裝滿酒精的容熱空間，因此溫度上升得會(huì)比較多（圖2）;如同我們先前講過的，加熱相同的時(shí)間，提供的熱是相同的，酒精怎么可能會(huì)吸收比較多的熱呢？

【討論6】同學(xué)們，你們比較認(rèn)同誰(shuí)的看法呢？為什么？

布爾哈夫：同樣用吸管來(lái)喝水，相同的時(shí)間，你能保證我們兩人喝到的水一樣多嗎？科學(xué)要講究證據(jù)，你能提出證據(jù)來(lái)證明酒精的容熱空間和水不相同嗎？

布萊克：那要是按您剛剛所說(shuō)的，把體積和溫度都相同的水和酒精，同時(shí)用相同的酒精燈加熱相同時(shí)間，酒精的溫度上升比水多，這就是因?yàn)樵诩訜岬倪^程中，酒精吸熱比水快，它吸了較多的熱。而如果我另外再準(zhǔn)備甲、乙兩杯溫度和體積都相等的冷水，我把加熱后的水和酒精分別倒入甲、乙杯中，水的末溫會(huì)如何？

【討論7】 想一想，哪一杯水的溫度高，為什么？如果乙杯的溫度高，說(shuō)明什么？如果甲杯的溫度高，又說(shuō)明什么？

布萊克：根據(jù)您的理論，一些機(jī)器上的不同金屬受熱后溫度不同，這是因?yàn)椴煌饘俚奈鼰崮芰Σ煌斐傻摹?/p>

布爾哈夫：是，就像銅吸熱快，所以加熱相同的時(shí)間，銅吸的熱總是比其他金屬多，因此溫度上升得會(huì)比較多。

布萊克：跟我剛才檢驗(yàn)水和酒精的方式一樣，如果我把加熱后的銅和鐵分別投入甲、乙燒杯中，您認(rèn)為情況如何？

布爾哈夫：也如同我剛才的回答，因?yàn)殂~的溫度高，鐵的溫度低，所以混合后，甲的溫度會(huì)比乙高。你的看法呢？

【討論8】 想一想，哪一杯水的溫度高，為什么？如果乙杯的溫度高，說(shuō)明什么？如果甲杯的溫度高，又說(shuō)明什么？

布萊克：我認(rèn)為兩杯水的溫度會(huì)差不多，用相同的器具加熱相同的時(shí)間所提供的熱是一樣的，所以銅加熱后溫度雖然比較高，但所含的熱卻與鐵相同。

布爾哈夫：這樣的想法還是有一點(diǎn)兒令人難以接受。

布萊克：如果您這樣想，銅里面有一個(gè)專屬于熱的空間，這個(gè)空間像一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的瓶子，鐵里面也有一個(gè)熱的空間，但它是一個(gè)比銅粗的瓶子，因此相同的熱裝到銅的瓶子里，可以使銅的溫度上升比鐵多。當(dāng)您把它們的熱放到相同的瓶子里時(shí)，您就會(huì)發(fā)現(xiàn)熱是一樣多的。

【討論9】 你認(rèn)同布萊克的想法嗎？為什么？

2.4? ? 跨越時(shí)空的實(shí)驗(yàn)

將布爾哈夫與布萊克所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與教材中的實(shí)驗(yàn)比較后進(jìn)行了改進(jìn)，其中電加熱器替換了酒精燈，食用油替換了酒精。通過歷史對(duì)話可以猜想影響吸熱多少的物理量，并引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，再使用學(xué)生熟悉的控制變量法探究各物理量之間的關(guān)系，多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并將數(shù)據(jù)記錄至如表1所示的表格中。

2.5? ? 理論推導(dǎo)，量化吸收的熱量與溫度變化的關(guān)系

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于水或者食用油，吸收的熱量與自身質(zhì)量和溫度變化量的乘積的比值總是不變的，且水的比值大于食用油的比值，這也是學(xué)生所熟知的比值定義法。由此可以得出最終的結(jié)論，即比熱容是指一定質(zhì)量的某種物質(zhì)，在溫度升高時(shí)吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高的溫度乘積之比[4]， 并給出符號(hào)及其公式和單位，即c=，單位為J/（kg·℃）。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變式，討論其物理意義。

簡(jiǎn)單介紹布萊克的量熱術(shù)，以及比熱容的發(fā)展歷程，即從熱容量到比熱再到比熱容，使學(xué)生始于歷史對(duì)話后見證科學(xué)的進(jìn)步。

2.6? ? 學(xué)以致用，解釋生活中的現(xiàn)象

先引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比熱容公式，解釋給爸爸燒半壺溫水的原因，首尾呼應(yīng)。再引導(dǎo)學(xué)生解釋為什么同樣的日照條件下，中午的沙子燙腳但海水涼爽，傍晚沙子涼了下來(lái)而海水卻暖暖的等生活現(xiàn)象，強(qiáng)化本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，這也是課標(biāo)中所倡導(dǎo)的從生活走向物理的新課程理念。

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注釋：

①對(duì)話改編自廖花秀：《以歷史對(duì)話幫助國(guó)小五年級(jí)學(xué)童學(xué)習(xí)溫度與熱的概念》，2005年1月。

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）