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机械能、内能及其转化
第三节 比热容
教 材 解 读 比热容是本章的重点,同时也是初中物理的一个难点。它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问题都跟物质的比热容有关。本节课主要内容包括两方面:第一,探究物质的比热容,了解比热容的概念、公式和单位,查比热容表,运用比热容知识解释一些简单现象;第二,知道不同物质的导热性能不同,导热性是物质的一种特性。比热容这一概念对于初中学生来说是比较抽象的,针对这一特点,应通过学生熟悉的生活常识引入课题,突出物理教学以观察、实验为基础的特点;然后进行实验探究,体现从形象思维到抽象思维的认识规律。本节内容是热量计算及力热、热电综合的基础。导热性与生活实际联系密切,学生容易掌握,重点将所学知识应用于生活中,解决生活中的实际问题。
学 习 目 标 物理观念 1.通过实验了解比热容的概念、知道比热容的符号和单位以及比热容是物质的一种特性。 2.会用比热容的知识分析、判断有关问题,会查比热容表。 3.会计算物体吸收或放出热量的多少。 4.知道不同物质的导热性能不同,知道导热性是物质的一种特性,不同物质具有不同的导热性。
科学思维 1.学习利用物理知识解释日常生活中的一些实际问题。 2.尝试用比热容解释简单的自然现象。 3.通过对导热性的理解,解决和解释生活中的实际问题。
科学探究 通过对比不同物质吸热本领不同的实验探究活动,体会科学探究的过程,进一步体会科学探究的常用方法——控制变量法。
科学态度 与责任 1.通过实验探究,获得科学探究的乐趣,培养学生科学探究的能力和实事求是、尊重自然规律的科学态度。 2.通过对比热容知识的广泛应用,认识科学、技术和社会之间的关系,激发学生的学习兴趣,不断加深对科学、技术、社会之间的联系。 3.通过对导热性的了解能解决和解释生活中遇到的实际问题,让学生进一步体会物理及生活。
重 点 难 点 重点:比热容概念及其单位含义,会应用比热容知识解释生活中的有关现象。 难点:理解比热容的概念。
合 作 探 究 探究课题:比较不同物质的吸热能力 方法寻找:如何比较不同物质的吸热能力 (①质量相同的不同物质,升高相同的温度,比较吸热的多少,吸热多的吸热能力强;②质量相同的不同物质,吸收相同的热量,比较升温的多少,升温少的吸热能力强) 实验器材:电加热器、两个烧杯、温度计、天平及砝码、手表等。 设计实验:(1)怎样得到质量相同的水和煤油 (利用天平进行称量) (2)怎样确定水和煤油是否吸收了相同的热量 (控制加热时间相等) 进行实验、收集数据、分析归纳。 得出结论:质量相同的不同物质,吸收相同的热量,升高的温度不同(不同物质吸热能力不同);物体吸收热量的多少与物质的种类、温度的变化、质量有关。
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教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 展示照片,如图所示,夏季的中午在海边游玩的时候,干燥的沙子感觉烫脚,而海水却是凉爽的;晚上再到海边,沙子是凉的,而海水还是温热的。通过本节课的学习,就能了解其中的物理原理。 学生回顾自身经历 情境引入,让学生知道物理来自生活。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
