焦耳定律演示器材再改进

钱逸雯 陈嘉炜

(1.江苏省苏州市学府中学 215000;2.江苏省苏州实验中学 215000)

焦耳定律的实验是初中物理中一个非常重要又比较难做的演示实验.书上介绍的方法，所需的加热时间太长，演示效果并不好.为尽可能的缩短实验时间，在短时间内取得更明显的实验效果，笔者在演示仪器上做出了一些尝试与研究.

一、结构原理

将装置连接到电路中，打开电源，可以看到玻璃管内的液面升高.这是由于电阻通电后，产生的热量使得周围的空气温度升高，体积膨胀，瓶内的气压升高，将玻璃管内的液体压了上去.通过观察玻璃管内的液面变化，就可以了解导体产生热量的多少.玻璃管内的液面升高得越多，说明导体产生的热量就越多.

二、制作方案

1.在塞子中间打孔，穿过一根玻璃管，并用玻璃胶固定密封.在玻璃管上贴上刻度.

2.剥去电线的绝缘外壳，剪下两段铜导线，分别连接在电阻的两端.将铜导线穿过塞子，作为接线柱，并固定密封.

3.在300mL锥形瓶内加入一定量的水，至能够盖过玻璃管的下端，加入几滴红墨水便于观察，塞紧塞子，防止漏气.就制成了我们的焦耳定律演示仪器.

三、实验方法

1.将该仪器，滑动变阻器，电流表串联在电路中，打开电源加热20s，记录此时的电流，及玻璃管内液面升高的高度.待电阻冷却后，调节滑动变阻器，打开电源加热20s，记录此时的电流，及玻璃管内液面升高的高度.比较数据，得出导体产生的热量与电流的定性关系.

2.制作两个阻值不同的装置，串联在电路中，此时通过电阻的电流和加热的时间都相等.打开电源加热20s，分别记录两个装置的电阻及玻璃管内液面升高的高度.比较数据，得出导体产生的热量与电阻的定性关系.

3.在前两个实验中，就可以得出导体产生的热量与时间的定性关系.

四、改进方案

为使得实验时间更短，或相同的时间内实验现象更明显，笔者分别用5Ω的金属膜电阻(如图2)与5Ω电阻圈(如图3)制成装置，在锥形瓶内分别加入150mL，160mL，170mL，180mL，190mL，200mL，210mL，220mL的液体，记录电流为0.9A时，玻璃管内液面上升4cm所需的时间.再将上述两个电阻用水均匀打湿，重复上述实验，记录数据.实验数据如下表：

表1 干5Ω金属膜电阻

实验次数电流/A瓶内液体体积/mL液面上升高度/cm时间/s123456780.9150160170180190200210220428.2126.0124.1723.6222.3522.2822.6224.11

表2 湿5Ω金属膜电阻

表3 干5Ω电阻圈

表4 湿5Ω电阻圈

1.锥形瓶内加入200mL液体最为合适

玻璃管内液面变化的快慢，取决于瓶内空气体积变化的多少.瓶内空气越多，升高相同的温度时，体积变化得越大.但同时，瓶内空气越多，电阻产生的热量相同时，空气温度升高的越少，体积变化就越小.从数据中我们可以看出，随着瓶内的液体增加，空气的体积减小，液面上升所需时间先减小，后增大，在200mL时所需时间最短.由此可以看出，当瓶内空气较多时，空气体积变化的大小主要由空气温度的变化决定，由于温度变化较大，所以所用时间缩短.而当瓶内的空气减小至100mL以内时，空气温度变化的影响减小，由于空气体积小，所以变化不明显，时间略微变长.

