焦耳定律探究的三种实验方法的比较及改进

焦耳定律探究的三种实验方法的比较及改进 江苏省铜山镇中心中学  张邦宝  221124 摘要：如何通过实验探究焦耳定律一直都是个教学的重点和难点。本文将常用的三种方法即煤油加热法、火柴点燃法、专用器材法加以、比较、改进，提供给广大同行作参考，希望能对大家的教学有一定的帮助。 关键词：焦耳定律  实验探究  比较  改进 焦耳定律是九年级物理一个非常重要的定律，它揭示了电流通过导体产生的热量与通过导体的电流、导体的电阻及通电时间的数量关系既Q=I2Rt。它既是学生学习的一个重点，也是一个难点。在实际教学过程中最重要也是最困难的是怎样通过实验探究得出结论，使学生通过课堂学习亲身体验科学规律的发现过程，并进一步理解焦耳定律。焦耳定律的实验探究方法常见且比较典型的有三种，各有利弊，笔者在教学中均用过，特将其加以比较与改进，供广大同行参考。 图一   第一种方法如图一，可称为“煤油加热法”，也是教材及教参上所介绍的最为经典的方法。 笔者所用的器材如图一。煤油用量为200ml（太少无法淹没电阻丝），两个电阻丝的阻值分别是5欧姆和15欧姆，所用电压为直流12V（实验室配套学生电源的最大直流输出值）。实验数据如表一： 表一（I=0.6A） 通电时间（分钟） 0 10 20 30 煤油温 度（℃） 5欧姆 7 9 11 12 15欧姆 7 14 19 22             此法优点是可以定量测量，缺点是器材组装（包括橡皮塞打孔）较为麻烦，实验准备时间较长，同时实验占用课堂时间过长。如果作为演示实验，学生看不到温度计的示数的变化，可见度不高。同时由于温度的升高，煤油与环境温差变大，煤油的散热量随之变大，导致煤油温度的升高值与时间并不成正比，并不能得到通电电阻产生的热量与通电时间成正比的结论，失去了定量测量的意义。 实验占用课堂时间过长，原因主要是实验室配套学生电源输出电压较小，增大电压即可解决（注意电流不要超过电阻允许通过的最大电流值）。但限于农村学校的条件，这个问题在笔者所在的学校暂时还无法解决。导致煤油温度的升高值与时间不成正比的原因是煤油的散热，给两个锥形瓶加装绝热材料的保温装置可以减少由散热带来的误差。笔者用海绵包裹锥形瓶在相同室温下重做这个实验，结果如表二： 表二（I=0.6A） 通电时间（分钟） 0 5 10 15 煤油温 度（℃） 5欧姆 7 10 13 15 15欧姆 7 14 20 24             这样做的好处一是实验误差小了很多，但仍然不能得到通电电阻产生的热量与通电时间成正比的结论。二是可以缩短实验时间，只测前15分钟煤油温度的变化，时间间隔可以缩短到5分钟，大大节省了课堂时间。 图二   第二种方法如图二所示：可称为火柴燃点法。是用火柴（有的是用沾了煤油的纸片或布片）分别放在两个通电的电阻上，使其达到燃点燃烧。通过到达燃点时间的长短及先后来定性验证焦耳定律。笔者在课堂演示中加装演示电流表显示电流值，加装滑动变阻器用来改变电流，从而既演示不同电阻在相同电流情况下大电阻发热量多，又演示同一电阻在不同电流值情况下大电流发热量多，定性的了焦耳定律的正确。 这种方法的优点是器材组装简单，课堂占用时间少，现象明显，可见度高，缺点是无法进行定量测量，实验具有一定的危险性，只适合演示，不适合分组。特别要注意的是，第一次演示不同电阻在相同电流下发热不同的实验之后，接着演示同一电阻在不同电流下发热也不同的实验，一定要使这个电阻冷却到室温，或换用相同规格的室温下的电阻，这样测量到达火柴燃点的时间才有可比性。 图三   第三种方法是成套专用器材。可称为专用器材法。所用“焦耳定律演示器”如图三所示，其它专用演示器材结构及使用方法也都大同小异。 实验前打开两电阻盒上的通气孔，向两个U形管中注入少量的红墨水染色的水，使两管中液面相平，用橡皮管分别连接两电阻盒与U形管的一端，拧紧通气孔上的螺丝，使两电阻盒密闭。连接电路，使两电阻盒中阻值不同的两电阻串联，通电后可看与大阻值电阻盒相接的U形管中液面升高的速度较快。调节滑动变阻器改变电路中的电流，可以看到相同电阻不同电流情况下，大电流U形管中液面升高的速度较快，从而定性说明焦耳定律的正确。 这种方法的优点是现象明显，实验的可见度高，测温物质变成空气后，实验用时少，安全方便。缺点是向U形管中灌注经红墨水染色的水较为困难，因U形管很细，稍不小心，就会形成气泡，在灌注时最好是将器材放平，同时用带针头的注射器慢慢注入，要想两侧水面一样高，可在两侧分别注入时用注射器吸取相同体积的水，注入后再反复调整。实验结束要及时断电，防止U形管中水喷出。同时这个装置也只能作定性验证，无法进行定量测量，操作的复杂性决定了它只适合演示，不适合分组。演示时器材自带的电流表可见度不高，可换用演示电流表解决。 比较这三种方法，可以说各有利弊。如果学生分组进行探究，建议还是使用方法一即初中物理教材上介绍的这种方法，虽然教材中没有对该实验的实验要点和数据进行更精确的数据说明，致使教学过程中该实验成为一个难点，加上该实验需要的器材种类、数量较多，操作程序比较繁琐，电路比较复杂，可视效果不够理想，给教师有效利用课堂内时间带来了很大的困难。但是它可以定量测量比较，适宜分组，适宜学生进行探究。 如果为了节省时间而改成演示的话，我们比较倾向于用第二种方法，便于学生理解。第三各方法虽然演示真起来不难，但从学生角度来看，要真正了解这种方法，对其知识要求较高。首先他们需要了解通电电阻丝放出的热量被气体吸收从而使气体温度升高，其次他们需要了解气体受热膨胀知识，第三要了解被加热气体热膨胀程度跟吸收热量的关系。当这些条件一一被满足后他们才能理解：在气体种类、质量、初温等条件都相同的情况下，气体体积变化量的大小反映了通电导体放出热量的多少。经过上述一番知识的复习与整理之后才能进入焦耳定律内容的探究、发现过程，这无疑已经淡化了课堂上主要学习内容，不利于学生对焦耳定律的理解。