“比较不同物质吸收热量的情况”实验创新设计

摘要

“比较不同物质吸热的情况”实验是初中物理重要的探究实验之一。为提高探究活动效率，可对该实验方案进行改进与创新设计：采用两个相同的电加热器同时对两种不同物质加热，使用搭载温度传感器的LED数显温度计测量温度，并借助测温软件处理温度数据，进而绘制出不同物质的温度变化曲线。改进后的实验操作简便、现象直观，既能培养学生的物理学科核心素养，也能为学生后续深入学习热学知识奠定基础。

Graphical abstract

关键词

吸收热量 / 温度传感器 / 创新实验 / 核心素养 / 比较 / 物质 / 设计

“比较不同物质吸热的情况”是人教版物理九年级（全一册）第十三章第1节“热量　比热容”中的实验教学内容。课标要求通过实验，了解比热容；能运用比热容解释简单的自然现象，比如能运用比热容解释为什么沙漠中的昼夜温差比海边大^［1］。由于探究实验比较复杂、耗时较长，通常教师都将其作为演示实验。

通过探究实验，学生在观察实验现象的基础上，对实验数据进行客观、系统的对比分析，最终归纳出比热容的概念。在教学中，需要充分发挥实验功能以突破难点，引导学生通过科学探究，亲身感知在质量与温度变化相同条件下，不同物质吸收或放出热量的差异，从而认识吸放热与物质种类有关^［2］。

该演示实验不仅有效促进了学生物理学科核心素养的发展，也为后续热学知识的学习奠定了坚实基础，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念。因此，探究不同物质在质量相同、吸收热量相同时温度变化是否相同的实验，对帮助学生理解比热容的意义，显得尤为重要。

笔者在课堂上演示该实验时发现以下4个问题：①实验流程耗时过长，教材方案需先后对水和食用油进行加热、记录并分析数据；②普通液体温度计灵敏度低，操作时受诸多规范约束，温度读取比较麻烦，增加了实验的复杂性；③整个实验无法同步呈现水和食用油的温度变化，对比性较弱；④液体温度计的液柱直径小、刻度线细，致使教室后排学生很难观察到两种液体温度的变化，学生参与度低。

显然，教材为物理教师预留了实验创新的空间，可结合学校的实际条件予以改进。据此，笔者借助两套自制教具，对本节两个实验环节进行了整合设计，不仅现象直观、对比性强，而且显著缩短了演示用时。

1 实验创新与自制教具

该实验创新设计体现在3个层面：①以引人入胜的实验激发探究动机；②借助自制教具直观比较不同物质（水与食用油）吸热时的温度变化；③利用教具验证水与沙在吸放热条件下的温度变化猜想。3组实验层层递进，使学生在“现象观察—实验探究—猜想验证—结论建构”的完整过程中逐步建构比热容概念，有效发展其科学探究能力与物理核心素养。

1.1 实验方案的优化与创新

晴朗夏日，于操场摆放两只面盆，分别装入等质量的水和沙子，同步测量并记录初温。在日光照射条件下，每隔5 min测录一次温度，绘制温度-时间图像。通过比较二者升温速率的差异，学生可直观感知等质量的不同物质在吸收相同热量时的温度变化特征，从而有效激发探究动机。

1.2 自制“探究物质吸热能力实验器”

根据教材探究实验的设计意图，笔者制作了一款“探究物质吸热能力实验器”（图1），借此改进了教材原有实验的不足，并可以比较不同物质吸热时的温度变化。

该装置主体为阻燃板构成的腔体，上方支架设有升降装置，两侧分别悬挂有额定电压220 V、功率300 W的电加热器，可同时对盛有等质量水和食用油的250 mL烧杯加热。温度检测采用两支带LED屏的数显温度计，只要将传感器浸入液体内，就能实现实时测温。调节升降装置，可确保加热器与液体充分接触。面板两侧嵌有LED显示屏，中部自上而下依次嵌有绿色电源指示灯和红色加热指示灯。

腔体上部设有电源与加热开关；两烧杯底部垫有隔热棉，其中装有水的烧杯底部适当垫高，以保证受热均匀。装置采用带漏电保护功能的电源线接入家庭电路，以确保实验安全。

1.3 自制“探究物质吸热与放热能力实验器”

笔者设计了一款“探究物质吸热与放热能力实验器”（图2），用以比较水和沙子因比热容不同而在升温和降温过程中的差异，从而在室内模拟海边昼夜温度变化的现象。

装置箱体主体采用阻燃板，内衬防水瓷砖。下部腔体安置电子元件；上部腔体由防水瓷砖隔成左右两室，分别盛放等质量的水和沙子。上方装设800 W长条形石英加热管，模拟日照加热。