2.电阻圈发热效果更好

实验室所用的电阻主要有两种，一种是电阻圈，它是由金属丝环绕而成，一般使用铜丝，通过改变铜丝的长度与粗细，就能够改变阻值大小.另一种，即金属膜电阻，在真空的环境中，通过高温，使镍铬合金等在白瓷棒表面形成一层金属膜，通过刻槽以及改变金属膜厚度的方式来改变阻值大小.联系生活中常用的电热丝，白炽灯等发热量大的电阻，会发现它们大多是电阻丝的形式.而焊接在电路板上的电阻，往往希望它的发热量小一些，大多使用的是金属膜电阻.笔者由此联想，电阻圈的发热效果是否优于金属膜电阻.

通过表中的数据我们可以看出，用电阻圈制成的装置，加热时间约为金属膜电阻的一半，可见使用电阻圈的发热效果更好.常用的J2375型焦耳定律演示器，使用的是金属膜电阻，如能将电阻改为电阻圈，实验效果应该也能大大改善.

3.将电阻打湿现象更明显

其他版本教材上的焦耳定律演示仪器，是利用煤油体积的变化来体现导体产生热量的多少，与笔者所用仪器有类似之处，此处利用的是空气的体积变化.当电阻产生的热量相同时，若热量被周围的介质完全吸收，温度均匀升高，煤油的比热容为2.1kJ/(kg·℃)，空气的比热容为1.006kJ/(kg·℃)，空气温度升高约为煤油的两倍.煤油的热膨胀系数为9.0×10-4，空气的热膨胀系数为3.676×10-3，每升高一摄氏度，空气的体积变化为煤油的四倍左右.也就是说，若吸收相同的热量，空气的体积变化为煤油的10倍左右，故而加热空气，实验现象会比煤油明显很多.但是即便如此，空气体积的变化依然只有其本身体积的百分之一左右.并且在现实中，热量的传递需要时间，靠近电阻的空气温度较高，远离电阻的空气温度较低.空气温度越高，与电阻之间的温差就越小，热传递的速度就越慢，空气体积膨胀的速度，又会受到一定的影响.

我们知道，水由液态变为气态，体积约为原来的1000倍.若将电阻均匀打湿，电阻发热时，会加速电阻上的水变成水蒸气，在密闭的容器内，气体的体积迅速变大，能够在更短的时间看到玻璃管内的液面迅速上升.

五、反思

本仪器通过再改进，实验效果得到了改善，但依然存在一些问题.

1.本仪器利用了空气的热胀冷缩，也就意味着对仪器的密闭性要求较高.橡胶老化，玻璃胶脱胶等，都可能会导致仪器漏气，影响仪器的气密性，轻则增加实验的时间，无法定量实验；重则会出现液面下降的情况，实验无法进行.玻璃胶脱胶处，可以涂抹凡士林减少漏气.塞子与瓶口接触处，可以包裹聚四氯乙烯生料带，再洒上一些水，使其膨胀，填补漏洞，防止漏气.

2.锥形瓶内装有大量的水，液体蒸发，空气中有大量的水蒸气，比较潮湿.电阻长时间处于潮湿的环境中容易生锈断裂，铜导线容易生出铜绿导致接触不良，装置不易保存.可以尝试将瓶内的水换成煤油等不易挥发的液体，或在水面上滴一些煤油，抑制水的蒸发，保持瓶内干燥.

3.锥形瓶的材质是玻璃的，空气温度升高后，极易通过玻璃向外散热，热量的散失会使得空气体积变化减小，液面上升变慢.可在锥形瓶外包裹泡沫板等保温隔热材料，若制作数量不多，也可直接使用保温瓶进行制作.

4.电阻加热后，散热需要较长的时间，若不能等电阻冷却，连续地进行实验，就会导致液面变化不明显，影响实验结论的得出.若要定量的实验，误差极大.尤其在探究与电流的关系时，需要调节滑动变阻器二次实验，为保证实验效果，可以将实验方案改进.此时需要三个阻值相同的电阻，将其中两个并联后，再与第三个串联(如图4).虚线圈内的两个电阻，阻值相同，通过的电流不同，闭合开关后，可同时观察两个玻璃管内液面的变化，来比较导体产生热量的多少.