【新课教学】 探究点一:热量 引导学生回顾改变内能的两种方式:做功和热传递。说明在只有热传递过程中,内能改变的多少用热量来量度,物体吸收了多少热量,内能就增加多少;物体放出了多少热量,内能就减少多少。 提出问题:物体吸收热量的多少与哪些因素有关呢 猜想引导:1.将一壶水和半壶水从20 ℃烧开,谁吸收的热量多 2.将一壶水从20 ℃烧开和从20 ℃烧到60 ℃,谁吸收的热量多 3.将一壶水和同样一壶食用油从20 ℃加热到60 ℃,吸收的热量一样吗 引导学生交流猜想,并说出猜想的依据。 学生结合生活经验得出物体吸收热量的多少与物体的质量和升高的温度有关,而物体吸收热量的多少与物质种类是否有关,学生没有猜想的依据,不能确定,由此引出探究实验。 明确实验目的:探究物体吸收热量的多少与物质种类是否有关。 设计实验:小组讨论(1)如何改变自变量(物质种类) 如何控制变量(物体的质量和升高的温度) (2)如何比较物体吸收热量的多少 (3)需要哪些实验器材 学生阅读,思考,交流结论 思考问题并讨论回答 通过生活经验,让学生猜想吸收热量的影响因素。 通过问题引导学生进行实验设计,学习实验设计的思路。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
解决了这三个问题就解决了实验器材的选择和实验步骤的设计。其中第二个问题如何比较物体吸收热量的多少有难度,教师适当引导同学们交流,得出用相同的加热器给水和食用油加热,比较加热时间的长短来比较吸收热量多少的方案。并引导学生设计数据记录表格,如下表所示。 物质质量/kg初温/℃t-t1/℃加热时间/min水食用油
进行实验,提醒学生在加热过程中要注意安全。实验过程如图所示。 分析与结论:通过实验数据得出相同质量的水和食用油升高相同的温度,加热时间不同,吸收热量的多少不同,说明物体吸热的多少与物质种类有关。 评估与交流:请学生交流分析实验产生误差的原因。 ①加热器浸入水和食用油中的体积不同,热量散失不同。 ②温度计在水和食用油中与加热器的距离不同。 探究点二:比热容 教师引导学生归纳总结得出:相同质量的不同物质,升高相同温度,吸收热量的多少不同。物理中学用比热容表示不同物质的吸热特性。 学生观察实验,思考问题,讨论结论,得出等质量的不同物质,温度变化相同时吸热多少不同 学生看表比较,回答问题思考、交流 实验激发兴趣,问题引导思考,在实验和思考中提高思维和科学素养。 提高学生信息获取的能力。
(续表)
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在教师引导和学生的分析讨论中给出比热容的定义:一定质量的某种物质,温度升高(或降低)的过程中所吸收(或放出)的热量,与物质的质量和温度变化量乘积的比,叫作这种物质的比热容。 用公式表示为c=(其中Δt=t-t0)。比热容的单位是由热量、质量和温度的单位复合而成的,在国际单位制中比热容的单位符号是J/(kg·K),常用单位符号是J/(kg·℃),这里要向学生说明变化1K与变化1 ℃大小相同,因此两个单位相等。根据比热容的定义式推导出吸放热的计算公式Q=cm(t-t0)。 查看比热容表并回答下列问题。 问题1:同种物质的比热容一定不变吗 问题2:不同物质的比热容一定不同吗 问题3:表中比热容最大的是什么物质 引出:同种物质的比热容与该物质存在的状态有关,不同物质的比热容也不一定不同,了解常见物质中水的比热容较大的特点。 探究点三:比热容的应用 运用比热容知识解释生活中的应用及现象: (1)发动机用水冷却。 (2)冬季暖气用水作为取暖介质。 (3)内陆地区早晚温差比沿海地区大的原因。 解释此现象时可以利用Q=cm(t-t0)的公式计算出1 kg水和1 kg干泥土吸收(或放出)相同热量时温度升高(或降低)的多少,用数据说明内陆地区比沿海地区吸热升温快,放热降温也快的事实,进而解释内陆地区早晚温差比沿海地区大的现象。 学生观察、讨论、交流 运用所学解释生活现象,体会物理源于生活,应用于生活。
(续表)