前面板上半部为防爆钢化玻璃；下半部两侧嵌有数显温度计的LED屏，温度传感器分别插入水和沙子中，即可实时显示温度变化。上部腔体两侧各装一对流风扇，形成左排右进的气流通道，以模拟夜间海风，加速散热。

装置箱体后部设有总开关、加热及散热开关；顶部配有贴覆反光铝箔的盖板，加热时减少热损，散热时增强空气对流，显著缩短实验周期。

2 实验步骤

2.1 课前探究实验

针对内陆学生缺乏对海边昼夜温差的直观体验这一问题，笔者设计了如下课前实验：夏季晴天，于操场放置两只面盆，分别装入等质量、同初温的水和沙子；利用铁架台固定两支温度计，将温度计的玻璃泡分别插入水和沙子中，定时记录温度数据（表1）。

学生依据表1数据绘制温度-时间图像（图3）。通过由具体到抽象的建模过程，学生直观发现：在相同日照条件下，沙子的升温速率显著快于水。该现象引发学生强烈的认知冲突，有效驱动学生主动探究自然现象背后的物理原理。

2.2 探究不同物质吸热时的温度变化情况

利用自制“探究物质吸热能力实验器”，探究水和食用油在吸收相同热量时温度变化的情况。引导学生观察LED屏实时温度，每隔30 s记录一次数据，全程耗时不足5 min。学生依据所得数据绘制水和食用油的升温曲线（图4）。由曲线可知，在吸收相同热量时，水的升温速率明显慢于食用油，由此得出：水的吸热本领强于食用油。

2.3 验证水和沙子吸热、放热时的温度变化情况

利用自制“探究物质吸热与放热能力实验器”，探究水和沙子在相似受热与散热条件下的温度变化规律，验证其与理论预期的一致性。

实验操作如下：盖好贴有反光铝箔的上部盖板，打开加热开关，石英加热管工作，模拟日照。当沙子温度升至约50 ℃时，关闭加热开关。随后打开散热风扇，模拟海风加速散热，则水和沙子进入降温阶段。每隔1 min记录二者温度变化情况（表2）。

学生依据表2数据绘制温度升降曲线（图5）。由曲线可知，在加热与冷却条件相近时，水的升降温速率均显著慢于沙子，印证了水的比热容大于沙子，即其吸热与储热能力均更强。

3 实验评价

3.1 新课引入形式新颖，用课前预习实验引发学生认知冲突

针对教材开篇提出的“水和食用油升温相同吸收热量是否相同？”这一核心问题，设计课前探究实验，通过实测数据与生活经验的强烈反差引发学生的认知冲突，促使其主动建构物理模型，不仅化解了知识难点，更驱动其带着疑问与兴趣开展探究，从而有效落实了“从生活走向物理”的课程理念。

3.2 自制教具实用性强，实验现象明显、直观，对比性强

探究物质吸热能力实验器与探究物质吸热与放热能力实验器的使用，既能缩短探究时间、使现象直观，又能提升学生参与度，突破传统演示实验“看得见摸不着”的局限。引导学生在数据对比与图像分析中完成从感性到理性的飞跃，促使其经历“分析事实—抽象概念”的科学思维过程，在强化思维训练的同时，深化了对比热容物理内涵的理解^［3］。

3.3 课内探究与课外探究相结合，联系实际，分析论证

课前探究实验将物理实验从室内延伸至户外，有效激活了学生的学习兴趣；而自制教具则将复杂的自然情境引入室内，破解了户外实验难以量化分析的瓶颈。这种课内外实验的有机联动，既遵循初中生的认知规律，又贴近生活实际，引导学生在证据支撑下建构物理观念，有效提升了科学探究素养^［4］。

3.4 立足教学实际，融合数字化技术与传感器技术

两个自制教具均采用可联机的数字化测温装置，使学生在探究中切身感受科技进步的价值；探究物质吸热能力实验器将温度数据实时传至计算机，依托可视化软件自动生成的精确温度变化曲线，实现了由“粗略估读”向“精准数形结合”的转变，不仅突破了传统读数的误差局限，更使抽象现象清晰可视，有效培养了学生基于证据的科学态度，生动体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 李春密，苏明义.新版课程标准解析与教学指导：初中物理（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社， 2022.

[3] 汤金波.汤老师创新物理实验室：声光热［M］.杭州：浙江大学出版社，2017.

[4] 张颖，方贵荣，宋树杰.义务教育教科书教师教学用书物理九年级全一册［M］.北京：人民教育出版社，2016.