利用转换实验有效建立概念
龚冬子
摘 要：比热容的概念因其比较抽象、内涵有深度、外延有广度而难以理解和应用，老师的教和学生的学都有相当的难度。本文通过分析比热容概念建立的难点症结，分析原因，提出通过实验有效建立比热容概念的建议。
关键词：比热容 ；实验探究；概念建立
在初中物理众多的概念中，比热容的概念因其比较抽象、内涵有深度、外延有广度而难以理解和应用，老师的教和学生的学都有相当的难度。沪科版教材是通过“探究物质吸热或放热的规律”的实验，比较水和煤油吸热能力不同，进而建立了比热容的概念。这种方式建立概念的过程是间接迂回的，学生对概念的理解会出现“囫囵吞枣”现象。有效建立比热容的概念，必须明确比热容概念建立的难点，针对难点设计实验。
1 比热容概念建立的难点
（1）比热容概念涉及的物理量数量是初中物理概念中最多的教材用比值法定义比热容，虽然在建立概念时相对容易，但其物理意义更难以理解。
比热容是为了表示物质吸热和放热的本领引入的概念，是物质的一种特性，与物质的种类有关，一般不同的物质比热容不同，与是否吸热或放热，吸热或放热多少、质量等因素无关。但是，比热容的大小等于一定质量的某種物质在温度升高（或降低）时吸收（或放出）的热量与它的质量和升高（或降低）温度的乘积之比，比热容的定义涉及到吸收（或放出）的热量、质量和升高（或降低）的温度三个物理量。这二者结合起来看似乎是矛盾的，给学生正确理解比热容概念造成极大的困扰。
（2）教材通过给质量相同的水和煤油加热，让它们升高相同的温度，通过比较加热时间比较两种物质吸热的多少，进而比较它们的吸热本领。对学生而言有两个难点。
一是为什么要比较相同质量的不同物质升高相同的温度时吸热的多少，设计实验的意图是什么？教材为引入实验所做的铺垫是：明确“物体吸热后温度可能升高”，提出“不同物体升高相同的温度吸收的热量是否相同”的疑问，通过煤气灶烧水的生活常识，明确“同一种物质升高相同的温度，质量越大的物体吸热越多”，最终引出实验“探究相同质量的不同物质在升高相同的温度时，吸收热量的多少是否相同”。显然，因为缺乏学生的体验，实验的引入比较晦涩和突兀。同时，与实验后引入比热容的概念没有形成有效的衔接，学生在实验前难免不知所云，不知道为什么要做这个实验。
二是为什么比较加热时间可以比较液体吸热的多少。因为热量没有具体的可视形体，吸热的多少也没办法利用测量工具进行直接测量，因此，判断物质吸热多少只能采用转换法，转换为可以测量的加热时间，通过比较加热时间判断物质吸热的多少。教材中提到“当热源相同时，两液体升高温度相同的情况下，加热时间越长的液体从热源吸热越多”，从热传递的角度分析，热源在相同的时间放出的热量相同，不计热量损失或热量损失相当的情况下，液体吸收的热量也相同，相同的道理，热源放热时间越长，液体吸收热量也越多，这是教材设计实验的本意。在实际的教学过程中发现，学生普遍掌握不好，因为转换法之前接触较少，特别是，本实验的这种转换出现的比较突然，学生理解和应用需要一个过程。
（3）给两种液体加热相同的时间，观察到的现象是煤油温度升得高，大部分学生的思维是，其它条件相同，因为煤油升高的温度多，所以煤油的吸热本领大。
究其原因，应该有两个，一是受前面知识的影响，认为同一物体吸热越多，温度升高也越高，反之，温度升高越高，吸收热量也越多。二是依据生活经验判断，认为温度升高越高，就是因为吸热本领大。因此怎么处理实验数据，让学生正确理解比热容的概念，是教学的难点所在。
2 利用转换实验 有效建立概念
物理概念的建立，离不开感知和抽象两个过程，必须体现过程性，必须遵循学生的认知发展规律[ 1 ]。归纳上述几个问题不难发现，影响比热容概念教学最重要的环节是实验探究，科学有效的实验决定了比热容概念能否顺利建立。在新课教学时应当遵循概念内在的规律，设计符合学生认知规律的实验，帮助学生顺利建立比热容的概念。
2.1 利用转换引入探究问题