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(4)解释引入时提到的海水温度和沙子温度不同的原因。 让学生利用所学知识自己交流引入时描述的现象。 探究点四:导热性 将木筷子和金属小勺同时放入刚出锅的热汤中,过一会儿感觉勺柄比较烫手,而手拿筷子却感觉不到烫,可见金属比木材更容易导热。给出导热性能图,说一说你有哪些发现 说一说暖气片为什么用金属片,而煎锅的手柄常用塑料材质。 课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 学生从知识、方法、情感各方面对本节课进行总结 引导学生从知识、方法、情感各方面对本节课进行总结,学习归纳总结的方法,培养学生语言表达能力
学点1 探究影响物体吸收或放出热量多少的影响因素
提出问题:根据生活经验我们知道质量相同的同种物质,升高(或降低)不同的温度时,吸收(或放出)的热量 不同 ;质量不同的同种物质,升高(或降低)相同的温度吸收(或放出)的热量 也不同 。不同种类的物质,质量相同时,升高(或降低)相同的温度,它们吸收的热量相同吗
实验探究:比较不同物质的吸热情况。
阅读教材P15~P16实验探究,交流讨论,回答以下问题:
问题1:探究方法:我们要探究不同物质的吸热情况,需要控制 质量 和 温度变化量 相同。这种方法叫 控制变量 法。
问题2:设计思想:根据猜想我们可以先用 天平 测量出水和煤油的质量使其相等;然后利用相同的电加热器,让它们升高相同的温度,比较它们 加热时间的长短 。
问题3:实验器材:由设计思想可以概括出所需的实验器材:烧杯、电加热器、 天平 、钟表、 温度计 、搅拌器。
问题4:实验步骤:取两个 规格相同 的烧杯,分别装入 质量相等 的水和煤油作为研究对象,用 相同 的电加热器对它们进行加热,并记录加热时间(相当于吸收的热量)和 升高的温度 。
问题5:分析与结论:小红组得到的实验数据如下表,分析实验数据可得出:质量相等的水和煤油,加热相同的时间,它们升高的温度 不相同 (选填“相同”或“不相同”);质量相等的水和煤油,升高相同的温度时,它们的加热时间是 不相同 (选填“相同”或“不相同”)的。由此得出结论:质量相等的不同物质,在升高相同的温度时,吸收的热量 不相等 (选填“相等”或“不相等”)。
加热时间/min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
水的温度/℃ 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
煤油的温度/℃ 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
说 明:实验中,物质吸热的多少是通过 加热时间的长短 来表示的,这种方法叫作转换法。
学点2 比热容
阅读教材P16~P17的内容,回答下列问题:
问题1:在物理学中,用比热容表示物质的 吸、放热 性能。一定质量的某种物质,温度升高(或降低)的过程中所吸收(或放出)的 热量 ,与物质的质量和温度变化量乘积的 比 ,叫作这种物质的比热容。符号为 c ,单位是 J/(kg·K) ,读作 焦每千克开 。
问题2:结合如下“常温压下一些常见物质的比热容”可以得出:①一般来说,不同的物质,其比热容 不相同 (选填“相同”或“不相同”);②表中比热容最大的是 水 ,其数据代表的物理意义是 1 kg水温度升高(或降低)1 K时,吸收(或放出)的热量是4.2×103 J ;③ 水 和 冰 是同种物质,但其比热容 不相同 (选填“相同”或“不相同”), 煤油 和 冰 的比热容相等,但不是同种物质。
常温常压下一些常见物质的比热容
物质 比热容 /[103 J/(kg·K)] 物质 比热容 /[103 J/(kg·K)]
水 4.2 玻璃 0.84
酒精 2.4 干泥土 0.84
冰 2.1 钢铁 0.46
