初中物理传统实验的改进与创新研究

张运昌

【摘要】 “焦耳定律”是初中物理教学的重点和难点，是一项以实验为基础、以设计为纲领、以创新为基准的教学内容。本文主要对“焦耳定律”的教学设计以及创新能力的培养进行探析，期望对以后的物理教学提供一定的参考依据。

【关键词】 焦耳定律 教学设计 创新能力

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2018）11-250-01

焦耳定律是初中物理学习中的主要定律之一，它是英国科学教焦耳在1841年发现的，为了纪念这位伟大的科学家特将此定律命名为“焦耳定律”。焦耳定律是能量守恒定律中电能与内能之间转化的具体表现，在实际教学中，要以电工及电功率为基础进行教学，这样学生会更加容易的理解焦耳定律的内涵、作用及实验应用。

一、学情分析

在生活中，我们随时都会用到电器，如电饭锅、电水壶、电热毯等，这些电器的主要特点都是在通电后将电器加热，这就表明电器工作过程中是将电能转化成热能的一个过程，热能的产生是分子运动的结果，其通常也被成为内能。焦耳定律主要是由实验推断出来的结论，是一项定量的、逻辑性很强的应用型物理定律，因此，在学习中，要以原理为基础来引导学生对焦耳定律的理解，要多列举一些实验及生活中的实例，让学生理解焦耳定律的原理。

二、通过理论教学理解焦耳定律及其应用

通过理论教学来引导学生理解焦耳定律及其应用是教学的必要手段，其教学内容主要包括以下几方面：一是结合实际生活来理解焦耳定律。在理论教学中，教师可以通过生活实例来启发学生的焦耳定律的认识，例如电饭锅在工作时产生的热量与那些因素有关？电动机通电发热、转动与那些因素有关？这些因素与热能分别是什么关系？弄懂了这些问题，也就理解了焦耳定律并且会实际运用。二是焦耳定律公式的推导。焦耳定律公式是电功公式和欧姆定律推导出来的，具体推导过程如下：Q=W=pt=UIt，其中欧姆定律U=IR，即Q=W=Pt=UIt=（IR）It=I2Rt，这个公式是计算焦耳热的最基本的公式。由于电器产生热能分为两种方式，一种是纯电阻电路，另一种是非纯电阻电路，纯电阻电路是能将电能全部转化为热能的电路，比如电饭锅、电磁炉、电灯等等，它们只发热不运动，非纯电阻电路是指那些通电后电能一部分转化为电能，一部分转化为机械能或其它形式能的电路，如电风扇、发动机等，焦耳定律的基本公式对于这两种电路都适用，除此之外，对于纯电阻电路还可用焦耳定律的基本公式Q=I2Rt和欧姆定律公式U=IR推出Q=IUt或Q=U2/R，但非纯电阻电路由于能量的分化，电流与电阻的乘积不再是电压的总和，而只是电压的一部分，因此非纯电阻电路不能由焦耳定律个欧姆定律推导出的公式进行计算，如果非电阻电路消耗的能量是热能和其他能量的总和W，则W=IUt，表示电流做功。以上公式的推导及应用要求学生要理解掌握，根据不同的内容运用不同的公式。三是在应用焦耳定律时要注意方法的灵活使用。例如在额定电压、额定功率相同的电池、电磁炉、电风扇，在工作了相同时间后，哪一种电器产生的热量最多？这就要求学生要灵活掌握焦耳定律的应用，电池在放电时是将化学能转化为电能，在充电时是将电能转化为化学能，电磁炉是将电能全部转化成热能，而电风扇在工作时电能一部分转化为了热能、一部分转化成了机械能，因此电磁炉产生的热能最多。这是最基础的应用方法，要求学生在接触复杂的问题时一定分清题目的原理，再进行解答。

三、焦耳定律的实验教学

实验教学是焦耳定律学习的重点，通过实验演示，可以让学生更直观的探究出知识的原理，因此，对于实验的设计要合理、严谨、全面。教材中的常规实验方式是将两个带有一大一小两个不同电阻丝的烧杯装满煤油并用膠塞密闭，并将两个玻璃管插入胶塞中，再串联上电源、开关、电流表和滑动电阻，具体步骤如下：第一步验证I和t相同情况下，热量和电阻的关系。将串联电路的电源接通，比较二个烧杯中的煤油高度，实验结果是电阻丝大的烧杯中煤油上升得快；第二步验证R和t相同的情况下，热量与电流的关系。将第一步中煤油高度降回原来的位置，再调节滑动电阻，通电时间相同，并加大电流，比较第一步中煤油上升快的烧杯和第二步中的同样烧杯中的煤油高度，实验结论表明同样的烧杯中，第二次加大电流后，热量产生的多。但这个基础实验由于存在装置复杂、实验过程慢，不能同时演示热量与电阻、电流之间的关系等原因不断的被改进，实验改进方式如下：取2个相同的烧杯a、b分别放入一根小于10欧姆的电阻丝，且Ra>Rb，并在烧杯中密闭等量的空气，把两个U型管并排摆放，从a密闭的容器接出一根导管与左边的U型管左边口连接好并密封，从b密闭的容器接出一根导管与右边的U型管右边口连接好并密封，最后把两个密封容器中的电阻串联起来，组成一个简单闭合的电路。实验具体过程如下：观察接通电路之前，水平面的高度差是一样的。但是接通电源之后，密封容器与U型管相连的一端水平面会下降，而另一端水平面会上升，并随着时间的增加水平面的高度差逐渐增大，这就验证了R和I相同的情况下，热量会随着时间的增加而增加，因此时间与热量成正比。同时在实验过程中也能观察到两个U型管上升的水平面的高度也不一样，实际情况与a密闭的容器相连的U型管水面上升的更快一些，这就证明I和t相同的情况下，热量随电阻的增加而增加，因此电阻与热量也成正比。

总之，焦耳定律在生活中的应用非常广泛，在教学过程中通过巧妙的教学设计以及严谨规范的实验验证，并在此基础上培养学生的创新能力，将理论联系实际，从多方面诠释焦耳定律的实际意义，便于学生在以后学习中的灵活应用。

[ 参 考 文 献 ]

[1]张晓玲，杨秋明.“焦耳定律”的教学设计和实践[J].物理教学.2014（10）：35-37.

[2]周智良.课堂教学培养学生物理核心素养的途径——以《焦耳定律》教学设计与实施为例[J].物理教学探讨：中学教学教研版.2017，35（12）：1-4.

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