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【摘 要】本文针对人教版第十三章第三节《比热容》的实验在实际教学中存在的不足，使用温度传感器、数据处理软件等现代化教育技术手段改进实验，重新设计了“比较沙子和水的吸热情况”的实验和“利用传感器比较水和煤油的吸热情况”实验，取得满意的实验结果。
【关键词】比热容 探究实验 温度传感器 减小散热
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）06B-0138-02
比热容是热学知识中重要的概念，也是教学的重点和难点。如何做好“比较不同物质的吸热能力”这个探究实验，让学生通过实验探究，发现规律，形成概念是本课的重要内容。在教学过程中，可以让学生通过实验观察和分析，得出结论，更好地理解不同物质的吸热能力。
一、实验教学目标
（一）知识与技能
通过第一个定性的探究实验建立比热容概念；再通过定量的探究实验加深学生对比热容概念的理解和应用。
（二）过程与方法
经历科学探究过程，体会探究方法，学会在设计实验方案时关注细节。
（三）情感、态度与价值观
培养学生团结协作的意识和科学的求真态度。
二、实验教学过程
（一）分析教材实验，指出其不足之处
人教版第十三章第三节《比热容》课文设计的实验如图1所示。利用两个相同的电加热器（热得快）来分别加热质量相等的水和食用油，使它们升高相同的温度。比较它们吸收热量的多少，看看这两种物质的吸热情况是否存在差异。学生使用温度计测量温度，使用停表测量时间，并做好实验记录。两个电加热器的功率相同，当它们浸没在液体中加热时，如果在相等的时间里放出的热量相等，那么我们可以认为这两种液体每秒吸收的热量是相同的。
实验发现，加热质量相等的水和食用油使升高相同的温度时，所用的时间不同，水需要加热的时间更长，这说明水需要吸收的热量更多。该实验现象明显，效果不错，可以定性地说明不同的物质吸热情况不同。但是笔者在具体的教学实践中发现，该实验方案还是有几点不足之处：
1.电加热器（热得快）的体积过大。由课本提供的图片可以发现，部分电热丝裸露在液体之外，且裸露的长度不同，这无法保证相等的时间里两种液体吸收的热量相同。
2.盛液体的烧杯开口过大。这种大口径的烧杯散热快，会造成实验误差大，不利于做定量分析，实验明显不够严谨规范。实际教学中确实有部分学生向笔者提出了散热影响实验结果的问题，笔者也顺势引导学生做了一些改进的讨论和分析。
3.这个时候学生还没学到电学的知识，还没有建立起安全用电的意识。该类型的电加热器（热得快）有漏电的风险，有一定的安全隐患，使用 220 V的高电压，不利于学生独立操作。
4.实际情况下，多数学校的教室只有一个插座，安排学生使用那么多个电加热器（热得快）同时进行分组实验探究，困难较大，根本无法实现。有的时候只能进行演示实验，教学效果很不理想。
那么作为一线教师，该如何处理这些困难呢。针对教学中遇到的这些问题，笔者结合多年的教学实践，运用现代化的教育技术手段，尝试进行了一些改进，设计了如下的实验方案。
（二）实验改进方案
〖实验一〗比较沙子和水的吸热情况
1.器材
托盘天平、试管2支（型号相同）、泡沫板（钻孔夹住试管）、温度计两支、烧杯两个、65℃左右的热水（热源）、等质量的水和沙子（因受到热传导系数的影响，必须使用潮湿的沙子实验才能成功）、秒表、手机（录像）等。如图2为实验装置的实物图。
2.实验操作过程
（1）先用托盘天平测量出质量相等的水和沙子（必须使用潮湿的沙子）各60 g，然后分别装入相同的平底试管。
（2）将装有质量相等的水和沙子的试管用软木塞塞住，然后插入温度计，同时放入事先准备好的同一烧杯的冷水中1～2分钟，保证两试管中的沙子和水的初始温相同。
