用变色测温贴片改进焦耳定律实验

毛远飞

摘 要：初中课本中提供的焦耳定律演示实验存在一些缺陷，笔者利用可逆型变色测温贴片进行创新和改进，同时，把两个实验电路优化整合成一个实验电路。根据实验现象进行比较分析，这个改进使该实验变得简单、直观、形象，实验操作更为简单，能使学生加深对焦耳定律的理解。

关键词：焦耳定律；实验改进；55 ℃可逆型变色测温贴片

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）9-0054-2

电流热效应实验是引出焦耳定律的核心实验，能为后续教学奠定良好的基础；通过观察和分析该实验，能够理解影响电流热效应的主要因素；由实验得出结论，客观具体，学生易于接受，降低了教学难度。经过多年的教學实践，笔者对焦耳定律的实验进行了如下改进。

1 用NCW系列55 ℃可逆型变色测温贴片（如图1）代替加热煤油或密闭空气

NCW系列55 ℃可逆型变色测温贴片自身带有不干胶，可牢牢贴在电阻外壳上（如图2）。当温度超过测温贴片的标定温度55 ℃时，变色测温贴片立即由黑色变成红色，并在测温贴片上显示该处超过的温度值：55℃；冷却下来后，测温贴片又会恢复原来的黑色，该贴片仍可继续使用。我们把它紧贴在电阻外壳上来演示焦耳定律，当电流通过电阻时，产生的热量使贴在电阻表面的测温贴片温度升高，达到55 ℃而变成红色。电流产生的热量越多，温度上升就快，测温贴片变成红色就会越快，即我们可以通过测温贴片变成红色的快慢确定产生的热量的多少。

这样改进的优势：（1）该装置所用材料——可逆型变色测温贴片很容易找到。不需要增加平底烧瓶、煤油、电阻丝、温度计等装置，或者增加密封塑料容器、U型管、有色液体等装置，更不需要考虑液体冷却或密封性等问题。而且制作过程非常简单——只需要紧贴在电阻外壳上就可以了，更加方便、安全。同时，只要提供几片可逆型变色测温贴片，就可以把演示实验改进为学生分组实验，从而大大提高学生的动手能力，提升学生学习物理的兴趣。（2）操作简单，用时短，实验现象非常明显。用6 V电压，该实验装置仅需3分钟左右就可以完成实验探究。相比较其他实验现象，更能吸引学生的注意力，实验效果更佳。（3）更加符合直观性和简单性原则，更加符合学生的认知规律。人教版实验装置用加热空气，空气膨胀，再转化为液柱升降的高度差；有些版本教材的实验装置是：加热煤油，再用温度计示数显示产生热量的多少；还有一些其他的改进装置：如熔断丝等。这些实验装置或改进装置，多次的转换给学生的认知造成障碍，也不符合直观性和简单性原则。

2 书中的实验分两步进行

第一步是在电流相同、通电时间相同的条件下，电阻越大，电流产生的热量就越多。第二步是在电阻相同、通电时间相同的条件下，电流越大，电流所产生的热量就越多。最后推理出通电时间越长，电流产生的热量就越多，从而得出焦耳定律的内容。没有进一步探究电流和电阻对产生电热多少的影响的显著性问题。为此，笔者大胆开拓实验思路，把前两个实验进行优化整合，进一步对实验进行改进。

第一次实验的电路图如图3，第二次实验的电路图如图4，把两个实验的电路图优化整合成一个实验图如图5。

图5中R1的阻值是5 Ω，R2的阻值是10 Ω，两个电阻在同一条电流路径上，所以电流相等，通电时间相等，满足第一个实验的条件。同时，R2与R3的阻值都是10 Ω，R3与另一个10 Ω电阻并联。根据并联电路电流的规律，通过R2的电流等于R3的电流加上与之并联的10 Ω电阻的电流，进一步分析得出通过R2的电流值是R3的电流值的2倍。R2的阻值等于R3的阻值，同时通电时间相等，满足第二个实验的条件。

用学生电源9 V的电压，闭合开关，通电30多秒，R2上的可逆型变色测温贴片就达到55 ℃，由黑色变成红色，R1和R3上的可逆型变色测温贴片没有变化。这样就可以根据R1与R2的现象得出第一个结论：电流相同、通电时间相同的条件下，电阻越大，电流产生的热量就越多。同时，根据R2与R3的现象得出第二个实验结论：在电阻相同、通电时间相同的条件下，电流越大，电流产生的热量就越多。

到这时，不要断开开关，引导学生继续观察。我们发现：大约2分30秒时，R1上的可逆型变色测温贴片也达到了55 ℃，由黑色变成红色，但是R3上的可逆型变色测温贴片还没有任何变化。这时仍然不断开开关，再继续观察1到2分钟，R3上的可逆型变色测温贴片仍然没有变红。这时，可以引导学生进行分析：R1的阻值是R2的阻值的一半，R3的电流是R2的电流的一半。但是，R1达到55 ℃的时间要远小于R3达到55 ℃的时间，这说明什么问题呢？学生很容易想到这是因为电阻和电流对产生电热的影响程度不一样，进一步引导分析可以知道电流对产生电热的影响要大一些。这样就可以从实验的角度解释，焦耳定律的表述中是电流通过导体产生的热量的多少与电流的平方成正比，与其他两个因素是不一样的。

这样，我们可以总结出电流通过导体产生热量的多少与电流、电阻、通电时间的定性关系，以及电流对产生电热多少的影响要大一些的结论，从而可以顺理成章地推出焦耳定律Q=I2Rt。并通过数学推理进一步证明：R1的阻值是R2的阻值的一半，R3的电流是R2的电流的一半，R1产生的电热是R2产生的电热的二分之一，而R3产生的电热是R2产生的电热的四分之一，即电流对产生电热多少的影响要大一些。

这样改进的优势：（1）可以把两个实验合并为一个实验，根据实验现象可以同时得出两结论，提高了教与学的效率。（2）可以进一步培养学生发现问题的能力和分析并总结实验现象的能力。（3）在培养学生对实验现象的观察能力和综合分析能力的基础上，进一步培养学生的人文精神、学习科学家实事求是的精神。（4）进一步扩展了实验，用实验粗略证明了电流对产生电热的影响要大一些，使学生对焦耳定律中对电流的描述有了客观的认识，有利于学生对焦耳定律的深入理解。

参考文献：

[1]李禾雨.焦耳实验的改进[J].实验教学与仪器，2005（7/8）：31.

[2]唐前军，汪志刚，李健.基于电子实时测温的焦耳定律实验研究[J].中学物理教学参考，2014，43（6）：68-70.

[3]吴葛亮.焦耳定律演示实验装置的改进与创新[J]. 新课程（中学） 2017（4）：97.