北师大版初中物理九年级上册《物质的比热容》探究式教案

北师大版初中物理九年级上册《物质的比热容》探究式教案

一、课程基本信息

学科：初中物理

学段与年级：初中三年级（九年级上册）

适用教材版本：北京师范大学出版社（北师大版）初中物理九年级全一册

课题名称：探究——物质的比热容

课时安排：2课时（共90分钟）

课程类型：新授课（科学探究课）

设计理念：本教学设计立足于发展学生的物理核心素养，以科学探究为主线，贯彻“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。通过创设真实、富有挑战性的问题情境，引导学生像科学家一样经历提出问题、猜想假设、设计实验、进行实验、分析论证、评估交流的科学探究全过程，深度建构比热容这一核心概念。同时，注重跨学科关联，融合数学的图像分析与数据处理、化学的物质属性认知，以及地理、环境科学中的相关现象，培养学生综合运用知识解决实际问题的能力与创新思维。

二、教材与学情分析

（一）教材分析

“比热容”是北师大版初中物理九年级第十章《机械能、内能及其转化》第三节的核心内容。本章教材的逻辑线索是从宏观机械能深入到微观内能，进而探讨内能的改变与转化方式。比热容作为继“内能”、“热量”概念之后的重要物理量，是定量描述物质吸热或放热能力的关键属性，它连接了热量变化、温度变化与物质种类三者之间的关系，为理解热传递现象、热量计算以及后续热机效率、能源利用等内容奠定了坚实的理论基础。

教材内容编排遵循认知规律，先通过“海滩与沙漠的昼夜温差”等生活现象对比引出问题，再引导学生设计实验探究不同物质的吸热本领，最后通过分析实验数据，定义比热容概念并介绍其应用。本设计将强化这一探究过程，对实验设计进行优化，并深度挖掘数据分析环节，以促进概念的本质理解。

（二）学情分析

知识基础：学生已经学习了“内能”和“热量”的概念，知道热传递可以改变物体的内能，并初步了解了热量的单位。具备使用温度计、天平等基本仪器的能力。在数学上，学生已掌握正比例函数、坐标图等基础知识，能够进行简单的数据比较与分析。

认知特点：九年级学生的抽象逻辑思维正处于快速发展阶段，但仍需具体经验的支持。他们对生活中的热现象有丰富的感性认识，但往往停留在表象，缺乏定量分析和本质探究的能力。学生对动手实验有浓厚的兴趣，但在设计控制变量的实验、精确收集数据、以及从数据中归纳抽象出物理概念方面存在困难。

潜在困难与迷思概念：学生可能混淆“温度”、“热量”、“内能”的概念；容易错误地认为物体吸收热量后温度变化只与热量多少有关，而忽视物质种类的影响；在探究实验中，对“控制变量法”的应用，特别是如何控制“吸收热量相同”或“温度变化相同”的理解可能存在障碍。

