利用DISLab定量探究焦耳定律*

胡华愉 杨晓梅

(宁夏大学物理与电子电气工程学院 宁夏 银川 750021)

物理课程教学在于帮助学生认识和理解自然，其中多数物理概念、规律的产生和发现都是建立在严格的科学实验之上.人教版初中教材对焦耳定律进行了定性实验，而高中阶段在该部分仅做了理论推导.《普通高中物理课程标准(2017年版)》提出“引导学生自主学习，提倡教学方式多样化”的理念[1]，使数字化传感器技术走进课堂成为可能.因此，借助DISLab将焦耳定律定性实验过渡到高度定量的数字化实验，满足学生对物理规律深入探索的需求，为培养学生物理核心素养提供教学案例.

1 数字化信息系统

数字化信息系统(Digital Information System，简称DIS)是由传感器、数据采集器、计算机和配套软件等构成的数字化实验系统，为教学提供了新的策略和方法.DIS具备准确、实时、直观等特点，能一定程度优化实验内容、提高教学效率，此次探究实验使用的数字化信息系统为朗威数字化信息系统实验室(DISLab).

2 实验原理

探究焦耳定律中热量Q与电流I、电阻R和通电时间t之间的关系，应首先确定电阻加热的介质以测量产生的热量.气态的空气不具有导电性，比热容较小，对流作用显著，并且随处可得，相比于固态的金属和液态的煤油(色拉油)是较理想的介质.

封闭且绝热的容器内放入通电电阻，电阻将电能转化为内能，空气吸热膨胀并对外做功.由于容器封闭绝热，没有能量损失，空气完全吸收电阻产生的热量.根据介质温度变化时热量的计算公式Q=cmΔT(ΔT为温度的变化量，单位是℃°，以区分通电时间t)，容器中空气质量不变，其自身的温度将升高，通过温度的变化就可反映电阻产热.

当电流和电阻一定时，若绘制温度与时间的图像是一次函数，表明产热与通电时间成正比；当电流和通电时间一定时，成倍改变电阻阻值，若前后实验温度的变化量是倍数关系，则产热与电阻成正比；当电阻和通电时间一定时，成倍改变电流大小，若前后实验温度的变化量是倍数平方的关系，则产热与电流的平方成正比.

3 实验方案及装置制作

3.1 实验方案

设计实验电路原理图如图1所示.

图1 实验电路图

电源电动势E=6 V，R是容器内电阻丝，电阻箱Rx用来调节R两端的电压和电流，以满足指定的实验条件，电压、电流和温度均由传感器记录并传输至计算机，电压、电流传感器还起到实时监测电阻丝阻值的作用.

采用控制变量法设计实验过程，该探究实验分成3个小实验.实验1为对照组，实验2在实验1的基础上增大电阻丝阻值，探究热量Q与电阻R的关系；实验3在实验1的基础上增大电流，探究热量Q与电流I的关系.各实验条件如表1所示.

表1 实验条件取值表

教师可要求学生在理解实验原理和操作步骤后，由欧姆定律计算电阻箱Rx的阻值再填入表格，检验学生的学习效果.

3.2 实验装置制作

制作封闭且绝热的实验装置是完成实验的关键，并且需要与DISLab实验系统匹配.准备以下材料：宽口塑料瓶2个，红、黑接线柱各2个，温度传感器探头2个，电阻丝，多用电表，热熔胶和保温纸等，制作步骤如下.

(1)使用多用电表测量并截取阻值分别为5 Ω和10 Ω的电阻丝，缠绕成螺旋状；

(2)选取两个相同的宽口塑料瓶，在瓶身左右两侧等高位置各开一个孔，安装红、黑接线柱以固定电阻丝，用热熔胶密封接线柱的边缘；

(3)瓶盖开孔，调节并固定温度传感器探头，拧紧瓶盖后检查气密性；

(4)用保温纸包裹瓶身.

实验装置制作完成后，按照电路图连接各实验器件，如图2所示.

图2 自制实验装置实物连接图

4 探究实验操作

4.1 对照组实验

(1)选用电阻丝R=5 Ω的塑料瓶，调节电阻箱Rx=25 Ω，连接电路.

(3)闭合电路开关，待传感器示数稳定后启动采集，获得并保存第1组实验数据.

4.2 探究热量Q与电阻R的关系

(1)替换电阻丝R=10 Ω的塑料瓶，调节电阻箱Rx=20 Ω.

(2)新建并调用焦耳定律模板，其余操作同4.1中的(3)，获得并保存第2组实验数据.

4.3 探究热量Q与电流I的关系

(1)替换冷却至室温的电阻丝R=5 Ω的塑料瓶，调节电阻箱Rx=10 Ω.

(2)操作同4.2中的(2)，获得并保存第3组实验数据.

5 实验数据处理及结论

5.1 数据处理

(1)依次在“计算表格”界面选取实验1、实验2和实验3的数据，以x轴为通电时间、y轴为温度绘制“温度-时间”图像，如图3所示，3组实验温度随通电时间变化对比图如图4所示，实测数据处理界面如图5所示.

图3 通用软件绘制的“温度-时间”图

图4 3组实验温度随通电时间变化对比图

图5 实测数据处理界面

5.2 实验结论

引导学生观察实验图像，总结出温度与通电时间近似构成一次函数，得热量Q正比于通电时间t；温度的变化量满足

得热量Q分别正比于电阻R和电流I的平方，即

Q=I2Rt

6 结束语

在现有条件下为定量探究焦耳定律设计最简电路，节省了实验材料，可培养学生的环保意识；引导分析实验原理，推理出电阻产热与空气温度变化的内在联系，形成科学思维习惯；让学生在装置制作时掌握传统测量仪器的使用方法，并结合DISLab略去繁琐的数据采集过程，WPS软件也减轻了处理大量数据的负担，使学生专注于规律总结；综合运用各类教学设备为学生营造了更全面认识焦耳定律的氛围，深化能量转换的物理观念.