专题讲座

初中物理“比热容”教究学研与案例评析

王宗会（北京市门头沟区西辛房中学）

一、“热量、比热容”研究

（一）学科知识结构中的地位及相互关系

比热容又称比热容量，简称比热，是单位质量物质的热容量，即使单位质量物体改变单位温度时吸收或释放的内能。比热容是表示物质热性质的物理量。

比热容是表征物质特性的一个重要物理量，反映物质吸、放热本领的物理量,是物质吸、放热量的能力，在国家课程标准中“能量 - 内能”中包含了比热容的几点要求：

http://edu6.teacher.com.cn/ahddlink/112/kcjj/ztjz/images/01.jpg 了解热量的概念。

http://edu6.teacher.com.cn/ahddlink/112/kcjj/ztjz/images/01.jpg 通过实验，了解比热容的概念。

http://edu6.teacher.com.cn/ahddlink/112/kcjj/ztjz/images/01.jpg 尝试用比热容解释简单的自然现象。

其内容涵盖了：热量及其单位；比热容的概念；会用比热容的概念分析、判断有关问题；会查比热容表；根据比热容进行简单的热量计算。

作为表征物质特性的一个重要物理量，比热容概念的建立是分析许多有关现象的理论依据，对学生后续学习会产生重要影响，是学生必须建立的基本物理量。

（二）“热量、比热容”在热学知识中的地位

物理概念是整个物理学知识的核心，它是学习物理学、理解物理公式含意、掌握其法则、规律等知识的基础，同时也是学生特别是初中学生在学习中感到枯燥无味、难以掌握的一个关键。“热量、比热容”是初中热学的重要内容，在学习了机械能的基础上，把能量的研究拓展到内能，并开始用物质微观结构的知识来解释宏观现象。为从分子结构观点理解物体内能的本质打下基础，也为下一单元燃料的燃烧和热机的学习做好了准备。

比热容是反映物质吸、放热本领的物理量，是物质的一种重要热学特性，是进一步学习热学知识的基础概念，也是分析许多有关现象的理论依据 , 在热学中具有重要的地位。

知识联系：

1．热量

热量是物体在热传递过程中传递能的数量。热量与物质的比热、质量和温度的变化量有关，因此，说物体“具有”多少热量是错误的。热量是可以“传递”的，在热传递过程中，物体的内能要随之发生变化（在有些资料中，将在热传递过程中，物体内能改变的多少定义为热量）。一般情况下，此时物体的温度也同时发生变化，但是也有例外。如在某些物态变化的过程中，无论物体是吸热还是放热，温度均保持不变。

热量的实质是在热传递过程中，内能转移多少或传递能量多少的量度。

由于温度差，在热传递过程中，物体（系统）吸收或放出能量的多少，叫做“热量”。它与做功一样，都是系统能量传递的一种形式，并可作为系统能量变化的量度。热量是热学中最重要的概念之一，它是量度系统内能变化的物理量。在热传递的过程中，实质上是能量转移的过程，而热量就是能量转换的一种量度。热传递的条件是系统间必须有温度差，参加热交换不同温度的物体（或系统）之间，热量总是由高温物体（或系统）向低温物体（或系统）传递的，直到两个物体的温度相同，达到热的平衡为止。

2．温度变化

温度表示物体的冷热程度，同时也表示物体内大量分子作无规则运动的快慢 程度。温度可以是物体所“具有”的，但它是不能“传递”的。温度的变化用“升高”和“降低”来描述，温度与热量、内能均有密切联系。

物体内分子热运动的宏观表现，温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。温度没有高极点，只有理论低极点“绝对零度”。“绝对零度”是无法通过有限步骤达到的。目前国际上用得较多的温标有华氏温标 (F) 、摄氏温标（℃）、热力学温标 (K) 和国际实用温标。温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。分子运动愈快，物体愈热，即温度愈高；分子运动愈慢，物体愈冷，即温度愈低。

知识扩展：在工程实际应用上常用定压比热容 C_P 、定容比热容 C_V 、饱和状态比热容三种。

（定压比热容 Cp 是单位质量的物质在压力不变的条件下，温度升高或下降 1 ℃ 或 1K 所吸收或放出的能量。

定容比热容 Cv 是单位质量的物质在容积（体积）不变的条件下，温度升高或下降 1 ℃ 或 1K 吸收或放出的内能。

饱和状态比热容是单位质量的物质在某饱和状态时，温度升高或下降 1 ℃ 或 1K 所吸收或放出的热量。）

比热容与过程的性质及温度有关。因此，初中物理课本对比热容的定义是不严密的。但是，由于在初中不涉及比热与过程和温度的关系，所以很难对比热下一个严密的定义。同时，对于固体和液体，其热膨胀系数很小，因膨胀对外做功可以忽略不计，定压热容量和定容热容量相差很小，可以不考虑过程对比热的影响，对大多数晶体来说，在通常温度下其热容量可以认为是一常数，也可以不考虑温度对比热容的影响，因此，初中物理课本对比热容的定义，对一般固体和液体在通常温度下是近似正确的。