三、教学目标与核心素养

依据《义务教育物理课程标准（2022年版）》的要求，结合本课内容，设定如下三维教学目标与核心素养发展目标：

维度

具体目标

物理观念

1.理解比热容是物质的一种特性，能说出其物理意义、定义、单位及常见物质的比热容大小关系。

2.能利用比热容概念解释自然界和生活中的相关热现象（如海陆风、暖气用水等）。

科学思维

1.经历完整的科学探究过程，特别是基于控制变量思想设计实验方案的能力。

2.掌握利用表格和图像（Q-t或Δt-m图）处理、分析实验数据，并归纳得出结论的科学方法。

3.通过类比法（如用“饭量”类比“吸热能力”）等，促进对抽象概念的理解。

科学探究

1.能针对“不同物质吸热本领是否相同”提出可探究的科学问题。

2.能独立或在教师引导下，设计出较为完善的探究实验方案。

3.能正确组装实验器材，安全、规范地进行实验，如实记录数据。

4.能与同伴合作，对实验数据进行交流、评估，反思实验过程与结论。

科学态度与责任

1.通过解释生活现象，体会物理知识的实用性，激发探索自然的内在动机。

2.在探究中养成实事求是、严谨认真、合作分享的科学态度。

3.认识比热容知识在节能环保、气候调节等方面的价值，初步树立可持续发展观念。

四、教学重点与难点

教学重点：

1.比热容概念的建构过程。

2.探究物质吸热本领实验的设计与实施。

3.用比热容解释相关热现象。

教学难点：

1.理解比热容概念的物理意义（是物质特性，反映吸放热能力的强弱）。

2.在探究实验中，如何巧妙地设计实验以实现“吸收相同热量”或“升高相同温度”的控制变量条件。

3.从实验数据中抽象归纳出比热容的定义式。

突破策略：采用“情境激疑-方案论证-实验实证-数形结合-迁移应用”五步教学法，利用多媒体动画模拟微观机理，通过小组合作攻克实验设计难点，运用电子表格实时处理数据并绘制图像，使抽象概念可视化、具体化。

五、教学准备

教师准备：

1.多媒体课件：包含海滩与沙漠的昼夜温差对比视频、汽车发动机冷却系统原理动画、比热容微观机理模拟动画、实时数据记录与绘图软件界面。

2.演示实验器材：规格相同的“热得快”加热器两个、大烧杯两个、温度计两支、秒表、电源、水、食用油、天平等。

3.分组实验器材（4-6人一组）：

1.4.物质吸热比较装置（或采用数字化实验系统）：铁架台、规格完全相同的易拉罐（或试管）两个、温度计两支、搅拌器两个、秒表。

2.5.加热与控温设备：学生电源、相同规格的电阻丝加热器两套（可封装于易拉罐底部，确保功率相同且恒定），或采用恒温水浴锅控制不同物质的初温与末温相同。

3.6.待测物质：质量相等的水和食用油（或沙石、煤油等）。

4.7.辅助工具：天平、量筒、电子秤、坐标纸、实验报告单。

8.评价工具：课堂观察记录表、小组合作评价量规、概念理解前测与后测题单。

学生准备：

1.复习内能、热量的概念。

2.预习课本相关内容，思考“为什么夏天游泳池的水温比地面温度低？”。

3.分组并明确成员角色（操作员、记录员、观察员、汇报员）。

六、教学过程

第一课时：聚焦问题，探究建模（45分钟）

环节一：创设情境，激疑导问（预计用时：8分钟）

活动1：现象对比，引发认知冲突

1.教师播放并对比两组生活场景视频：

1.2.场景一：夏季同一时刻，赤脚踩在沙滩上与跳入海水中的感觉。

2.3.场景二：内陆城市与沿海城市一天中的气温变化曲线图。

4.教师提出问题链，引导学生思考：

1.5.问题1：为什么在同样的阳光下，沙滩烫脚而海水却凉爽？

2.6.问题2：为什么内陆地区的昼夜温差比沿海地区大？

3.7.问题3：这些现象说明，物质在吸收（或放出）相同的太阳热量时，其温度变化可能与什么因素有关？

8.学生基于生活经验进行讨论和猜想，普遍会得出“可能与物质的种类有关”的初步结论。

教师引导：这种“不同物质，吸热（或放热）本领不同”的性质，在物理学中如何描述和测量呢？今天我们就化身“热学侦探”，通过实验揭开它的神秘面纱。

环节二：方案设计，思维碰撞（预计用时：15分钟）

活动2：明确问题，聚焦核心探究

教师板书核心探究问题：如何通过实验比较不同物质（如水与食用油）的吸热本领？

活动3：回顾方法，设计初步方案

1.教师引导回顾科学探究的常用方法——控制变量法。

2.小组讨论，设计初步方案。教师巡视，发现学生的典型设计思路。可能出现两种思路：

1.3.思路A：让质量相等的不同物质，吸收相同的热量，比较它们升高的温度。

2.4.思路B：让质量相等的不同物质，升高相同的温度，比较它们吸收热量的多少。

5.请两组代表分别阐述其设计思路，并板书关键要素：

1.6.思路A：控制质量(m)、热量(Q)相同，比较温度变化(Δt)。

2.7.思路B：控制质量(m)、温度变化(Δt)相同，比较热量(Q)。

活动4：难点突破，论证方案可行性

1.教师追问，引发深度思考：“在实验中，我们如何精确地做到‘吸收相同的热量’（思路A）或‘升高相同的温度’（思路B）？”