教材通过煤气灶烧水和加热不同金属的事例入手，提出问题“质量相同的不同物质，在升高相同的温度时，吸收热量的多少是否相同”，从而引出实验探究。可以变换角度，从物质吸热的多少与哪些因素有关入手，引导学生分析生活中最常见的两个烧水的情景：烧开一壶水和烧开半壶水（质量不同，升高的温度相同）需要的时间是否一样？把一壶水烧开和把一壶水烧成温水（质量相同，升高的温度不同）需要的时间是否一样？学生的生活经验能帮助他们认识到物质吸热的多少跟物质的质量和升高的温度有关。继续提出问题，物质吸热的多少除了跟质量和升高的温度有关，还跟什么因素有关呢？学生猜想，引导学生猜想还跟物质的种类有关，有效引出后面的实验探究。
这样角度的转换至少有几个好处：
（1）“烧水”是生活中非常常见的情景，学生都很熟悉、很亲切，生活经验可以帮助他们做出正确的判断。
（2）多次出现“通过比较加热时间长短判断水吸收热量的多少”，为后面的实验打下基础。
（3）提出“物质的种类”这一说法，是为实验后提出“吸热的本领”做准备，因为分析实验数据发现，相同质量的水和煤油升高相同的温度，之所以吸收的热量不同就是因为它们是不同种的物质，吸热的本领是不一样的，从而引出用“比热容”这一物理量表示物质的吸热本领。从概念引入的角度看，显然这种转换是更有效，更容易接受的。
（4）物质吸热的多少与质量、升高的温度和物质的种类（比热容）有关，为更好地理解和掌握热量的计算做准备，体现了知识的连续性和首尾呼应。
2.2 采用转换法设计实验方案
教材中的实验用酒精灯给水和煤油加热，热源很难做到相同，甚至很难做到接近，毕竟影响酒精灯放热和液体吸热的因素太多了。实验中既然要准确测量加热时间，定量分析实验数据，应当按照定量实验的基本要求，排除不稳定因素对采集实验数据的干扰。控制热源相同有两种方案可供选择。
方案一：用电热棒代替酒精灯
市面上有售500W左右的小功率电热棒，发热管长度10cm 左右，放在烧杯中给水和煤油加热时发热管正好浸没在液体中。用电热棒代替酒精灯有以下优点：
（1）只要使用功率相同的电热棒，可以真正做到热源相同。根据电功、电功率和加热时间的关系，通过比较加热时间可以准确比较电热棒放出热量的多少，在热损失几乎相同的情况下（这种加热方式热损失极小），就可以比较液体吸热的多少。
（2）不必担心知识超前学生难以理解，毕竟电热棒是家用電器，只要强调规格相同的电热棒加热时间相同放出的热量相同，加热时间越长，放出的热量越多就可以了。相反，这种加热方式为今后解决电热综合题作了铺垫。
方案二：水浴法加热
借鉴晶体熔化的实验，采用水浴法给水和煤油加热。在大烧杯中加入热水，用热水给试管中的水和煤油加热（如图1），且试管中液体的液面低于烧杯中的水面。这种加热方式的好处：一是试管内的液体受热更均匀，温度变化更平稳；二是可以更方便地控制末温，确保两种液体末温相同，只要初温相同，升高的温度就相同。
2.3 分析实验数据建立比热容的概念
“分析与论证”是通过对实验现象和实验数据进行分析比较、寻找数据之间的相互关系，并且能够用准确、简洁的物理语言加以表述[ 2 ]。本实验的数据并不复杂，通过之前有意识的引导，学生在表格中能根据加热时间长短填上水吸热的“多”，煤油吸收热量“少”。引导学生回答实验提出的问题：相同质量的不同物质，升高相同的温度时吸收的热量不同，说明物质吸热的多少与物质的种类有关，不同的物质吸热的本领不同。在这个实验中，水吸收收更多的热量，说明水的吸热本领大。为了表示物质的吸热本领，引入比热容这一物理量，从而顺利引入比热容的概念。
在用比值法给出了比热容的定义之后，将比热容的定义式变形为Q=cmΔt，不难发现，物质吸热多少等于质量、升高的温度和比热容的乘积，正好验证了实验结论“物质吸热的多少除了跟质量和升高的温度有关，还跟物质的种类有关”。
在定义比热容时，甚至可以直接利用数学手段，将公式Q=cmΔt变形为c=，从而得出比热容的定义。
综上所述，通过转换实验引入的角度，提出更明确的实验目的，改进实验方案，分析数据得出不同物质吸热本领不同，从而顺利建立比热容的概念。在建立比热容概念的过程中，实验是重要的环节，只有科学、合理、遵循概念内涵、符合学生认知规律的实验才能有效建立物理概念。
参考文献：
[1]顾建元.浅谈初中物理概念教学的有效性[J].中学物理，2012（6）：11-12.
[2]张霞.实验数据的收集、分析与论证[J].中学生数理化（八年级物理）（配合人教社教材），2010（11）：27-28.