比热容是反映物质吸、放热本领的一个物理量，不同物质吸热升温或放热降温本领一般是不同的，通常把单位质量的某种物质温度升高或降低 1 ℃所吸收或放出的热量叫做这种物质的比热容。常用比热容的单位是焦耳 / （千克 · ℃），符号为 J/(kg· ℃ ) 。

二、学习比热容知识对于现实生活的重要作用

比热容所涉及的科学内容，多数与日常生活和自然现象联系紧密，与工农业、工程应用相联系。因此学习比热容是了解物质的基本属性、认识物质的必经过程，是应用物质的不同属性解决实际问题、造福社会的前提，是物理学习的基础。

科学认识物理常数表对日常生活与工农业、工程应用有着重要的作用。

学生读懂比热容表、会查比热容表是学习的基础，更重要的是在实际应用中加以利用，对现代生活中意义深远。

三、 比热容知识的应用

（一） 利用水的比热容大来调节气候

水的比热容较大，对于气候的变化有显著的影响。在同样受热或冷却的情况下，水的温度变化小一些，水的这个特征对气候影响很大，白天沿海地区比内陆地区升温慢，夜晚沿海温度降低少，为此一天中沿海地区温度变化小，内陆温度变化大，一年之中夏季内陆比沿海炎热，冬季内陆比沿海寒冷。海陆风的形成原因与之类似。

1．对气温的影响

据消息，三峡水库蓄水后，这个世界上最大的人工湖将成为一个天然“空调”，使山城重庆的气候冬暖夏凉。据估计，夏天气温可能会因此下降 5 ℃ ，冬天气温可能会上升 3 到 4 ℃。

2．热岛效应的缓解

晴朗无风的夏日，海岛上的地面气温，高于周围海上气温，并因此形成海风环流以及海岛上空的积云对流，这是海洋热岛效应的表现。近年来，由于城市人口集中，工业发达，交通拥塞，大气污染严重，在温度的空间分布上，城市犹如一个温暖的岛屿，从而形成城市热岛效应。在缓解热岛效应方面，专家测算，一个中型城市环城绿化带树苗长成浓荫后，绿化带常年涵养水源相当于一座中型水库，由于水的比热容大，能使城区夏季高温下降 1 ℃ 以上，有效缓解日益严重的“热岛效应”。

目前，北京市对永定河的治理工程中，在永定河沿线建立人工湖、水库等，随着水的增加，水的比热容大，在同样“受冷、受热”时温度变化较小，从而使夏天的温度不会升得比过去高，冬天的温度不会下降的比过去低，使温度保持相对稳定，从而成为一个巨大的“天然空调”。

（二）利用水的比热容大来冷却或取暖

1．水冷系统的应用

人们很早就开始用水来冷却发热的机器，水的比热容远远大于空气，用水代替空气作为散热介质，通过水泵将内能增加的水带走，组成水冷系统。这样机器产生的热量传输到水中后水的温度不会明显上升，散热性能优于直接利用空气和风扇的系统。

热机（例如汽车的发动机，发电厂的发电机等）的冷却系统也用水作为冷却液，也是利用了水的比热容大这一特性。

2．农业生产上的应用

水稻是喜温作物，在每年三四月份育苗的时候，为了防止霜冻，农民普遍采用“浅水勤灌”的方法，即傍晚在秧田里灌一些水过夜，第二天太阳升起的时候，再把秧田中的水放掉。根据“水的比热容大”的特性，在夜晚降温时，使秧苗的温度变化不大，对秧苗起了保温作用。

3．热水取暖

冬季供热用的散热器、暖气片、暖水袋等均用水作为传热物质，降温时温度变化不大。

4．其他

诸如在炎热的夏天古代皇室用流水从屋顶上流下，起了防暑降温作用；夏威夷是太平洋深处的一个岛，那里气候宜人，是旅游度假的圣地，除了景色诱人之外，还有一个主要原因就是冬暖夏凉。