2.针对思路A的难点（如何控制Q相同），教师可提示联想电学知识（焦耳定律Q=I²Rt），引导学生提出使用相同规格的电加热器，加热相同时间，即可认为提供的热量大致相等。此为本设计采用的主流方案。

3.针对思路B的难点（如何控制Δt相同），引导学生思考需要实时监控温度，一旦达到预定温度就停止加热，比较加热时间的长短，从而比较吸收的热量（Q=Pt）。此方案对控温要求高。

4.教师展示优化后的实验装置图（采用相同规格电加热器并联接入电路），引导学生共同完善实验步骤，并明确需要测量和记录的物理量：质量m、初温t0、加热时间t、实时温度t。

环节三：实验探究，收集证据（预计用时：20分钟）

活动5：分组实验，协作取证

1.教师明确实验任务：比较质量均为100g的水和食用油，在相同热源加热下，温度随时间的变化情况。

2.教师讲解并演示关键操作：

1.3.如何用天平称量等质量的水和油。

2.4.如何正确安装温度计和搅拌器（使受热均匀）。

3.5.如何同步开始加热和计时。

4.6.数据记录频率（例如，每隔1分钟记录一次温度）。

7.学生以小组为单位进行实验。教师巡回指导，重点关注：

1.8.控制变量是否严格（质量、加热器功率）。

2.9.温度计读数是否准确、规范。

3.10.数据记录是否及时、完整。

4.11.实验操作的安全性。

12.各小组将实验数据记录在如下表格中：

加热时间t(min)

0

1

2

3

4

5

...

水的温度T水(℃)

食用油的温度T油(℃)

活动6：数据初析，发现规律

实验结束后，教师请1-2个小组汇报原始数据。引导学生直观比较：在相同加热时间内，哪种物质温度升高得更快？这初步说明了什么？（食用油升温快，说明在吸收相同热量时，它的温度变化大，即它的吸热本领比水弱）。

课后任务：各小组整理数据，尝试用坐标纸绘制水和食用油的“温度-时间”（T-t）图像。思考如何从图像中更清晰地比较两者的吸热本领。

第二课时：建构概念，迁移应用（45分钟）

环节四：分析论证，概念生成（预计用时：18分钟）

活动7：图像分析，深化理解

1.教师选取具有代表性的小组绘制的T-t图像（或使用软件现场绘制），投影展示。

2.引导学生观察并描述图像特征：

1.3.两条都是上升的曲线（或近似直线，若加热功率恒定且散热忽略不计）。

2.4.在相同时间内，食用油的图像“更陡”，水的图像“更缓”。

3.5.教师点拨：图像的“陡缓”直观反映了温度变化的快慢，即反映了物质吸热本领的强弱。图像陡，说明温度变化快，吸热本领弱；图像缓，说明温度变化慢，吸热本领强。

6.跨学科联结（数学）：引导学生将图像与数学中的“斜率”概念相联系。在加热条件相同时，T-t图像的斜率反映了物质的一种固有属性——这正是我们要定义的“比热容”的直观体现。

活动8：归纳定义，建构概念

1.教师引导学生从实验结论（质量相等的水和油，吸收相同热量，升高的温度不同）出发，进行归纳推理：要比较不同物质的这种特性，必须在相同质量和相同吸热（或放热）的条件下，比较温度的变化量；或者说在相同质量和相同温度变化的条件下，比较吸收（或放出）热量的多少。

2.教师给出比热容的规范定义：

1.3.定义：一定质量的某种物质，在温度升高（或降低）时吸收（或放出）的热量，与它的质量和温度变化量乘积之比，叫做这种物质的比热容。

2.4.定义式：c=Q/(m·Δt)

。

1.3.5.其中，c

表示比热容，Q

表示热量，m

表示质量，Δt

表示温度的变化量。

4.6.物理意义：比热容是反映物质吸热（或放热）本领强弱的物理量，是物质的一种特性。

5.7.单位：焦耳每千克摄氏度，符号J/(kg·℃)。

8.概念辨析与巩固：

1.9.引导学生用定义式解释实验：对于m

、Q

相同，Δt

水<Δt

油，根据公式c=Q/(m·Δt)

