对“电流的热效应和哪些因素有关”的探究

✿讷河市同心中学 崔胜春

提出问题：

1.灯泡接入电路时，灯泡和连接灯泡的导线中电流是相同的，灯泡和导线都要发热，可是实际上灯泡热得发光，而导线上的热却觉察不出来，这是为什么？

2.近年来经常发生重大的火灾，给人们的生命和财产造成了巨大的损失，其中有许多重大火灾是因线路故障，主要是线路连接不良或线路严重老化两种情况引起的，为什么这些问题能引起火灾呢？

设计并进行探究：

根据生活经验猜想电流通过导体产生热量多少可能与导体的电阻、通过导体的电流大小以及通电时间有关。

实验方法：控制变量法与转换法、对比法。

设计实验步骤：

（方案一）：1.在两个相同的烧瓶中装满煤油，瓶中接入两根电阻丝，且让其电阻R甲＞R乙，然后在瓶中分别插入两支温度计，如图1所示。

图1

（实验时，选用的烧瓶要完全相同，煤油的质量相同，这样能保证两瓶煤油吸收相同热量时，升高的温度不同；两根电阻丝可以选用镍铬合金丝和铜丝，这样在长度、横截面积相同时，保证电阻不同）。

（选择煤油而不选择水，是因为煤油的比热容小，在吸收相同的热量，温度变化明显，从而使实验现象明显，另外，煤油不导电，可防止漏电）。

注意：（1）煤油不要装得太满，防止受热膨胀溢出；（2）温度计的玻璃泡不能与电阻丝接触或离得太近，否则研究对象不同；（3）两个电阻丝电阻相差大一些，这样对比性更好。

2.按照图1所示的实物图连接好电路，让两个电阻丝串联。（串联的目的是保证通电时间和电流相同，这也体现了控制变量法的思想）。

3.检查电路连接无误后，接通电路一段时间，记录两瓶中煤油的温度变化。（由于实验中电流在导体中产生的热量无法直接观察，因此要把放出热量的多少转化为能直接观察的温度变化的多少，通电后电流在电阻丝产生的热量越多，煤油上升的温度越高，观测温度的变化情况，就可以定性地比较电流产生的热量多少，这也体现了转化法的思想）。

4.在两瓶中的煤油温度降低一些后，只把甲瓶接入电路，调节滑动变阻器，改变电路中电流，重做上述实验，通电时间保持相同。

保持电路中电流大小不变，再延长甲瓶电阻丝的通电时间，记录温度变化情况。整理好实验器材。

5.对数据分析、归纳得出结论。

电流通过导体产生的热量与导体的电阻、通过导体的电流和通电时间都有关系，导体的电阻越大，通过导体的电流越大，通电时间越长时，产生的热量越多。

交流与合作：

此实验可以设计成很多方案，可以把温度计用气球来代替，因为气体热胀冷缩效果比固液态更明显，使实验现象更直观，时间更短。

拓展问题：电流产生的热量和电阻成正比还是成反比，条件是什么？你能设计实验来验证吗？（通过新问题的产生，来验证电热与电阻的关系，来解决学生平时出现的疑点和错点，这样效果比直接给出答案更好）。

（方案二）：设计了如图2所示的装置，他们将两段阻值不同的电阻丝（R1＜R2）分别密封在两个完全相同的烧杯中，并通过短玻璃管与相同的气球相连，两次实验电源电压不变。此装置是采用两电阻并联，控制两电阻两端电压相同，从而得出在电压一定时，电流产生的热量与电阻成反比。

图2

（通过方案二的实验设计与方案一的对比，让学生明白了电热与电阻的关系是有条件的，而不是单纯的正比关系，这样解决了教学的一个难点）。

还能设计成哪些方案来完成此探究实验？（以此来培养学生的发散思维和变通思维的能力。）

（方案三）：设计了如图3所示的装置，他们设计的正确方案是:选择两个阻值不等的电阻丝，控制通过两个电阻丝的电流相等，通电时间相等，比较产生的热量多少。于是找来两段材料、粗细相同，长短不同的电阻丝分别绕制成两个外形相同，长度不同的电阻圈串联在电路中，同时将火柴棒分别插入两个电阻圈中，如图3所示，他想通过火柴被点燃的先后来比较产生热量的多少。当电路接通后，他发现两根火柴几乎同时被点燃，于是得到电阻大小对产生热量多少没有影响的结论。

图3

（方案四）：设计了如图4所示的装置。他们将两段阻值不同的电阻丝（R1＜R2）分别密封在两个完全相同的烧杯中，并通过短玻璃管与相同的气球相连，两次实验电源电压不变。此装置是采用两电阻串联，目的是控制电流相同，即可探究电流产生的热量与电阻是否有关。在这个实验中，电流产生热量的多少是通过气球胀程度体现出来的。

图4

结论：在电流和通电时间相同时，电流产生热量与电阻成正比。

评价：选择煤油为被加热液体，是因为相同质量的水和煤油相比，吸收相同的热时，水升温不明显。选取电阻时，尽可能选用合金类的电阻，效果更好，更明显。选用图2和图4气体热胀冷缩效果比固液态更明显，使实验现象更直观，时间更短。若选图1，理由是：用温度计能较准确地测出煤油的温度变化，便于定量研究。方案3的结论是错误的，因为电阻丝与火柴接触点处产生的电热相同（或相同长度电阻丝产生的电热相同；或电阻丝与火柴接触点处温度相同；或整个电阻丝产生的电热没有全部给火柴加热）。

反思：通过对电流热效应的影响因素实验的探究，进一步了解了科学方法思想的重要性，通过亲历探究过程，培养学生用探究的方法解决问题的能力，通过探究实验培养学生的创新能力、合作精神及用语言表达思想的能力。探究式教学，从教学目标看，它着重于全面提高学生的素质，尊重学生的主动精神，充分开发每个学生的智慧潜能，培养学生的能力；从方法上看，它以探究为主，强调了学生的参与性，主动性等，从形式上看，它采用的是开放式教学，它让学生动起来，可以用各种各样的方法来解决实际问题；从学生角度看，它更能使学生在受教育的过程中，视学习为乐趣，更富有创新力。