比熱容實驗創(chuàng)新的可行性研究

毛卓飛

通過實驗得出“質(zhì)量相等的不同物質(zhì)升高相同溫度時吸收的熱量不等，且各自吸收的熱量與其質(zhì)量和升高溫度的乘積之比是一個定值”，這是初中物理比熱容教學(xué)中的一個難點。選用何種熱源、采用怎樣的加熱方式，才能滿足實驗要求呢？圍繞這一問題，我進(jìn)行了多種嘗試，在理論分析、實踐研究的基礎(chǔ)上最終確定了采用內(nèi)置雙U型螺旋電阻絲豎直放置法完成實驗。下面就此實驗改進(jìn)與創(chuàng)新的過程進(jìn)行簡要的介紹，供讀者參考。

方案一：相同電熱器加熱法

蘇科版教材采用兩個完全相同的酒精燈供熱的方式完成實驗，這在理論上是可行的，但在實踐中很難保證兩個酒精燈的火焰大小完全相同。那么如何才能讓熱源的供熱速度完全相等呢？我首先想到了相同電熱器加熱法，其中最典型的就是人教版教材采用的方案：用天平稱取相同質(zhì)量的水和沙子，分別裝入兩個相同的燒杯內(nèi)，用兩個相同規(guī)格的熱得快給它們加熱，用溫度計測量相同時間內(nèi)沙子和水升高的溫度。

優(yōu)點：熱得快功率穩(wěn)定，與酒精燈相比，更能做到相同時間內(nèi)放出的熱量相等。

缺點：首先，使用本方案必須考慮教室里是否具備使用熱得快進(jìn)行分組實驗的設(shè)備條件，學(xué)生使用熱得快是否安全等因素。其次，因為沙子和水的密度不同，等質(zhì)量的沙子和水的體積不同，所以放在相同的燒杯中時沙子和水的高度必然也不同，這樣就難以保證熱得快插入水和沙子里的深度相同，導(dǎo)致熱得快與沙子和水的接觸面積不同，無法滿足沙子和水在相同的時間內(nèi)吸收的熱量相等的實驗條件。最后，這種加熱法理論上雖然可以通過用玻璃棒攪拌使沙子受熱均勻，而事實上由于熱得快和溫度計的存在，是不可能將沙子充分?jǐn)嚢杈鶆虻摹?/p>

結(jié)論：相同電熱器加熱法不具有可行性。

方案二：“水浴”加熱法

為獲得相同的熱源，并使沙子和水盡可能受熱均勻，我又嘗試了“水浴法”。把蘇科版教材中采用的用兩個酒精燈加熱改為只用一個酒精燈加熱，將裝沙子和水的兩個相同的燒杯改為兩個相同的試管，在兩個相同的試管內(nèi)裝入等質(zhì)量的沙子和水，再將這兩個試管放入盛有熱水的燒杯內(nèi)，用酒精燈緩緩給燒杯底部加熱。

優(yōu)點：第一，能提供相同的熱源。第二，被加熱物質(zhì)與作為熱源的熱水溫差小，升溫速度慢，受熱更均勻。第三，兩試管靠近，便于快速觀察與比較兩溫度計的示數(shù)變化情況。

缺點：經(jīng)過實際操作后發(fā)現(xiàn)，“水浴”加熱法的實驗效果不佳。再經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，在本實驗中存在如下缺陷：一是隨著試管中沙子和水的溫度升高，試管內(nèi)沙子和水的溫度與作為熱源的熱水溫度差越小，吸熱速度就越慢，且與外界空氣的溫差增大，對外散熱的速度加快，因此，試管中沙子和水在相同時間內(nèi)獲得的凈熱量就越少，就無法得到等質(zhì)量的同種物質(zhì)升高相等的溫度吸收的熱量相等的結(jié)論。二是因為沙子和水的比熱容相差較大，它們升高的溫度相差較大，所以它們無論是與熱水的溫差，還是與外界空氣的溫差，都變得愈來愈大。因此，沙子和水在相同的時間內(nèi)獲得的凈熱量越來越不相同，在實際的實驗中甚至?xí)霈F(xiàn)相同的時間內(nèi)沙子吸熱升溫比水慢的現(xiàn)象。由于“水浴法”采用的熱源是燒杯中的熱水，它本身溫度不高，供熱功率不大，因而這種溫差變化對被加熱物質(zhì)單位時間內(nèi)獲得凈熱量的影響是不可忽略的。

通過以上兩種方案的嘗試我們可以發(fā)現(xiàn)，使用熱源從底部或四周加熱時要實現(xiàn)兩種物質(zhì)在相同的時間內(nèi)吸收的熱量幾乎相同，且基本不變，必須滿足以下三個條件：第一，熱源相同。第二，熱源與加熱對象的接觸面積相同。第三，熱源的溫度較高，供熱功率較大，以致研究對象的溫度變化對加熱對象獲得的凈熱量影響極小。

結(jié)論：“水浴”加熱法也行不通。

方案三：同一酒精燈同時加熱法

由于方案二存在的最大問題是熱水的溫度不夠高，致使研究對象的溫度變化對單位時間內(nèi)加熱對象獲得的凈熱量影響不可忽略。因為酒精燈火焰的溫度較高，供熱功率較大，所以說蘇科版教材給水和沙子加熱時選擇酒精燈是經(jīng)過精心考量的，有其科學(xué)性的一面。于是，我將蘇科版教材中的實驗方法和方案二使用方法的優(yōu)點結(jié)合起來，進(jìn)行了第三種嘗試———同一酒精燈同時加熱法。在兩個平底試管中裝入等質(zhì)量的沙子和水，將它們放置在同一石棉網(wǎng)中央，用酒精燈外焰在石棉網(wǎng)中央對石棉網(wǎng)加熱。