煤油 2.1 铜 0.39
砂石 0.92 水银 0.14
铝 0.88 铅 0.13
问题3:以水和干泥土为例,当1 kg的水和1 kg的干泥土温度均升高(或降低)2 ℃时,水吸收(或放出)的热量为 8.4×103 J ,干泥土吸收(或放出)的热量为 1.68×103 J 。即:当质量和升高(或降低)的温度相同时,比热容 大 (选填“大”或“小”)的物质,吸收(或放出)的热量多。
问题4:以水和干泥土为例,当1 kg的水和1 kg的干泥土均吸收(或放出)8.4×103 J的热量时,水的温度升高(或下降) 2 ℃,而干泥土的温度却要升高(或下降) 10 ℃。即:当质量和吸收(或放出)的热量相同时,比热容 小 (选填“大”或“小”)的物质,温度升高(或下降)得快。
问题5:白天海水的温度低,而沙滩的温度高,这是因为海水的比热容 大 ,当质量和吸收的热量相同时,水温度升高得较 慢 (选填“快”或“慢”);而沙子的比热容 小 ,在质量和吸收的热量相同时,沙子的温度升高得较 快 (选填“快”或“慢”)。傍晚时,海水又可以放出大量的热量,而温度降低得 慢 (选填“快”或“慢”),沙子的比热容 小 ,放出相同的热量时,温度降低得 快 (选填“快”或“慢”),所以傍晚沙子变凉了,而海水却还很温暖。
问题6:我国北方冬季供暖的“暖气”,用水做循环物质,这是因为水的 比热容较大 。请再举出一个应用此原理的事例: 汽车发动机的冷却系统用水作为工作物质 。
学点3 导热性
阅读教材P18的内容,回答下列问题:
问题1:物质传导热量的性能称为 导热性 。导热性能好的物质,吸热 快 ,散热也 快 。导热性是物质的一种 特性 ,不同的物质具有不同的导热性。
问题2:金属的导热性一般比非金属的导热性 强 ;纯金属的导热性一般比合金的导热性 强 。
问题3:北方冬季供暖用的暖气片一般用导热性能 强 的 金属 ,保温材料用导热性能 弱 的 泡沫塑料 。
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第三节 比热容
方式一 【问题导入】
有一句关于新疆的谚语:“早穿棉袄午穿纱,围着火炉吃西瓜。”为什么新疆的昼夜温差会这么大呢 这与什么有关呢
导入语:要科学地解释这一问题,那就开始我们今天“比热容”的学习吧。引入新课。
方式二 【情境导入】
同学们有没有在河边玩耍的生活体验 夏天的中午,在河边玩耍时,脚踩在砂石或泥土路面上与泡在河水里感觉有什么不同呢 (学生讨论回答)
导入语:这是为什么呢 通过学习比热容的知识,你就能自己来解答了。引入新课。
方式三 【情境导入】
多媒体展示图片(图10-3-1):
图10-3-1
三峡水库的修建大大增加了当地的水域面积,这对当地的气候有无一定的影响
小华在互联网上看到一段资料:“据有关专家预测,我国目前最大的三峡水利工程——三峡水电站建成后,三峡库区的气候会受到一定影响,夏天气温将比原来下降2 ℃左右,冬天气温将比原来升高2 ℃左右。”
导入语:专家们为什么会作出这样的预测 通过本节的学习,我们便能揭开谜底。引入新课。
1.帮助学生理解比热容与热量的区别和联系
项目 比热容 热量
特点 反映物质吸热或放热的能力 反映物质吸收或放出热量的多少
概念 单位质量的物质温度升高1 ℃吸收的热量 在热传递过程中,传递的能量的多少
单位 J/(kg·℃) J
有关因素 与物质的状态、种类有关,与质量、温度、热量无关 与质量、比热容、温度的变化量有关
联系 Q=cmΔt
2.利用水的比热容较大的典型实例与相关解释
(1)问:在我国的南方地区,为了保护秧苗不受冻,傍晚向秧田里多灌些水,这是为什么
答:这是因为水的比热容比较大,傍晚向秧田里多灌些水,夜间秧田里水的温度变化小,秧田的温度不致降低太多,秧苗就不会冻坏。
(2)问:为什么说水最适合作为冷却剂