（3）将 65℃ 左右的热水倒入大烧杯中，待稳定后，将初温相同的两试管从冷水中拿出来并同时放入热水中。此时，要记录初始温度，同时注意观察两试管中温度计示数的变化。同时让一位同学进行录像，作为课堂素材，供下一阶段的学习讨论使用。
（4）当试管中的温度计的示数达到50℃ 时，分别记下沙子所用的时间和水所用的时间。表1为其中一个小组学生记录的实验数据。
3.实验改进后的优点
（1）本实验将两套装置合二为一，简化了器材装置，使教师和学生实验前的准备工作不再那么繁重，学生实验时的操作更加简单 ，快速完成了“比热容”概念的引入，節约了大量的课堂时间。
（2）运用“水浴加热法”，使用 65℃ 左右的热水作为热源，省去很多费时的准备工作。而且热源稳定，受热均匀，我们可以认为短时间内沙子和水吸收的热量是相等。
（3）两试管用木塞堵住，散热较少。
（4）实验器材更加简单，降低了实验准备难度和危险系数。
（5）学生用手机录像，为后面的课堂思考、讨论提供了素材。学生也可以在课后复习时回顾课堂上的实验，达到巩固新概念的目的。
〖实验二〗利用传感器比较水和煤油的吸热情况
1.器材
苏威尔数据采集器、温度传感器、数字化软件、计算机、两个相同的可密封的塑料盒子、两根电阻相同的电热丝、较大的塑料桶（透明）、学生电源、导线若干、开关一个。实验装置如图3所示。
2.实验操作过程
（1）使用天平分别测得 60 g 的水和煤油。
（2）分别将 60 g 的水和煤油装入塑料盒中，并分别放入阻值相等的电热丝。注意电热丝要完全浸没在液体中，然后盖上盖子进行密封。 （3）将两个盒子一起放入透明的塑料桶中，同时，串联接好电路，使用 12 V学生稳压电源。在盒子上钻孔，然后分别插上温度传感器。
（4）在电脑上打开苏威尔实验软件系统，打开数据采集器，设置每隔 20 秒记录一次实验数据，实验总时间为 5 分钟。设置图像生成格式，如图 4 所示。
（5）闭合加热的电路开关，点击“开始”进行实验，温度传感器和数据采集器开始采集数据，电脑软件开始记录实验数据。最后生成记录的实验数据如图 4 所示。
（6）完成实验后学生对数据进行分析。
由图 4 的实验数据可以看出，在第200 秒，煤油升高 20℃，水升高 10℃。由此可见，等质量的水和煤油，加热相同的时间，吸收相等的热量，煤油升高的温度是水的 2 倍。这样严谨、规范的实验得到精确的实验数据，验证了水的比热容是煤油比热容的 2 倍的结论。
3.实验改进后的优点
（1）分别将水和煤油装入密封塑料盒，再放进塑料桶中减小了空气流动，底座又是泡沫塑料，极大地减小了散热，使测量更准确，实验误差更小。
（2）使用相同的電热丝串联作为加热器，保证在相等的时间内两种液体吸收的热量相同。而且电热丝完全浸没，在液体中分布均匀，使液体受热均匀。
（3）使用温度传感器和数据采集器可以使读数更准确，采集的数据更多，得出的结论更有说服力。
三、小结
实验一缩短了实验所用的时间，使教师对课堂掌控自如。实验前的准备工作也简单易行，学生的独立简便操作。这既能培养学生对控制变量法的运用，又能锻炼中学生基本的实验操作技能，提高了学生的动手能力，同时还激发了学生的学习兴趣，点燃了学生的学习热情。使“比热容”概念的建立，成为了顺理成章的事情。
实验二强化了控制变量法的运用，通过减小散热方法的设计引导学生注重实验的细节，知道科学实验要精益求精，改进实验方法减小误差。对大量实验数据的处理和讨论，培养了学生数据分析的能力。
借助传感器和数据处理软件，师生获取了大量真实可靠的数据，新的概念就不再是教师空洞的说教，而是来自学生真实的操作体验和实验数据的验证。这就加深了学生对“比热容”概念的理解，达到教学目标，增强教学的有效性。
