基于大单元教学背景下初中物理实验教学的探索——电流热效应的影响因素

安徽省合肥一六八玫瑰园学校(230601) 韩 磊

大单元教学的宗旨是贯彻新课程理念，提高学生综合素质，为学生终身幸福打基础，目的是把学科教学从“小单元”中解放出来，以更大的视野、更高的层面、建构新的教学系统。根据课程知识、方法的需要可以前后穿插，使课堂教学更趋于合理、高效。现以初中物理教学中探究电流产生热量的影响因素为切入点，探讨大单元背景下的实验教学。

1 电流产生热量的实验探究

沪科版和人教版都从电炉变红、电熨斗、电饭煲等作为引入电流产生的热量多少与哪些因素有关为问题引入，旨在引导学生讨论对电流热效应有影响的因素。沪科版教材通过煤油升温、比热公式测算出热量，再根据控制变量的思想“探究电流产生的热量与通电时间”“探究电流产生的热量与电流大小是否有关”“探究电流产生的热量与电阻大小是否有关”(见图1)，逐个探究得出结论；人教版教材通过两个透明容器中密封着等量的空气，观察U型管液面高度的变化，反映密闭空气的压强变化。根据理想气体状态方程结合比热公式可以测算出相应数据，具体实验以“探究电流产生热量与电阻是否有关”“探究电流产生热量与电流大小是否有关”两个探究实验展开(见图2)，记录、计算得出结论。

图1 沪教版教材中电流产生热量实验

实验的探究得出电流产生热量的公式(焦耳定律)，指出电流产生的热量跟流过导体电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。然而在猜想过程中怎样解释电流产生热量与电压关系呢？前面的学习已经知道电流做功与电路两端电压U、电路中电流I、通电时间t有关，这里怎样引导呢？

2 电流产生热量影响因素的猜想

此处是开放性猜想，对于学生有一定科学性的猜想应该给予积极反馈，可以在课堂教学中根据实际教学情景对照以下5种实际情况合理过渡、穿插。

现象1：如图3所示，闭合开关，使灯泡发光，学生可以用手感知到刚开始灯泡温度较低，随着时间的累积，灯泡的温度越来越高。

图3 电流产生热量影响因素实验

现象2：设置对照组，改变通过同一个灯泡的电流，可以看到相同时间，电流越大的实验组，灯泡的温度越高。

现象3：相同电流流过电阻不同的灯泡，可以看到相同时间，电阻越大的灯泡温度越高。

根据以上3种现象，初步总结：根据现象1很容易得出电流热效应与时间的关系，现象2的结果到底是电流因素还是电压因素呢？现象3的结果到底是电阻因素还是电压因素呢？这两个还存在不确定性。为了进一步分析判断，设置下面现象4和现象5。

现象4：如图4所示，断开开关，电压表测电池两端有电压，同时电池内部也有电阻，但电池不产生热；闭合开关，电压表示数几乎为零，电流很大，电流通过电池内部，电池很快发热(电源短路，注意控制实验时间)。

图4 电源短路实验

其他条件相同，有电压，无电流，没有产生热量；无电压，有电流，产生热量。作为对照不难发现产生热量的因素是电流，而不是电压。这也符合我们一直说的电流做功，同时也可以类比水流推动水轮机运动发电，仅有水压，没有水流不能发电。

现象5：电炉丝是由电阻丝做成且电阻越小电炉丝发热功率越大，通过查阅资料，若将电阻丝换成超导材料(电阻为零)，尽管超导材料两端有电压、有电流、有通电时间，但不产生电热。

综合以上实验得出：电流的热效应的影响因素是电阻，而不是电压。

3 电功的影响因素与电阻无关的分析

学生在猜想电流做功影响因素的时候很容易就会想到电流、电压、电阻、通电时间。很多老师对于电阻这个影响因素往往选择规避或者简单带过，重点放在电功公式及其计算上。在具体习题中学生虽然会按照老师的W=UIt公式去计算电功，可是学生会经常见到公式的变形，其中就有电阻R的计算，而且有时可以，有时又不可以，特别是在学完电流热效应后可能这种疑惑就更大了，此时可以结合前面的学习做个说明。

对于通电时间的理解很简单，此处不赘述；电流做功自然联想到与电流有关；电压是形成电流的原因，所以电流做功可能与电压有关；以上联想是老师最想看到的，可是学生一定还会有一个联想，特别是学习电流热效应之后更加会产生再度思考：电阻影响电流的热效应，而且电阻对电流也有阻碍作用，电阻对电流做功有没有影响呢？为何电功公式仅仅体现W=UIt呢？这个问题看似很好解决，实际在设计探究实验的时候很难完成，因为无论是串联或者并联，至少都会有两个变量，所以学生理解起来很不容易。这里将常用的两种方法总结如下。

3.1 类比法

前面我们学过：“力作用在物体上，使物体向前运动，形成的效果是物体向前运动，随着时间的积累会有一段距离，力与距离的乘积为机械功”。类比来看，电压作用在正常工作的用电器(电阻)上，也会形成一定的效果——电荷定向移动(即电流)。随着时间的累积会有一定的电荷移到电阻的另一边。所以，力类比电压，距离(速度的时间累积)类比电荷(电流的时间累积)，力与距离的乘积是机械功，电压与电荷的乘积是电功。细分一下就是W=UIt。补充一下，机械功与力和在力的方向上的距离有关，与物体本身大小无关；电功与电压和电荷(电流、时间)有关，与流过的物体(电阻)本身无关。

3.2 反证法

已知L1、L2两灯泡的电阻R1>R2,按图5连接电路进行实验时发现：甲组实验中L1的亮度更亮；乙组实验中L2更亮。

图5 反证法

通过图5中可以得出两个结论：①电流相同时，电阻越大，电功越多；②电流相同时，电压越大，电功越多。通过图5中可以得出结论：①电压相同时，电阻越大，电功越小；②电压相同时，电流越大，电功越大。

除了以上方法之外，举例再论证：电动机工作时，消耗的电能(电功)，一部分转化成机械能，另一部分转化成了内能(电热)。若线圈是用超导材料绕成的，线圈便无电阻，不再发热，但电动机仍然工作，电流仍在做功，不会因为电阻为零，电功为零。

可见，电功与电阻无关。

至于在具体计算过程中，有时电功公式W=UIt可以变形成W=I2Rt或W=(U2/R)t，这是因为在这些电路或用电器上，电功几乎全部转化为热量，这部分电路称为纯电阻电路，此时的“电功等于电热”，只是大小相等，并不是说二者相同或影响因素相同。

在大单元教学背景下，以教材为基础，把握知识整体框架，跳出传统的章节限制，多角度、多维度的将知识整合、重组，形成一个相对完整、系统、高效的教学设计。做实深度教研，培养学生独立思考、合作探究、交流分享、总结提升的能力。