摘 要：比热容的概念因其比较抽象、内涵有深度、外延有广度而难以理解和应用，老师的教和学生的学都有相当的难度。本文通过分析比热容概念建立的难点症结，分析原因，提出通过实验有效建立比热容概念的建议。
关键词：比热容 ；实验探究；概念建立
在初中物理众多的概念中，比热容的概念因其比较抽象、内涵有深度、外延有广度而难以理解和应用，老师的教和学生的学都有相当的难度。沪科版教材是通过“探究物质吸热或放热的规律”的实验，比较水和煤油吸热能力不同，进而建立了比热容的概念。这种方式建立概念的过程是间接迂回的，学生对概念的理解会出现“囫囵吞枣”现象。有效建立比热容的概念，必须明确比热容概念建立的难点，针对难点设计实验。
1 比热容概念建立的难点
（1）比热容概念涉及的物理量数量是初中物理概念中最多的教材用比值法定义比热容，虽然在建立概念时相对容易，但其物理意义更难以理解。
比热容是为了表示物质吸热和放热的本领引入的概念，是物质的一种特性，与物质的种类有关，一般不同的物质比热容不同，与是否吸热或放热，吸热或放热多少、质量等因素无关。但是，比热容的大小等于一定质量的某種物质在温度升高（或降低）时吸收（或放出）的热量与它的质量和升高（或降低）温度的乘积之比，比热容的定义涉及到吸收（或放出）的热量、质量和升高（或降低）的温度三个物理量。这二者结合起来看似乎是矛盾的，给学生正确理解比热容概念造成极大的困扰。
（2）教材通过给质量相同的水和煤油加热，让它们升高相同的温度，通过比较加热时间比较两种物质吸热的多少，进而比较它们的吸热本领。对学生而言有两个难点。
一是为什么要比较相同质量的不同物质升高相同的温度时吸热的多少，设计实验的意图是什么？教材为引入实验所做的铺垫是：明确“物体吸热后温度可能升高”，提出“不同物体升高相同的温度吸收的热量是否相同”的疑问，通过煤气灶烧水的生活常识，明确“同一种物质升高相同的温度，质量越大的物体吸热越多”，最终引出实验“探究相同质量的不同物质在升高相同的温度时，吸收热量的多少是否相同”。显然，因为缺乏学生的体验，实验的引入比较晦涩和突兀。同时，与实验后引入比热容的概念没有形成有效的衔接，学生在实验前难免不知所云，不知道为什么要做这个实验。
二是为什么比较加热时间可以比较液体吸热的多少。因为热量没有具体的可视形体，吸热的多少也没办法利用测量工具进行直接测量，因此，判断物质吸热多少只能采用转换法，转换为可以测量的加热时间，通过比较加热时间判断物质吸热的多少。教材中提到“当热源相同时，两液体升高温度相同的情况下，加热时间越长的液体从热源吸热越多”，从热传递的角度分析，热源在相同的时间放出的热量相同，不计热量损失或热量损失相当的情况下，液体吸收的热量也相同，相同的道理，热源放热时间越长，液体吸收热量也越多，这是教材设计实验的本意。在实际的教学过程中发现，学生普遍掌握不好，因为转换法之前接触较少，特别是，本实验的这种转换出现的比较突然，学生理解和应用需要一个过程。
（3）给两种液体加热相同的时间，观察到的现象是煤油温度升得高，大部分学生的思维是，其它条件相同，因为煤油升高的温度多，所以煤油的吸热本领大。
究其原因，应该有两个，一是受前面知识的影响，认为同一物体吸热越多，温度升高也越高，反之，温度升高越高，吸收热量也越多。二是依据生活经验判断，认为温度升高越高，就是因为吸热本领大。因此怎么处理实验数据，让学生正确理解比热容的概念，是教学的难点所在。
2 利用转换实验 有效建立概念
物理概念的建立，离不开感知和抽象两个过程，必须体现过程性，必须遵循学生的认知发展规律[ 1 ]。归纳上述几个问题不难发现，影响比热容概念教学最重要的环节是实验探究，科学有效的实验决定了比热容概念能否顺利建立。在新课教学时应当遵循概念内在的规律，设计符合学生认知规律的实验，帮助学生顺利建立比热容的概念。
2.1 利用转换引入探究问题