电与热相结合，提前为学生将来焦耳定律的学习埋下伏笔。本套实验设备也可以针对焦耳定律做定量的实验研究。
（责编 卢建龙）
【关键词】比热容 探究实验 温度传感器 减小散热
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2017）06B-0138-02
比热容是热学知识中重要的概念，也是教学的重点和难点。如何做好“比较不同物质的吸热能力”这个探究实验，让学生通过实验探究，发现规律，形成概念是本课的重要内容。在教学过程中，可以让学生通过实验观察和分析，得出结论，更好地理解不同物质的吸热能力。
一、实验教学目标
（一）知识与技能
通过第一个定性的探究实验建立比热容概念；再通过定量的探究实验加深学生对比热容概念的理解和应用。
（二）过程与方法
经历科学探究过程，体会探究方法，学会在设计实验方案时关注细节。
（三）情感、态度与价值观
培养学生团结协作的意识和科学的求真态度。
二、实验教学过程
（一）分析教材实验，指出其不足之处
人教版第十三章第三节《比热容》课文设计的实验如图1所示。利用两个相同的电加热器（热得快）来分别加热质量相等的水和食用油，使它们升高相同的温度。比较它们吸收热量的多少，看看这两种物质的吸热情况是否存在差异。学生使用温度计测量温度，使用停表测量时间，并做好实验记录。两个电加热器的功率相同，当它们浸没在液体中加热时，如果在相等的时间里放出的热量相等，那么我们可以认为这两种液体每秒吸收的热量是相同的。
实验发现，加热质量相等的水和食用油使升高相同的温度时，所用的时间不同，水需要加热的时间更长，这说明水需要吸收的热量更多。该实验现象明显，效果不错，可以定性地说明不同的物质吸热情况不同。但是笔者在具体的教学实践中发现，该实验方案还是有几点不足之处：
1.电加热器（热得快）的体积过大。由课本提供的图片可以发现，部分电热丝裸露在液体之外，且裸露的长度不同，这无法保证相等的时间里两种液体吸收的热量相同。
2.盛液体的烧杯开口过大。这种大口径的烧杯散热快，会造成实验误差大，不利于做定量分析，实验明显不够严谨规范。实际教学中确实有部分学生向笔者提出了散热影响实验结果的问题，笔者也顺势引导学生做了一些改进的讨论和分析。
3.这个时候学生还没学到电学的知识，还没有建立起安全用电的意识。该类型的电加热器（热得快）有漏电的风险，有一定的安全隐患，使用 220 V的高电压，不利于学生独立操作。
4.实际情况下，多数学校的教室只有一个插座，安排学生使用那么多个电加热器（热得快）同时进行分组实验探究，困难较大，根本无法实现。有的时候只能进行演示实验，教学效果很不理想。
那么作为一线教师，该如何处理这些困难呢。针对教学中遇到的这些问题，笔者结合多年的教学实践，运用现代化的教育技术手段，尝试进行了一些改进，设计了如下的实验方案。
（二）实验改进方案
〖实验一〗比较沙子和水的吸热情况
1.器材
托盘天平、试管2支（型号相同）、泡沫板（钻孔夹住试管）、温度计两支、烧杯两个、65℃左右的热水（热源）、等质量的水和沙子（因受到热传导系数的影响，必须使用潮湿的沙子实验才能成功）、秒表、手机（录像）等。如图2为实验装置的实物图。
2.实验操作过程
（1）先用托盘天平测量出质量相等的水和沙子（必须使用潮湿的沙子）各60 g，然后分别装入相同的平底试管。
（2）将装有质量相等的水和沙子的试管用软木塞塞住，然后插入温度计，同时放入事先准备好的同一烧杯的冷水中1～2分钟，保证两试管中的沙子和水的初始温相同。