答:这是因为水的比热容较大,相同质量的水和其他物质比较,在温度变化相同时,水吸收的热量较多,冷却效果较好。例如:机动车上设有水箱,用水来给机器散热降温。
(3)问:暖气片和暖气管道中为什么用水作为传热、散热的物质
答:这是因为水的比热容较大,相同质量的水和其他物质比较,在温度变化相同时,水吸收或放出的热量较多,在锅炉里吸收的热量多,在室内放出的热量也多。
(4)问:海陆风是怎样形成的
答:由于海水和土壤的比热容不同,引起内陆和海水温度变化差异较大,白天陆地增温快于海洋,夜间陆地降温也快于海洋,这样,白天风从海上吹向陆地,夜晚风从陆地吹向海洋,前者称为海风,后者称为陆风,合称为海陆风。
[中考解读] 对于比热容的考查,主要有三个角度:①对比热容概念的理解;②利用不同物质的比热容不同,解释日常生活和自然界的常见现象;③利用吸、放热公式进行与比热容相关的计算。比热容的相关计算是热学部分的必考点,多以选择题、填空题出现,还常常结合燃料燃烧放热或电热进行综合考查。
[考点对接] 1.比较不同物质的吸热情况
例1 (湖北中考)如图10-3-2甲所示,利用相同规格的加热器加热等质量的a、b两种液体,得到温度随时间变化的图像如图乙所示,分析可知 ( )
图10-3-2
A.相同时间内,a中加热器产生的热量比b中的多
B.a和b的吸热能力都随着温度的升高不断增大
C.升高相同温度,a所用时间比b少,a的吸热能力比b弱
D.相同时间内,a升高的温度比b多,a的吸热能力比b强
[答案] C
[解析] 利用相同规格的加热器加热,相同时间内a、b液体中的加热器产生的热量一样多,A错误;a和b的吸热能力都不随温度的升高而改变,B错误;升高相同温度a所用时间比b少,说明a吸收的热量比b少,即a的吸热能力比b弱,C正确;相同时间内a升高的温度比b多,说明a的吸热能力比b弱,D错误。
[考点对接] 2.对比热容概念的理解
例2 (武汉中考)下列事例中,与“水的比热容较大”这个特性无关的是 ( )
A.汽车发动机用水作冷却剂
B.人游泳之后从水中出来,风一吹感觉更冷
C.海边昼夜温度变化比沙漠中小,适于居住
D.生物体内水的比例很高,有助于调节生物体自身的温度
[答案] B
[解析] 因为水的比热容较大,所以汽车发动机用水作冷却剂,A不符合题意;人游泳之后从水中出来,风一吹,皮肤表面的水蒸发吸热,皮肤温度降低,感觉更冷,与水的比热容无关,B符合题意;由于水的比热容比沙子的比热容大,导致海边昼夜温度变化比沙漠中小,C不符合题意;由于水的比热容较大,当外界温度变化较大时,生物体温度变化不大,即水有助于调节生物体自身的温度,D不符合题意。
[考点对接] 3.比热容的相关计算
例3 (成都中考)某固态物体的质量为m,其比热容为c,用稳定的热源对它加热(物体在相同时间内吸收的热量相等),到t3时刻停止加热,然后让其冷却。上述过程中记录不同时刻的温度,最后绘制出温度随时间变化的图像(如图10-3-3所示)。下列说法正确的是 ( )
图10-3-3
A.在0~t2时间段,该物体吸收的热量为cm(T2-T1)
B.在t2~t4时间段,该物质的比热容先增大后减小
C.在t4~t5时间段,该物体放出的热量为
D.该物质在t5~t6时间段的比热容等于在0~t1时间段的比热容
[答案] D
[解析] 在0~t1时间段,该物体吸收的热量为Q=cmΔt=cm(T2-T1),t1~t2时间段,继续吸热,所以在0~t2时间段,该物体吸收的热量大于cm(T2-T1),A错误;在t2~t3时间段,该物质吸热升温,处于液态,t3~t4时间段,该物质放热降温,仍然处于液态,则在t2~t4时间段,该物质的比热容不变,B错误;在t4~t5时间段该物体放出的热量与t1~t2时间段吸收的热量相等,在0~t1时间段,加热时间为t1,吸收热量为cm(T2-T1)单位时间内物体吸收的热量为,则t1~t2时间段吸收的热量Q12=(t2-t1)=Q45,C错误;该物质在t5~t6时间段和在0~t1时间段均处于固态,比热容相同,D正确。