優(yōu)點：第一，熱源相同，試管放在被同一酒精燈加熱的同一石棉網(wǎng)上。第二，熱源（被酒精燈加熱的石棉網(wǎng)）與加熱對象（試管）的接觸面積相同。第三，熱源（被酒精燈加熱的石棉網(wǎng)）的溫度較高，供熱功率較大。所以，同一酒精燈同時加熱法能夠使沙子和水在相同的時間內(nèi)吸熱基本相等，且在一定的時間內(nèi)基本不變。

缺點：作為固態(tài)物質(zhì)的沙子和液態(tài)物質(zhì)的水，其導(dǎo)熱性能和導(dǎo)熱方式不同，即便不斷攪拌，吸熱效率也必然不同。但難以讓學(xué)生確信它們在相同的時間內(nèi)吸收的熱量相等。同時酒精燈外焰溫度高，沙子升溫過快，既要用溫度計測量沙子的溫度，又要同時用玻璃棒不斷地在試管里攪拌沙子，使其受熱均勻，難免有些手忙腳亂。

結(jié)論：這種方案還需要改進(jìn)。

方案四：內(nèi)置小功率電阻絲加熱法

通過方案三的嘗試，我們發(fā)現(xiàn)，為了使沙子受熱均勻，必須保證加熱器的溫度不能太高，加熱功率不能太大。而為了使被加熱對象的溫度變化對其獲得凈熱量的速度影響可以忽略，又必須使熱源溫度較高，供熱功率較大。如何解決這一矛盾呢？仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，熱源之所以要滿足溫度高、功率大的條件，本質(zhì)上是因為熱源在被加熱物體的外部，發(fā)出的熱量不能全部被加熱材料———沙子和水吸收。采用外部加熱的方式加熱，被加熱材料在相同時間內(nèi)吸收的熱量受溫差的影響較大，同時散熱速度也會隨著被加熱材料的溫度升高而加快。因此，把熱源置于被加熱材料的內(nèi)部，就不需要熱源溫度較高這個條件了。我設(shè)計了自制內(nèi)置小功率U型螺旋電阻絲加熱法，具體方案如下：參照研究導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻大小的實驗裝置，將一根電爐絲根據(jù)需要均勻等分成若干段，取其中兩段電熱絲與滑動變阻器串聯(lián)后接在學(xué)生電源上。將兩個電阻絲分別置于大小相等的帶蓋平底試管中，再在試管中放入等質(zhì)量的水和干細(xì)沙子，使電阻絲處于水和沙子的內(nèi)部。

因為電阻絲在沙子和水的內(nèi)部加熱提供的熱量幾乎全部被沙子和水吸收，而且加蓋后沙子和水散熱極慢，所以單位時間內(nèi)沙子和水獲得的凈熱量近似相等。通過調(diào)節(jié)電源電壓、滑動變阻器、沙與水的質(zhì)量，我們完全可以將電阻絲的加熱功率調(diào)到適當(dāng)值以達(dá)到我們的預(yù)定目的。

優(yōu)點：第一，電阻絲置于沙子和水的內(nèi)部，且加了蓋子，可以使沙子和水在相同的時間內(nèi)吸熱相同，且散熱極慢，最大可能地保證了沙子和水獲得凈熱量的速度相等，并保持不變。第二，這種設(shè)計使用學(xué)生電源供電，比使用方案一中的電熱器加熱更安全。第三，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓或滑動變阻器來調(diào)節(jié)電阻絲的發(fā)熱功率，使電阻絲加熱時的溫度適當(dāng)，不至于使沙子升溫過快。

存在的矛盾：要控制加熱速度，使沙子緩慢受熱，且受熱均勻，就必須減小電阻絲的功率。但水的比熱容比沙子大得多，升溫速度會很慢，導(dǎo)致實驗時間過長。

結(jié)論：內(nèi)置小功率電阻絲加熱法需要解決縮短時間與保證均勻受熱這兩者之間的矛盾沖突。

方案五：內(nèi)置雙U型螺旋電阻絲豎直放置法

要解決方案四中的矛盾，就要做到即使電阻絲功率適當(dāng)提高，也能讓沙子各部分受熱均勻。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我在方案四的基礎(chǔ)上做了如下兩個改進(jìn)：首先，把電阻絲制成雙U型螺旋結(jié)構(gòu)（如圖1），靠近試管底部豎直放置，并使其剛好被細(xì)沙子覆蓋。其次，改水平放置為豎直放置。將U型螺旋結(jié)構(gòu)電阻絲豎直放置，可以使各深度的沙子能同時受熱，U型螺旋結(jié)構(gòu)又盡可能地增大了接觸面積，即便不攪拌，沙子也能基本受熱均勻。

優(yōu)點：第一，滿足了沙子和水吸熱速度基本相同的條件。第二，由于散熱速度極慢，可以忽略散熱的影響。第三，受熱基本均勻，無需攪拌。

實驗檢驗：我把一根“220 V800 W”的電阻絲等分成8段，將其中兩段分別制成U型螺旋結(jié)構(gòu)，靠近試管底部豎直放置，將電阻絲串聯(lián)后接在16 V的學(xué)生電源上，再在試管中分別緩緩加入50 g的水和干細(xì)沙子。通過實驗發(fā)現(xiàn)，加熱一段時間后水每分鐘溫度升高2.5℃左右，沙子每分鐘溫度升高11℃左右，而且變化是均勻的。

結(jié)論：內(nèi)置雙U型螺旋電阻絲豎直放置法是可行的，也是最為有效的。