（3）将 65℃ 左右的热水倒入大烧杯中，待稳定后，将初温相同的两试管从冷水中拿出来并同时放入热水中。此时，要记录初始温度，同时注意观察两试管中温度计示数的变化。同时让一位同学进行录像，作为课堂素材，供下一阶段的学习讨论使用。
（4）当试管中的温度计的示数达到50℃ 时，分别记下沙子所用的时间和水所用的时间。表1为其中一个小组学生记录的实验数据。
3.实验改进后的优点
（1）本实验将两套装置合二为一，简化了器材装置，使教师和学生实验前的准备工作不再那么繁重，学生实验时的操作更加简单 ，快速完成了“比热容”概念的引入，節约了大量的课堂时间。
（2）运用“水浴加热法”，使用 65℃ 左右的热水作为热源，省去很多费时的准备工作。而且热源稳定，受热均匀，我们可以认为短时间内沙子和水吸收的热量是相等。
（3）两试管用木塞堵住，散热较少。
（4）实验器材更加简单，降低了实验准备难度和危险系数。
（5）学生用手机录像，为后面的课堂思考、讨论提供了素材。学生也可以在课后复习时回顾课堂上的实验，达到巩固新概念的目的。
〖实验二〗利用传感器比较水和煤油的吸热情况
1.器材
苏威尔数据采集器、温度传感器、数字化软件、计算机、两个相同的可密封的塑料盒子、两根电阻相同的电热丝、较大的塑料桶（透明）、学生电源、导线若干、开关一个。实验装置如图3所示。
2.实验操作过程
（1）使用天平分别测得 60 g 的水和煤油。
（2）分别将 60 g 的水和煤油装入塑料盒中，并分别放入阻值相等的电热丝。注意电热丝要完全浸没在液体中，然后盖上盖子进行密封。 （3）将两个盒子一起放入透明的塑料桶中，同时，串联接好电路，使用 12 V学生稳压电源。在盒子上钻孔，然后分别插上温度传感器。
（4）在电脑上打开苏威尔实验软件系统，打开数据采集器，设置每隔 20 秒记录一次实验数据，实验总时间为 5 分钟。设置图像生成格式，如图 4 所示。
（5）闭合加热的电路开关，点击“开始”进行实验，温度传感器和数据采集器开始采集数据，电脑软件开始记录实验数据。最后生成记录的实验数据如图 4 所示。
（6）完成实验后学生对数据进行分析。
由图 4 的实验数据可以看出，在第200 秒，煤油升高 20℃，水升高 10℃。由此可见，等质量的水和煤油，加热相同的时间，吸收相等的热量，煤油升高的温度是水的 2 倍。这样严谨、规范的实验得到精确的实验数据，验证了水的比热容是煤油比热容的 2 倍的结论。
3.实验改进后的优点
（1）分别将水和煤油装入密封塑料盒，再放进塑料桶中减小了空气流动，底座又是泡沫塑料，极大地减小了散热，使测量更准确，实验误差更小。
（2）使用相同的電热丝串联作为加热器，保证在相等的时间内两种液体吸收的热量相同。而且电热丝完全浸没，在液体中分布均匀，使液体受热均匀。
（3）使用温度传感器和数据采集器可以使读数更准确，采集的数据更多，得出的结论更有说服力。
三、小结
实验一缩短了实验所用的时间，使教师对课堂掌控自如。实验前的准备工作也简单易行，学生的独立简便操作。这既能培养学生对控制变量法的运用，又能锻炼中学生基本的实验操作技能，提高了学生的动手能力，同时还激发了学生的学习兴趣，点燃了学生的学习热情。使“比热容”概念的建立，成为了顺理成章的事情。
实验二强化了控制变量法的运用，通过减小散热方法的设计引导学生注重实验的细节，知道科学实验要精益求精，改进实验方法减小误差。对大量实验数据的处理和讨论，培养了学生数据分析的能力。
借助传感器和数据处理软件，师生获取了大量真实可靠的数据，新的概念就不再是教师空洞的说教，而是来自学生真实的操作体验和实验数据的验证。这就加深了学生对“比热容”概念的理解，达到教学目标，增强教学的有效性。
电与热相结合，提前为学生将来焦耳定律的学习埋下伏笔。本套实验设备也可以针对焦耳定律做定量的实验研究。
（责编 卢建龙）