[考点对接] 4.物质的导热性
例4 (湖北中考)如图10-3-4所示是小明煮的一碗冒着“白气”的面条。他将木筷和金属勺同时放入其中,过一会感觉金属勺烫手而木筷不烫手。下列说法正确的是 ( )
图10-3-4
A.木材的导热性比金属好 B.木筷不烫手其内能不变
C.金属勺通过热传递变烫 D.“白气”是由汽化形成的
[答案] C
[解析] 金属勺烫手而木筷不烫手,是因为金属勺的导热性比木筷好,A错误;木筷吸收热量,温度升高,内能增大,B错误;金属勺通过热传递吸收热量,温度升高而变烫,C正确;“白气”是水蒸气液化形成的小水滴,D错误。
材料一——海陆风的形成
由于陆地上泥土的比热容比海水的比热容小,白天时陆地升温比海水快,海面上空气的密度高于陆地上空气的密度,陆地上热空气上升后海面上的冷空气流过来补充,形成海风(图10-3-5甲)。而晚上时正好相反,形成陆风(图乙)。海陆风不仅体现在一天,而且体现在某个季节。
图10-3-5
材料二——城市“热岛效应”
城市“热岛效应”是一种城市市区气温明显高于外围郊区的现象。在温度的空间分布上,郊区气温较低,而城区气温则很高,就像突出海面的岛屿,由于这种岛屿代表高温的城市区域,所以被称为城市“热岛效应”。
城市气候最显著的特点之一就是城市“热岛效应”。城市“热岛效应”是多种因素综合作用的结果。造成“热岛效应”的原因主要有以下两个方面:一是地表被覆无机化。越来越多的地表被建筑物、混凝土和柏油所覆盖,比热容较小,反射率较低,能有效地储存太阳辐射的热量;绿地和水面面积减少,蒸发作用减弱,大气中的热量难以释放。二是人工排热器增加。大城市里商场林立,商业街越来越多,这些地方建筑密集,热量不易散发;人口集中,风扇、空调的功率更是惊人,能源消耗大;城市中心和边缘的工厂在生产中,机器不断地排放出大量的热能;城市的交通工具都是一个个大的散热器,在各种人为的散热源中,来自工厂、家庭炉灶、冷气、采暖等固定热源的热量约占,而汽车、摩托车、电车等移动热源散发的热量约占。都市越大,现代化程度越高(高楼、大厦、柏油路和水泥路越多),“热岛效应”就越明显,“热岛效应”是城市化进程的副产品。
“热岛效应”的危害不容忽视。首先,酷热天气的增加给人们的生活和工作带来严重影响,损害人类身体健康,甚至造成一些人因中暑而死亡;其次,“热岛效应”加剧了大气污染,城市地面散发的热气形成近地面暖气团,使城市烟尘流通受阻,形成对人体有害的“烟尘穹隆”;再次,“热岛效应”造成局部地区水灾,城市产生的上升热气流与潮湿的海陆气流相遇,就会在局部地区上空形成乱积云,而后降下暴雨,每小时降水量可达100 mm以上,从而在某些地区引发洪水,造成山体滑坡和道路塌陷等;此外,“热岛效应”还会导致气候、物候失常。近年广州出现的木棉早开、杧果秋实等现象就是“热岛效应”所致。
材料三——牛顿冷却定律
当一个物体表面温度比周围环境温度高时,就会向周围环境散热,散热快慢可以用单位时间内散失热量的多少来表示。英国物理学家牛顿提出:物体散热快慢与物体和周围环境的温度差成正比。后人研究发现,在温度差不太大的情况下(小于15 ℃),这个结论符合实际散热规律,称为牛顿冷却定律。如果散热快慢用q表示,则牛顿冷却定律可以表示为q=k(t物-t环),其中“t物”为物体此时的温度,“t环”为环境温度,k是散热系数,与物体的表面性质、表面积、周围环境性质等因素有关,和物质种类无关,如果上述因素相同,不同物质的散热系数就相同。由于不同物质的比热容不同,即使散热快慢相同,它们降低相同温度需要的时间也不同,根据降温时间可以得到两种物质比热容的大小关系,从而可以进行比热容的测量。
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