在教材編排順序上,比熱容一節位於熱量之後,因此,比熱容概念的介入就要與熱量建立起實質性的聯繫。因此,我們著眼於「比較」物質吸熱量「多少」這一關鍵思路,將教學邏輯由「探究影響物質吸熱能力的因素」轉變為「比較兩種物質吸熱能力」,把研究方法從「控制變量法」調整為「比值定義法」。於是,比熱容概念的建立便在這種教學邏輯的統攝下展開。
3.1 比較吸收熱量,判斷吸熱能力
鑑於初中學生的物理認知水平尚處於具體運算階段,對概念的理解還不能脫離具體事物的支持 ,故應以具體數據輔助學生進行吸收熱量多少的比較。據此,選用兩根阻值相同的電阻絲作為加熱源,把它們分別置於水和食用油中,由於電阻絲阻值及兩端電壓已知,這樣便可以根據公式Q=I2Rt定量計算出液體吸收熱量的多少,這個數值將被用來判斷物質吸熱能力的強弱。
實驗結果表明,這種直接比較水和食用油吸收熱量的方法會引起謬誤:當兩種液體升高的溫度及質量不同時,實驗中會出現比熱容大的物質吸熱少,而比熱容小的物質吸熱多的情形。例如,0.3kg的水溫度上升10℃僅需要12600J的熱量,而0.6kg的食用油上升30℃則吸收了32400J的熱量。針對這種佯謬,教師應啟發學生思考:錯誤的產生根源在於比較時沒有選取相同的標準,解決問題的辦法就是在比較時選取相同的標準。
3.2 利用數學工具,統一比較標準
在第二環節中教師應及時把握教學契機,向學生點明:為了使比較結果有意義,要把比較的標準變成一樣,即加熱相同質量的水和食用油,使之上升相同的溫度,即將物質的質量及上升的溫度統一了標準。然而並非是要採取某些複雜的手段,使水的質量增加至0.6kg,溫度上升到30℃或是將油的質量減少至0.3kg,溫度下降到10℃,而是利用除法這種數學工具,用液體吸收的熱量Q除以相應質量m、溫度的變化量δt,使標準化為「單位質量改變單位溫度」,即採用比值
的形式進行比較。至此,該比值同「比熱容」的定義式建立了初步聯繫。
依照這種思路,計算得到水的
值則為1800。通過查閱書中「比熱容表」可知比值的大小與表中數據相吻合,正好印證了選用數學工具的準確性。但這種研究思路卻與我們的初衷(直接比較液體的吸熱量判斷其吸熱能力強弱)相悖,那麼這個比值的含義究竟是什麼呢?
3.3 結合實際情景,闡釋物理意義
基於比較兩液體吸熱量的樸素動機,從直觀數據出發,初步得到了比熱容的表達式,可是對於式子
的真實含義卻未能揭開其神秘的面紗。此時,教師應向學生指出:該比值反映了物質吸熱能力的強弱,用單位質量的物質每升高一攝氏度吸收的熱量來表述這種能力,我們稱之為比熱容,表達式為
。然而,這一表述對初中學生並非十分直觀明確,很難讓學生在思想上產生共鳴。由此,最後環節的教學還是應重新回到現實中去,聯繫學生最為樸實的生活經驗,詮釋比值的物理意義。
比如,可以結合學生小學時常常接觸的一類應用題進行闡述:有兩個挖掘隊,甲隊一天工作5小時,3天後挖了75立方米的土,乙隊每天工作6小時,2天中共挖土72立方米的土,試問哪隊工作的效率更高。顯然,甲隊挖的土要多於乙隊,這相當於水和油吸收了不同的熱量。但是要比較工作的效率,還應選取統一的標準,即甲乙兩隊幾天內工作累積的小時數,這可類比單位質量的物質溫度升高一攝氏度。最後用工作總量與幾天內工作時間的比值對兩隊的工作效率進行表示,甲隊一小時挖5立方米土,而乙隊一小時挖6立方米土,可見乙的工作效率大於甲的。通過這道學生熟悉的小學數學應用題,可使學生對比熱容概念有更加深入的理解。