四、“比热容”教学策略

物理概念是反映对象的本质属性的思维形式。人们通过实践，从对象的许多属性中，撇开非本质属性，抽出本质属性概括而成。在概念形成阶段，人的认识已从感性认识上升到理性认识，把握了事物的本质。而物理概念是整个物理学知识的核心，它是学习物理学、理解物理公式含意、掌握其法则、规律等知识的基础，同时也是学生特别是初中学生在学习中感到枯燥无味、难以掌握的一个关键。

比热容是初中物理中一个非常重要的物理量，也是一个比较难理解的物理量。教材首先从日常生活常识出发，说明物质在温度变化时，吸收（或释放）的热量与物体质量和温度变化量有关，从而为比热概念的引出作好铺垫。然后安排演示实验，引导学生观察、对比、分析，最终抽象出比热的概念，并进一步由比热的定义说明其单位。最后列出一些常见物质的比热表，并联系实际讨论一些日常现象。

（一）重、难点分析

重点分析： 比热容的概念

比热容是反映物质特性的一个重要物理量，自然界中的许多现象和生产技术上的许多问题都跟物质的比热容有关，学好比热容知识能使学生加深理解热量的概念，更好的理解和运用热量的计算公式。同时也是燃料的燃烧和热机的学习基础知识。 只要搞清了“比热容”的概念，那么有关热量的计算公式、单位等的运用就迎刃而解了。因此怎样讲清“比热容”概念是教学的关键。

难点分析： 比热容的概念、比热容与热量、温度、质量三者间的变化关系。

比热容这一概念对于初中学生来说是比较抽象的。初中学生处于从形象思维向抽象思维过渡时期，在学习本节之前，学生对质量、温度、热量已有一定的认识，但这种认识具有一定的孤立性、片面性，没有深刻意识到它们之间的相互联系，因此“比热容”是初中物理教学中的一个难点。

（二）教学策略

初中物理概念的教学是通过教师的教学设计，激发出学生对知识的需要,并由积极的准备状态下，教师再利用各种适宜的方法，向学生阐明概念的形成过程，建立新旧知识的链接,让学生对物理概念的建立有一个清晰的认识。教师的教学设计要使学生不但知“其然”，更要知其“所以然”，为他们正确理解、灵活运用概念和规律奠定基础，而且这样的教学设计，使学生对所学知识印象深刻，记忆牢固，这样的学习效果才能很好。另外，物理概念的建立一般都含有一定的物理思维方法，在阐述它们的建立过程中学生也学会了一定的思维方法，这对提高学生学习物理的能力大有帮助。所以让学生清晰而且准确地了解物理概念的建立和形成过程，是物理概念教学的必需阶段。只有这样的教学方式才能充分发挥教学在发展学生智力、培养学生能力方面的作用，才能让学生对物理概念熟练掌握，从而运用起来能得心应手。

因此在认识“比热容”概念的时候就需要充实给学生丰富的感性认识与经验。让学生从观察日常生活中的现象入手，了解如何进行实验设计、实验操作，学会记录实验数据和信息，进行合作与交流。 即通过日常的活动感知或观察实验等一系列的实践活动，或者根据已有的经验事实，获得研究物理问题的感性材料，这是形成概念的基础。 进一步从形象思维过渡到抽象思维，提出新知识，完成从实践到理论的认识上的飞跃。

1．“比热容”概念

（ 1 ）感性认识

观察与实验

从观察日常生活中的现象入手， 通过日常的活动感知或观察实验等一系列的实践活动，或者根据已有的经验事实，与形成概念有密切关系的物理现象加以描述，为形成概念积累一些必要的感性认识。

策略：创设教学情境。

【情境一】

1．烧开一壶水与烧开半壶水需要吸收的热量一样吗 ？

2．把一壶水烧开与烧成温水 需要吸收的热量一样吗 ？

通过日常生活中的现象感知、积累认识，拉近了物理与生活的距离，并有效激发学生的求知欲望。进一步分析得出水吸热的多少与质量和温度变化有关。

【情境二】

教师：日常生活中，烧开一壶水与烧开半壶水；将一壶水烧开与温水所用的时间不同，这种现象说明了什么？

学生：两种情况中，说明水吸收的热量不同。

教师：相同的热源，用加热时间的长短来描述吸收热量的多少。那么物质吸收热量的多少与那些因素有关？

学生：水的质量、温度升高的度数。

教师：水在温度升高时吸收的热量，跟水的质量有关，跟温度升高的 度数有关，水的质量越大，温度升高的度数越多，吸收的热量越多。

【情境三】

图片展示：炎热的夏天，中午在海边玩耍沙子很烫而海水比较凉，傍晚沙子变凉了而海水却还很温暖。为什么海水和沙子在同一时刻的温度不一样，白天和夜间又有很大的差别？

通过日常生活中的现象，进一步引入“所有的物质，在质量相等、温度升高的度数也相等时，吸收的热量是不是一样多呢？或者物体吸收热量的多少是否还跟其他因素有关？”。使学生意识到这是由于不同的物质在吸、放热的性能上有差异而造成的，为下面的科学探究埋下伏笔。

