利用同一种装置完成两个容易混淆的实验

北京亦庄实验中学(100176) 陈菊清

实验1：比较水和食用油的吸热情况。实验2：探究电流产生的热量与电阻大小是否有关。实验1中怎样比较水和食用油吸收热量的多少,实验2中怎样比较电流通过2根电阻丝产生热量的多少,两者容易混淆。两个实验中都利用了热传递,不计热损失时,Q吸＝Q放。实验1中比较Q吸需要转换为比较Q放,实验2 中比较Q放 需要转换为比较Q吸。

1 比较水和食用油的吸热情况

在“比较水和食用油的吸热情况”的实验中,如图1所示,研究对象是水和食用油。自变量是物质的种类,因变量是水和食用油吸收的热量Q吸,需要控制不变的量是水和食用油的质量m、水和食用油升高的温度Δt。

1.1 比较水和食用油吸收热量的多少

图1 实验1装置

比较Q吸需要转换为比较Q放。2根电阻丝R1和R2阻值相同,这2根电阻丝串联在电路中,其实就是2个功率相同的电热器,它们在相同时间内放出的热量相同。根据Q放＝Pt(或Q放＝I2Rt)可知,比较电热器产生热量Q放的多少可以转换为比较加热时间t的长短。所以,实验1中把比较水和食用油吸收热量Q吸的多少转换为比较电热器加热时间t的长短。

1.2 比较水和食用油的吸热情况

2 探究电流产生的热量与电阻大小是否有关

在“探究电流产生的热量与电阻大小是否有关”的实验中,如图2所示,研究对象是2根阻值不同的电阻丝R1和R2(R1＞R2)。自变量是电阻丝的电阻R,因变量是电流通过电阻丝产生的热量Q放,需要控制不变的量是电流I和通电时间t。2根电阻丝串联在电路中就控制了电流I和通电时间t相同。

图2 实验2装置

2.1 怎样比较电流产生的热量的多少

比较Q放需要转换为比较Q吸。2个相同的烧瓶内装有质量相同、温度相同的同种食用油。食用油的比热容相同,质量相同,根据Q吸＝cmΔt可知,比较A、B2个烧瓶内食用油吸收热量Q吸的多少,可以转换为比较食用油升高的温度Δt的多少。所以,实验2中把比较电流产生的热量Q放的多少转换为比较食用油升高的温度Δt的多少。

2.2 电流产生的热量与电阻大小是否有关

在实验2中,发现通电一段时间后,A烧瓶内温度计的示数高于B烧瓶内温度计的示数。可知,A烧瓶内食用油比B烧瓶内食用油升高的温度多些,电流通过电阻丝R1比电流通过电阻丝R2产生的热量多些,说明电流产生的热量与导体的电阻有关。电流和通电时间一定时,导体的电阻越大,电流产生的热量越多。

3 在实验2的基础上完成电流热效应的其他实验

3.1 探究电流产生的热量与通电时间是否有关

在实验2的基础上,以同一个烧瓶中的同一根电阻丝为研究对象,滑片的位置保持不变,这样就控制了电阻和电流不变。延长通电时间,可以发现烧瓶中的温度计示数继续升高。说明电流产生的热量与通电时间有关。电阻和电流一定时,通电时间越长,电流产生的热量越多。

3.2 探究电流产生的热量与电流大小是否有关

在实验2的基础上,选用2根相同的电阻丝,增加1个相同的滑动变阻器和2个电流表,如图3所示连接电路。调节滑动变阻器滑片使2个滑动变阻器接入电路的阻值不同,闭合开关,通过2根电阻丝的电流不同。实验中控制了电阻丝的电阻、通电时间相同。通过实验发现,电流大的电阻丝所在烧瓶内食用油升高的温度多一些,说明电流产生的热量与电流大小有关。电阻和通电时间一定时,电流越大,电流产生的热量越多。

图3 实验3.2装置

焦耳在大量的实验基础之上,最先确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定量关系,也就是焦耳定律,即Q放＝I2Rt。

4 实验评估

实验中为了让实验现象更明显,减少加热时间,需要增大电热器的功率。

(1)电源电压可以调大些,实验中电源电压可以调到最大,有的电源最大电压为30V。

(2)选用2根相同的电阻丝进行实验时,可以选阻值小的电阻丝。

(3)实验中滑动变阻器接入电路的电阻调小些。