“探究影响电流热效应的因素”的电路优化与器材改进

邵忠芳

摘要：“探究影响电流热效应的因素”的实验实验操作比较复杂，教师在这部分内容教学时，普遍感到比较棘手.本文通过对这个实验方案优化设计，对实验器材创新改进，达到实验简便易做、效果显著的目的.

关键词：电流热效应；优化设计；器材改进；效果明显

实验“探究影响电流热效应的因素”是苏科版物理教材中的内容，是焦耳定律得出的基础.该实验操作比较耗时，电路设计和器材较为复杂，很多教师避而不做，采用灌输方式讲实验，使效果大打折扣.为了使广大师生爱做该实验，笔者结合教学实践，对实验电路进一步优化，对器材进一步改进，使实验达到一定的推广作用.

1实验电路的两种设计呈现

11苏科版物理教材中的设计

如图1，整个探究分三阶段：

（1）探究“电热与电流的关系”，保持时间一定，调节变阻器，改变电阻丝中电流，观测每次液体温度的变化；

（2）探究“电热与时间的关系”，保持电阻丝中电流不变，改变通电时间，观测液体温度变化；

（3）探究“电热与电阻的关系”，将两段阻值不等电阻丝串联接入电路，通电一段时间，观测两装置中液体温度变化.

笔者在教学中发现该实验存在以下不足：

（1）第一步探究要改变电流，逐次单个进行实验，不能同时进行两组或多组对比实验，直观性不强，学生印象不够深刻，课堂时间耗费多.

（2）第二步探究难度最小，为使探究由简单到复杂，最好放在第一步.

（3）第三步探究只是简单文字描述实验过程，电路图没有呈现.

（4）整个实验由三次探究组成，器材显得比较零散，缺乏整体性，电路呈现不太直观.

（5）器材参数没提供，给教师带来一定的盲目性，可能导致实验现象不明显或花费时间太多.

12粤教版物理教材中的设计

对于“探究电热与电流的关系”的常见电路设计如图2，（R1=R2）

评价该方案控制电阻相同（R1=R2），通过并联分流来改变电阻中电流.要使学生能在当时认知水平下设计出这种电路比较困难，都是教师直接灌输该方法，不利于学生能力培养.

2实验电路优化设计和器材改进方法

21探究顺序和电路设计

整个探究实验按由易到难可依次进行如下探究：

（1）探究电热与时间关系

该探究只涉及一个电阻在不同时间内产生电热，最简单，故调整为第一步，如图3.

（2）探究电热与电阻关系

该探究控制电流和时间相同，改变电阻，选两个阻值不同电阻串联，如图4.

（3）探究电热与电流关系

该探究控制电阻相同（R3=R4），关于改变电流的方法，学生根据已学知识能顺理成章

地想使用变阻器来改变电流.為了使用对比实验，设计了两条支路，研究对象是R3、R4产生电热，第一支路只有电阻R3；第二支路通过变阻器改变R4中电流，如图5.学生容易理解，也便于同时进行对比实验.

22综合电路板的制作与展示

为了使实验整体性更强，器材选择更方便，操作更省时，可将以上三个探究的电路器材安装在一块板上，并配以接线柱，如图6，使用说明如下：

（1）第一步探究选接线柱A、B，将R1接入电路；

（2）第二步探究选A、C，将R1、R2接入；

（3）第三步探究选C、D，将R3、R4接入，通过变阻器改变电流.

23器材选择和改进

（1）容器选择：为防止容器打翻，选用椎形瓶而不用烧瓶，因为相同容积锥形瓶比烧瓶重，比较平稳.

（2）被加热物质选择：由于煤油具有可燃性，且做完一次实验再做下一次前，煤油需要冷却较长时间才能回到室温.这里锥形瓶中只装空气，采用加热空气方法，在常温常压下，空气比热容比煤油小，吸热升温明显.

（3）显示电热多少的方法

实验采用对比定性比较电热，没必要知道瓶中物质的温度，故只需采用如图7所示简易U形气体温度计，利用空气吸热膨胀使温度计液面上升来显示电热丝放热的多少，如图7.

（4）器材参考参数

为使实验能方便进行且效果明显，学生电源电压可选8～10V， 5Ω电阻丝三个，3Ω电阻丝一个，调节范围0～10Ω电位器一个，开关一个，导线若干，量程150ml锥形瓶两个，U型气体温度计两个.

3实验改进后的优点

（1）电路设计符合学生学情，便于理解；采用对比实验产生电热的显著差异使学生印象深刻；两组对比实验同时进行，缩短了时间，提高了课堂效率.

（2）将实验主要器材组装在一块板上，实验整体性变强，便于当堂展示给学生看，形象直观；减小了器材选用和电路连接的难度.

（3）相同情况下，气体吸热膨胀比液体明显，而且一次实验后，可立即排出热空气进行二次实验.

（4）采用简易温度计，既能清晰显示实验现象，又省去了温度计读数的时间.

（5）器材参数提供了参考值，节省了选择器材的时间，又降低了实验现象不明显的可能.

参考文献：

[1] 郭涛.对焦耳定律演示实验的改进[J].物理实验，1997（11）.

[2] 丁蕾.关于焦耳定律演示实验的改进[J].中国教育技术装备，2010（02）.