，可推出c

水>c

油。即水的比热容比食用油大。

2.10.展示常见物质的比热容表，引导学生找出规律：水的比热容最大；一般液体的比热容比固体大；金属的比热容较小。

3.11.微观机理动画演示：通过动画解释比热容差异的微观原因——不同物质分子结构不同，相同的热量用于增加分子动能（表现为温度升高）和分子势能的比例不同。

环节五：迁移应用，解释现象（预计用时：15分钟）

活动9：回归情境，解决问题

1.教师带领学生运用比热容知识，重新分析导入环节的生活现象：

1.2.沙滩与海水：在相同日照下（吸收相同热量），沙石的比热容小，温度升高快；水的比热容大，温度升高慢。

2.3.内陆与沿海气候：陆地（沙石土壤）比热容小，白天升温快，夜晚降温也快；海洋（水）比热容大，白天升温慢，夜晚降温也慢，因此沿海地区气温变化和缓。

4.学生小组讨论，列举并解释其他类似现象：

1.5.发动机冷却系统为什么用水做冷却剂？

2.6.北方冬天暖气片里为什么用水循环？

3.7.培育秧苗时，为什么傍晚向秧田里灌水，早晨再把水放浅？

4.8.“早穿皮袄午穿纱，围着火炉吃西瓜”描绘的是哪种地理环境？为什么？

9.教师进行点评和总结，强调分析问题的思路：抓住“在相同条件下（日照、散热等），比较不同物质的温度变化”这一核心。

活动10：STS渗透，拓展视野

教师简要介绍比热容知识在现代科技和环境保护中的应用：

1.农业与生态：水库、森林对局部气候的调节作用（“天然空调”）。

2.建筑工程：选择合适比热容的建筑材料，实现冬暖夏凉（如土坯房、水墙）。

3.新能源：太阳能热水器、熔盐储热式光热发电站的工作原理。

4.航天科技：航天器返回舱的隔热材料需要具有特殊的比热容和热物理性能。

环节六：总结评价，布置作业（预计用时：12分钟）

活动11：体系梳理，反思评价

1.师生共同总结本节课的知识脉络与探究历程，形成概念图（板书或PPT展示）：

生活现象→科学问题→猜想假设→设计实验（控制变量法）→进行实验

↑↓

应用解释←概念定义（比热容c=Q/mΔt）←分析论证（图像、数据）

2.学生完成概念后测（3-5道选择题或简答题），检测对比热容概念的理解程度。

3.小组依据评价量规进行自评与互评，内容涵盖实验操作、数据分析、合作交流、结论表述等方面。教师给予总体反馈。

活动12：分层作业，持续探究

基础性作业（必做）：

1.完成课本课后练习，巩固比热容的定义、单位和简单计算。

2.撰写一份简明的实验报告，包括目的、原理、步骤、数据、结论与分析。

3.用比热容知识解释两个课本外的自然或生活现象。

拓展性作业（选做，二选一）：

1.家庭小实验：设计一个简易方案，定性比较铁、铝、铜等金属块的比热容大小。写出设计方案并尝试实施。

2.调研小论文：以“水的比热容在生态文明建设中的重要作用”为题，通过查阅资料（书籍、网络），撰写一篇300-500字的科普小短文，阐述水在调节城市热岛效应、农田微气候、湿地保护等方面的具体作用。

七、板书设计

主板（主逻辑脉络）：

探究：物质的比热容

一、问题：物质吸热本领相同吗？

二、猜想：与物质种类有关。

三、探究方案（控制变量法）：

方案A：控制m、Q相同，比较Δt。

方案B：控制m、Δt相同，比较Q。

（本课采用方案A）

四、实验结论：质量相等的水和油，吸收相同热量，水的温度升高少。

五、比热容（c）

1.定义：c=Q/(m·Δt)

2.意义：反映物质吸/放热本领的特性。

3.单位：J/(kg·℃)

4.特点：水的比热容最大[4.2×10³J/(kg·℃)]

。

六、应用：解释海陆风、冷却系统、调节气候等。

副板（辅助区，用于课堂生成）：

1.学生猜想关键词。

2.实验数据记录（关键几组）。

3.T-t图像草图。

4.学生举例的应用现象。

八、作业设计与评价

设计意图：作业设计遵循基础巩固、能力提升与拓展探究相结合的原则，既关注知识与技能的掌握，