教材通过煤气灶烧水和加热不同金属的事例入手，提出问题“质量相同的不同物质，在升高相同的温度时，吸收热量的多少是否相同”，从而引出实验探究。可以变换角度，从物质吸热的多少与哪些因素有关入手，引导学生分析生活中最常见的两个烧水的情景：烧开一壶水和烧开半壶水（质量不同，升高的温度相同）需要的时间是否一样？把一壶水烧开和把一壶水烧成温水（质量相同，升高的温度不同）需要的时间是否一样？学生的生活经验能帮助他们认识到物质吸热的多少跟物质的质量和升高的温度有关。继续提出问题，物质吸热的多少除了跟质量和升高的温度有关，还跟什么因素有关呢？学生猜想，引导学生猜想还跟物质的种类有关，有效引出后面的实验探究。
这样角度的转换至少有几个好处：
（1）“烧水”是生活中非常常见的情景，学生都很熟悉、很亲切，生活经验可以帮助他们做出正确的判断。
（2）多次出现“通过比较加热时间长短判断水吸收热量的多少”，为后面的实验打下基础。
（3）提出“物质的种类”这一说法，是为实验后提出“吸热的本领”做准备，因为分析实验数据发现，相同质量的水和煤油升高相同的温度，之所以吸收的热量不同就是因为它们是不同种的物质，吸热的本领是不一样的，从而引出用“比热容”这一物理量表示物质的吸热本领。从概念引入的角度看，显然这种转换是更有效，更容易接受的。
（4）物质吸热的多少与质量、升高的温度和物质的种类（比热容）有关，为更好地理解和掌握热量的计算做准备，体现了知识的连续性和首尾呼应。
2.2 采用转换法设计实验方案
教材中的实验用酒精灯给水和煤油加热，热源很难做到相同，甚至很难做到接近，毕竟影响酒精灯放热和液体吸热的因素太多了。实验中既然要准确测量加热时间，定量分析实验数据，应当按照定量实验的基本要求，排除不稳定因素对采集实验数据的干扰。控制热源相同有两种方案可供选择。
方案一：用电热棒代替酒精灯
市面上有售500W左右的小功率电热棒，发热管长度10cm 左右，放在烧杯中给水和煤油加热时发热管正好浸没在液体中。用电热棒代替酒精灯有以下优点：
（1）只要使用功率相同的电热棒，可以真正做到热源相同。根据电功、电功率和加热时间的关系，通过比较加热时间可以准确比较电热棒放出热量的多少，在热损失几乎相同的情况下（这种加热方式热损失极小），就可以比较液体吸热的多少。
（2）不必担心知识超前学生难以理解，毕竟电热棒是家用電器，只要强调规格相同的电热棒加热时间相同放出的热量相同，加热时间越长，放出的热量越多就可以了。相反，这种加热方式为今后解决电热综合题作了铺垫。
方案二：水浴法加热
借鉴晶体熔化的实验，采用水浴法给水和煤油加热。在大烧杯中加入热水，用热水给试管中的水和煤油加热（如图1），且试管中液体的液面低于烧杯中的水面。这种加热方式的好处：一是试管内的液体受热更均匀，温度变化更平稳；二是可以更方便地控制末温，确保两种液体末温相同，只要初温相同，升高的温度就相同。
2.3 分析实验数据建立比热容的概念
“分析与论证”是通过对实验现象和实验数据进行分析比较、寻找数据之间的相互关系，并且能够用准确、简洁的物理语言加以表述[ 2 ]。本实验的数据并不复杂，通过之前有意识的引导，学生在表格中能根据加热时间长短填上水吸热的“多”，煤油吸收热量“少”。引导学生回答实验提出的问题：相同质量的不同物质，升高相同的温度时吸收的热量不同，说明物质吸热的多少与物质的种类有关，不同的物质吸热的本领不同。在这个实验中，水吸收收更多的热量，说明水的吸热本领大。为了表示物质的吸热本领，引入比热容这一物理量，从而顺利引入比热容的概念。
在用比值法给出了比热容的定义之后，将比热容的定义式变形为Q=cmΔt，不难发现，物质吸热多少等于质量、升高的温度和比热容的乘积，正好验证了实验结论“物质吸热的多少除了跟质量和升高的温度有关，还跟物质的种类有关”。
在定义比热容时，甚至可以直接利用数学手段，将公式Q=cmΔt变形为c=，从而得出比热容的定义。
综上所述，通过转换实验引入的角度，提出更明确的实验目的，改进实验方案，分析数据得出不同物质吸热本领不同，从而顺利建立比热容的概念。在建立比热容概念的过程中，实验是重要的环节，只有科学、合理、遵循概念内涵、符合学生认知规律的实验才能有效建立物理概念。
参考文献：
[1]顾建元.浅谈初中物理概念教学的有效性[J].中学物理，2012（6）：11-12.
[2]张霞.实验数据的收集、分析与论证[J].中学生数理化（八年级物理）（配合人教社教材），2010（11）：27-28.