（ 2 ）实验研究

物理是一门以实验为基础的自然科学，许多物理规律、原理的得出都是建立在实验的基础之上的。不仅如此，在物理教学中注重实验教学，还能激发学生的学习兴趣，培养学生的观察能力、动手动脑能力、分析概括能力，培养学生实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。物理实验教学作为物理教学的重要组成部分，它能让物理枯燥无味的理论课变得趣味、生动，让我们的物理课堂更加高效。

设计实验：

概念的教学，可以采用以一定感性实验为基础的思维研究方式，利用已有知识和经验，步步为营，层层深入，让学生建立起清晰、深刻的概念，理解概念的精髓和内涵。

（ 1 ）如何使水和煤油的温度升高？

（ 2 ）如何比较水和煤油哪个升温更快？怎样比较？

方法一：在加热时间（吸收热量）相同的情况下，观察相同质量的物体升高的温度是否相同。

方法二：观察相同质量的物体升高相同的温度所需要的时间（吸收热量）是否相同。

案例

实验：质量相等的水和煤油，升高相同的温度，吸收的热量是否相等。

质量相等的水和煤油，吸收的热量相同，升高的温度是否相等。

（ 1 ） 实验时，为什么水和煤油的初温要相同？

（ 2 ） 实验过程中为什么要选用两个相同的酒精灯 ?

（ 3 ） 怎样知道水和煤油吸收的热量是否相等？

案例评析：在设计实验时，对于“如何表示物体吸收热量相同”是学生不容易想到的。通过分析以及生活经验逐步过渡到“利用时间的长短”来描述“物体吸收热量的多少”从而解决。初温相同目的是“在初温相同时，可以在实验过程中根据温度计的读数（末温），便于看出温度变化是否相等；相同酒精灯（ 两个相同的加热源 ）的目的是“在相同的时间内，酒精灯燃烧放出的热量相等，物体吸收热量相等”。

（ 3 ）抽象与归纳定义

这是由感性认识进入理性认识的阶段，即从具体到抽象的思维过程。教师引导学生 以一定感性实验为基础的思维研究方式，利用已有知识和经验，步步为营，层层深入，让学生建立起清晰、深刻的概念，理解概念的精髓和内涵。通过实践，从对象的许多属性中，撇开非本质属性，抽出本质属性概括而成。在概念形成阶段，人的认识已从感性认识上升到理性认识，把握了事物的本质。

由于比热容与过程的性质及温度有关，因此，初中物理课本对比热容的定义并不严密。但是，由于在初中不涉及比热容与过程和温度的关系，所以很难对比热下一个严密的定义。同时，对于固体和液体，其热膨胀系数很小，因膨胀对外做功可以忽略不计，可以不考虑过程对比热的影响，对大多数晶体来说，在通常温度下其比热容可以认为是一常数，也可以不考虑温度对比热容的影响。因此，初中物理课本对比热容的定义，对一般固体和液体在通常温度下是近似正确的。

比热容 是指 单位质量的某种物质温度升高（降低） 1 ℃ 所吸收（放出）的热量，是反映物质吸、放热本领的物理量，是物质的一种重要热学特性。

“比热容”概念是建立在两类事实基础上：

第一类：①同一种物质，质量相同，温度变化相同时，吸放热相同；

②同一种物质，质量相同，温度变化不同时，吸放热不同；

第二类：①不同种物质 , 质量相同，温度变化相同时，吸放热不同；

②不同种物质，质量相同，吸放热相同时，温度变化不同；

通过探究实验让每个学生都能信服地认识到“不同物质吸、放热本领一般不同，而同一状态下，同种物质吸、放热本领总是相同的这一特点，继而认识概念。”事实上，“比热容”的概念也正是在这样的实验事实的基础上提出来的。重点关注对实验现象的分析与理解，引导学生深入洞察实验现象和数据背后反映的事物的本质。

2．“比热容”的应用

概念的记忆必须建立在理解的基础上，这样才能有助于物理概念的深化。丰富学生对概念内涵的认识，也有利于对思维能力的培养。遵循从感性认识到理性认识，从特殊到一般的认识规律，初中物理概念教学的方法多种多样、灵活多变。在教学中选择好恰当的教法，或者把多种教学方法合理地综合应用必然能够取得理想的教学成果。

