“探究不同物质吸热升温的现象”实验的改进

摘要

演示不同物质吸收相同的热量，比较其升温的快慢是学习比热容的关键环节。苏科版教材中采用酒精灯加热沙子和水进行实验的演示，操作较为复杂，实验现象不明显，实验数据误差较大，难以验证教材结论。为改进教材实验，利用直流电对植物油和水进行加热，让两者在相同时间内吸收相同的热量，比较两者升高的温度，从而得出准确的实验结论，最终验证教材结论的正确性。

Graphical abstract

关键词

比热容 / 热学 / 教材实验 / 实验改进 / 吸热升温

“物质的比热容”是苏科版物理九年级上册第十三章“机械能和内能”第三节的内容。在教学时，需要学生探究不同物质吸热升温的实验现象，即在观察实验现象的基础上采集实验数据，据此加以推理和分析，从中得出实验结论，最终帮助学生建构、理解并熟练掌握比热容这一物理概念。因此，“探究不同物质吸热升温的现象”实验是初中热学教学的重难点之一，而演示好该实验是比热容教学成败的关键^［1］。

1 教材实验存在的问题

教材实验采用酒精灯加热沙子和水进行演示，由实验数据推导出结论：对于不同物质，在质量相等、升高（降低）的温度相同时，吸收（放出）的热量不同^［2］。在教学实践基础上，笔者分析教材实验内容及其装置，发现教材实验存在以下问题。

（1） 难以保证吸收的热量相同，实验误差较大。同时演示两个实验时，需要两盏酒精灯对水与沙子进行加热，其火焰的大小很难调到相同，且火焰距烧杯底部的距离也难以达到相同^［3］。假如分开进行水和沙子加热实验，则环境气流可能发生变化，酒精灯的火焰发生跳动，导致加热热源不尽相同。

（2） 温度计读数困难，实验数据不准确。在使用温度计测量水温时，由于温度计上有水雾，造成读数困难，会浪费宝贵的课堂时间，影响教学任务的完成。

2 对教材实验装置的改进

针对教材实验的不足，笔者对实验装置进行改进。

2.1 实验器材

实验器材如图1所示，两只规格相同的塑料杯、两只大小相同的烧杯、两只10 W 5 Ω水泥电阻、数字天平、两支数字温度计、24 V电源、水、植物油、注射器、金属螺杆。

2.2 实验装置的组装

利用上述实验器材组装实验装置，其组装步骤如下：①用钳子敲掉电阻外面的水泥，得到里面的金属电阻丝；②先用电钻在塑料杯盖上钻两个小孔，再用热熔胶将两根金属螺杆粘贴在小孔上；将水泥电阻丝接在两根金属螺杆下的接线柱上；③将两只水泥电阻丝并联在24 V的直流电源上，把直流电源的插头接在插座上。至此，整套实验装置组装完成，如图2所示。

3 实验原理和实验方法

（1） 实验原理：C=\frac{Q}{m\mathrm{\Delta }t}。

（2） 实验方法：控制变量法。

①在吸收的热量Q和液体质量m一定时，比较液体温度变化\mathrm{\Delta }t，即有：\mathrm{\Delta }t越大，则比热容越小，表明物质的吸热能力越弱。

②在液体质量m和液体温度变化\mathrm{\Delta }t一定时，加热时间越长，则该液体吸收的热量Q越大，而该物质的比热容越大，其吸热能力越强。

4 实验过程

比较物质吸热能力有两种方法，可利用其改进实验装置并借此探究不同物质吸热实验。

4.1 由液体温度变化比较不同物质吸热升温现象

（1） 取同一温度的水和植物油，分别向两只烧杯内倒入100 g水和植物油，再把两只烧杯分别放入塑料杯内。

（2） 分别将数字温度计探头插入水和植物油中，探头要浸没在液体中且不要接触到电阻丝。

（3） 闭合插座上的开关，给塑料杯内的电阻通电，用智能手机的秒表记录加热时间。

（4） 在通电并保持加热时间相同时，分别记录植物油和水上升的温度，并将实验数据填入表1中。

（5） 实验结论：在液体质量和加热时间一定时，植物油升高的温度比水升高的温度快，从而得出植物油的吸热能力比水弱的结论。

4.2 由加热时间变化比较不同物质吸热升温现象

（1） 取同一温度的水和植物油，分别向两只烧杯内倒入100 g的水和植物油，再把两只烧杯分别放入塑料杯内。

（2） 分别将数字温度计探头插入水和植物油中，探头要浸没在液体中且不要接触到电阻丝。

（3） 闭合插座上的开关，给塑料杯内的电阻通电，用智能手机的秒表记录加热时间。

（4） 在植物油和水上升的温度相同时，记录植物油和水所用的加热时间，并将实验数据填入表2中。

（5） 实验结论：在液体质量和升高温度的变化一定时，水的加热时间大于植物油的加热时间，说明水吸收的热量比植物油多，从而得出植物油的吸热能力比水弱的结论。

5 实验效果及评价

（1） 实验操作简单、安全，数据能够反映物理规律。

（2） 植物油比水的黏度高，加热时对流传热远远不如水快，在刚开始加热阶段，反而是水比植物油的温度升高得快^［4］。刚开始加热时，1 min以内水的温度比植物油上升得快，故应从加热3 min之后再开始记录实验数据，以便得到准确数据。

（3） 实验现象直观明显；分析实验数据，更易于得出实验结论。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理九年级（全一册）教师教学用书［M］.北京：人民教育出版社，2013.

[2] 刘炳昇，李容.义务教育教科书物理九年级（上册）［M］.南京：江苏凤凰科学技术出版社，2012.

[3] 李梅.“物质的比热容”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2012，29（07/08）：40-41.

[4] 王朝泰.物质比热容实验的创新和改进［J］.实验教学与仪器，2013，30（05）：26.

基金资助

江苏省教育科学“十四五”规划课题“指向科学思维提升的初中物理逆向教学设计实践研究”(Xc/2023/21)