也谈焦耳定律实验装置的改进

杨澍辰

(常州市实验初级中学,江苏 常州 213000)

1 教材上的实验装置及其不足

图1 教材实验装置

在苏科版(2013版)九年级下册电功和电热第3节中,探究影响电流热效应的因素(即焦耳定律,以下简称焦耳定律)实验中,用到了如图1装置．将一段电阻丝浸没在一定质量的煤油中,通电后,可以通过温度计测得的液体温度变化来比较电阻丝产生热量的多少．

在实际教学中,笔者用教材上的实验装置进行过演示实验,但是效果并不理想,问题如下.

(1) 器材准备麻烦．本实验需要煤油较多,如果班级较多,还需准备双份甚至更多,以防不同教师上课时间冲突．把温度计以及电阻丝穿过胶木塞也并不那么简单．

(2) 实验时间长．实验中考虑到煤油比热容小,升温快,但是煤油质量也确实不小,电阻丝发热功率又不可能很大,再加上在本节内容是都是在冬天讲授,气温低,所以煤油升温慢．此外,在探究产生热量与电流大小的关系时,需要改变电流大小重复实验,还需等煤油降到室温后再进行实验．因此,实验时间很长,经常出现一节课连实验都做不完的尴尬局面,而且实验连贯性差,学生注意力容易分散,不利于学生建立知识结构．

(3) 演示效果不明显．演示实验的关键是学生能明显观察到实验现象．而本实验的观察对象是温度计的示数,只有坐在器材前的学生能看清示数,后排学生完全观察不到温度计示数．所以,对于绝大部分学生来说,这是一个无效的实验．

(4) 煤油味道重,破坏教学环境．

2 实验装置的改进

笔者的改进思路是:将一段电阻丝缠绕在温度计的玻璃泡上,电阻丝通电后,产生热量,使温度计示数快速升高．通过比较温度计示数的变化,来比较电阻丝产生热量的多少．

下面,将从材料、器材制作方法、实验方案和装置图以及实验效果等方面,介绍改进的实验装置．

2.1 实验材料

4节新干电池(或6 V学生电源)、电池盒、2支水银温度计、2根不同长度的电阻丝(Φ=0.3 mm的镍铬合金丝,1根7.5 cm左右,1根15 cm左右)、1只电流表、1只滑动变阻器、1只开关、导线若干．

2.2 实验器材制作方法

图2 改进的实验装置

(1) 将两根电阻丝分别缠绕在两支温度计的玻璃泡上,绕成线圈的形状,如图2,短的那根绕3圈,长的那根绕6圈．使电阻丝尽可能地贴紧温度计玻璃泡表面．但相邻两圈不能接触,以防短路．至此,实验器材就已经基本制作完毕．

(2) 为了方便学生做实验,不妨取下绕好的电阻丝固定在底座上,标注电阻名称(如R1、R2)及大小关系．在固定时,需考虑是否牢固、底座的导热性、用胶水固定时是否会熔化等问题．本人以学生垫板为底座,用502胶水把电阻丝固定在垫板上,在垫板上用记号笔标注电阻名称及大小关系．

2.3 实验方案和装置图

2.3.1 探究产生热量Q与电流大小I的关系

图3

(1) 利用一个电阻丝,把温度计玻璃泡插入绕好的电阻丝线圈内．电阻丝与滑动变阻器串联,如图3,调节到一个合适的电流大小,通电一定时间(如30 s、60 s等),记录温度计示数．

(2) 待温度计示数回到室温后(也可直接使用另一支温度计),通过滑动变阻器改变电路中的电流大小,通电相同时间后,记录温度计示数．

(3) 比较两次温度计升高示数与电流大小的关系,得出结论．

2.3.2 探究产生热量Q与电阻大小R的关系

图4

(1) 将两支温度计分别插入两个绕好的电阻丝线圈内,将两个电阻线圈和滑动变阻器串联,如图4,通电一段时间,每隔30 s记录一次两支温度计示数,90 s后停止实验．

(2) 比较两次温度计升高示数与电阻大小的关系,得出结论．

2.4 实验效果

在上课时,笔者给学生绕制的电阻丝分是R1绕3圈,R2绕6圈,即R2=2R1．表1是学生利用改进的装置真实测得的实验数据.

表1 实验数据记录表

比较1、2两组数据,可以看出,在电阻和通电时间相同的情况下,电流越大,升高温度越多,即产生热量越多;比较1、3两组数据,可以看出,在电流大小和通电时间相同的情况下,电阻越大,升高温度越多,即产生热量越多．综合以上,可以得出产生热量与电流大小和电阻大小的定性关系,能够达成通过实验探究知道通电导体产生热量与哪些因素有关的教学目标．

3 改进后的优点及教学效果

(1) 器材简单易制作．器材除了电阻丝以外,其他都是常用电学实验仪器,而电阻丝一般学校为了探究影响导体电阻大小因素,也会有储备．因此实验材料不难找到．制作成线圈形状也很简单,若教师能提前准备好长短不同的两根电阻丝的话,可以让学生制作．

(2) 实验时间短．由于温度计直接测量电阻丝的温度,所以温度上升很快．笔者测量过,在探究产生热量与电阻关系时,电阻较大的电阻丝温度升高20 ℃只需要90s．从连线到获得数据,整个实验时间不会超过15min．这样就能让完成教学任务成为可能,提高了课堂效率．

(3) 可进行分组实验．器材简单,操作也很方便,学生可以明显观察到温度计示数升高快慢的不同．不仅如此,此套装置使用很安全,不会对学生造成伤害．因此,可以利用此套装置进行学生分组实验．学生通过动手实验,观察现象,增强感性认识,有助于对焦耳定律的理解．同时还能提高学生的动手能力,增强分工合作意识．

(4) 有助于学生得出定量关系．初中阶段,只要求学生能通过探究知道产生热量与电流大小、电阻大小和通电时间的定性关系,并不需要学生探究出Q=I2Rt这个定量关系．而仔细观察上述实验数据,不难发现:从1、2两组数据可以看出,电流变成2倍,升高温度近似变为4倍,与焦耳定律中产生热量与电流平方成正比的结论一致;而从1、3两组数据可以看出,电阻变为两倍,升高温度也变为2倍,也与焦耳定律中产生热量与导体的电阻成正比的结论一致．所以,通过这套装置有助于学生得出焦耳定律的定量关系．

4 结语

实验是物理课堂永恒的主题,但是实验现象不明显往往困扰我们一线教师．于是,这就需要我们不断发现问题,不断钻研改进实验器材及方案,以使得物理实验更好地服务于课堂教学,更好地促进学生发展．