（ 1 ） 不同的物质比热容一般不同，它也是物质的特性之一；

（ 2 ） 物质的状态不同比热容一般不同；

（ 3 ） 水的比热容较大：水的吸（放）热能力比别的物质强；水吸（放）热升（降）温比别的物质慢。

① 对气温的影响沿海地区温度变化小，内陆地区温度变化大。

② 对热岛效应的影响城市中建水库或建绿地。

③ 水冷却系统因为水的比热大，可以用循环流动的水来冷却。热机（例如汽车的发动机，发电厂的发电机等）的冷却系统是用水作为冷却液。

④ 热水取暖因为水的比热容大，在生活中往往用热水取暖。冬季供热用的散热器、暖水袋就是这个道理。

（三）学生常见错误与问题的分析与解决的策略方法

学生在学习“ 比热容 ”概念之后，对于“物体的吸放热的多少”主要是以物体的“质量”、“温度的高低”和“比热容的大小”作为判断。原因有以下的几方面：主要来自于日常的经验和生活中的观察，错误产生于对概念混淆和生活中的片面经验的认识。

问题一： 为什么水和煤油的初温要相同？

解决策略：

只有在初温相同时，可以在实验过程中根据温度计的读数（末温），看出温度变化是否相等；

问题二： 实验过程中为什么要选用两个相同的酒精灯 ?

解决策略：

在相同的时间内，酒精灯燃烧放出的热量相等，水和煤油吸收热量相等。

问题三： 怎样知道水和煤油吸收的热量是否相等？

解决策略：

水或煤油，加热时间长，吸收的热量多；

加热时间相等，吸收的热量相等。

（利用加热时间的长短来描述吸收热量的多少）

问题四： 在实验的过程中观察什么 ?

解决策略：

观察初温相同的水和煤油，吸收相同的热量的温度变化。

升高相同的温度，水和煤油哪个吸收的热量多？

问题五： 用“比热容的大小”代表“物体吸放热多少”的错误认识。

解决策略：

学生认为：比热容大的，物体的吸放热多；比热容小的，物体的吸放热少。原因在于将概念（吸放热的能力）与过程相混淆。

比热容是表示物质热性质的物理量，是表征物质特性的一个重要物理量，反映物质吸、放热本领的物理量 , 是物质吸、放热量的能力，作为初中阶段一般情况下认为物质的状态不变，比热容不变。

问题六：“物体的吸放热的多少”是由哪些因素决定的？

解决策略：

热量是物体在热传递过程中传递能的数量。热量与物质的比热、质量和温度的变化量有关，热量是可以“传递”的。热量的实质是在热传递过程中，内能转移多少或传递能量多少的量度。由物质的比热容、物体的质量、升降的温度共同决定的。

解决策略概述：

1．理解物理概念的内涵，了解物理概念的外延和有关概念之间的联系与区别

温度表示物体的冷热程度，同时也表示分子作无规则运动的快慢程度。温度可以是物体所“具有”的，但它是不能“传递”的。

热量是物体在热传递过程中传递能的数量。热量与物质的比热、质量和温度的变化量有关，热量是可以“传递”的。热量的实质是在热传递过程中，内能转移多少或传递能量多少的量度。

比热容是表示物质热性质的物理量，是表征物质特性的一个重要物理量，反映物质吸、放热本领的物理量，是物质吸、放热量的能力，作为初中阶段一般情况下认为物质的状态不变，比热容不变。

2．在运用中比较

把易混概念运用于某些具体情况中，常常能获得生动的、直观形象的感受，使概念之间的区别更鲜明。例如：热量和温度，学生往往认为热量是一种物质、温度是热量的强度、热量和温度成比例、热传递中是温度被转移等等。教学过程中运用“概念冲突”来促进学生概念的转化，提供一些实例和需要学生解决的问题，学生用个人的理解和解释这些实例往往会产生矛盾，只有运用科学的物理概念才能解决“冲突”，解释这些现象。再进一步运用“概念发展”深化物理概念的理解，教学中鼓励学生讨论，并充分暴露自己的观点，使自己的观点和认识进一步发展，同时在和其他同学的观点、科学概念之间的讨论和交流中使自己不正确观点得到转化。

3．概念形成过程的比较

物理学概念是从物理现象和物理过程中抽象出来的事物本质特征，概念形成过程的比较涉及到建立概念的目的、有关的典型物理事物或物理现象、思维过程等。这些方面的区分度一般较大，容易起到鉴别概念的作用。一个物理概念的表达式中，包含了它的物理意义、定义方式、单位等内涵，对表达式中的这些内涵进行横向比较，能促使学生记忆概念、活化概念和深化概念