焦耳定律演示装置改进

刘永树 徐光喜

焦耳定律是人教版九年级物理教材中的重要内容。现阶段学校实验室中演示焦耳定律的装置存在漏气、使用的电源电流较小等问题，故绝大多数学校弃之不用，导致许多教师在教学焦耳定律时面临无实验器材可用的情况，将鲜活的探究实验变成单纯地讲实验，课堂教学效果大打折扣。

如何改进已有的焦耳定律演示装置，使其“起死回生”呢？

教材中的焦耳定律实验

教材中焦耳定律演示装置的电阻置于密闭容器内，U形玻璃管连接密闭容器，如图1所示。空气吸热后体积增大、压强增大，从而推动U形玻璃管中的指示液面上升，液面上升的高度反映电流通过电阻做功产生热量的多少。

基于教程初次改进装置

1.加强装置的气密性

焦耳定律演示装置对气密性要求很高。我们用水检查装置的气密性，对漏气部位进行密封处理：先卸下塑料盒面板上的螺钉，再卸下塑料盒与接线柱上的螺钉，然后在接线柱与塑料盒内打上热熔胶，迅速将接线柱和接线柱螺钉接上并旋紧，最后在接线柱与塑料盒相接处外面打上热熔胶密封。

之后，我们又用水检查装置的气密性，直到装置不漏气为止，确保装置在焦耳定律实验教学时能正常使用。

2.选用优质发热电阻

发热电阻被密封在塑料盒内，如果发热电阻质量不过关，在实验过程中很容易被烧毁，导致整个装置报废。因此，选用优质电阻是改进装置的关键。

我们购买多个10 W水泥电阻，电阻为：R1＝5Ω，R2＝R3＝R4＝10Ω。将水泥电阻一一接入24 V电源，通电半分钟后，观察水泥电阻发热情况。如果水泥电阻没有裂开，也没有任何液体渗出，人手靠近电阻时能感受到温度，说明这些水泥电阻是符合要求的优质电阻。如果在加热时，电阻裂开或有油样液体渗出，应弃用这些水泥电阻，选择优质水泥电阻。

3.改装实验电路

如图2所示，我们将两个U形玻璃管、开关S2、电阻R4固定在塑料板上，用导线将各接线柱连接起来。用一个电路代替教材中的两个电路，如图3所示，让实验操作更简单。

4.增大电源电压

教材中焦耳定律演示装置使用的电源最高电压仅为12 V。在冬天进行焦耳定律演示实验时，如果电阻发热功率太小，热辐射造成的热损失很大，U形玻璃管内液面几乎不上升，实验就会失败。

我们将12 V学生电源改为12 V蓄电池或24 V学生电源，完成探究实验只需1分钟左右，大大缩短实验时间，实验效果非常明显。

實验演示：

探究电热与电阻的关系：

打开橡皮管上的止水夹，用注射器向U形玻璃管缓慢加水，使U形玻璃管两液面齐平。

用止水夹将橡皮管夹住，闭合开关S1，断开开关S2。在电流和通电时间一定时，R2所在的U形玻璃管两液面高度差比R1所在的U形玻璃管两液面高度差大，可见R2产生的热量比R1产生的热量多。这说明在电流和通电时间一定时，电阻越大，电流产生的热量越多。

探究电热与电流的关系：

打开橡皮管上的止水夹，断开开关S1和S2，水位很快恢复至初始状态。用R3换下R1，闭合开关S1和S2，将R4连入电路。在电阻和通电时间一定时，R3所在的U形玻璃管两液面高度差比R2所在的U形玻璃管两液面高度差大，说明R3产生的热量比R2产生的热量多。

另辟蹊径再次改进装置

Bcw1-678规格的测温贴片在常温下颜色均为白色；当温度达到60 ℃时，左边测温贴片的颜色由白色变为黄色；当温度达到70 ℃时，中间测温贴片的颜色变为黄色；当温度达到80 ℃时，右边测温贴片的颜色变为红色。

我们用导线将3个水泥定值电阻（2个10Ω电阻、1个5Ω电阻）、24 V学生电源、秒表、开关等混联，把3张规格为Bcw1-678的测温贴片分别贴在3个水泥定值电阻的表面，如图5所示。

电阻通电后电阻的温度升高，电阻表面的测温贴片会随电阻温度的变化而变色，从而判断电阻温度升高的幅度，推测出电阻通电产生热量的多少。

实验演示：

探究电热与电流的关系：

闭合开关通电，比较水泥电阻R2和R3上的测温贴片颜色变化程度（R2＝R3＝10 Ω）。我们发现：R3上的测温贴片颜色依次变为黄、绿、红；R2上的测温贴片颜色几乎没有变化，仍为白色。

结论：在电阻和通电时间相同时，通过导体的电流越大，产生的热量越多。

探究电热与电阻的关系：

闭合开关通电，比较R1和R2上的测温贴片颜色变化程度（R1＝5 Ω，R2＝10 Ω）。我们发现：R2上的测温贴片颜色变黄变绿；R1的测温贴片颜色几乎没有变化，仍为白色。

结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。

麦克斯韦曾说：“一项演示实验使用的材料越简单，学生就越熟悉，就越想彻底地获得所验证的结果，这种实验的教育价值往往与仪器复杂程度成反比。”改进后的焦耳定律实验装置使实验操作更加简单，缩短了实验时间，实验现象更加明显，方便得出焦耳定律结论，有利于学生理解定律内容。此外，实验器材也容易获取，组装也很简单，还可提高学生的实践能力。