質(zhì)疑用“點燃法”演示焦耳定律的合理性*

胡 波

(蘇州市工業(yè)園區(qū)星海實驗中學 江蘇 蘇州 215021)

題目：(2005年山東省青島市中考物理試卷中第14題)將兩電熱絲R1,R2串聯(lián)起來，接在電路中．如圖1所示，若R1>R2，則先被點燃的火柴是

A．電熱絲R1上的火柴

B．電熱絲R2上的火柴

C．兩電熱絲上的火柴同時被點燃

D．無法確定

圖1

本題給出的答案是A．解題思路大體為：根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，在電流和通電時間一定時，電阻越大產(chǎn)生的熱量越多，則溫度就越高．朔本求源，此命題來自于當時教材[1]上的演示實驗，且在當時教材的配套教參光盤里還有此實驗的視頻材料，實驗裝置如圖2．

圖2 實驗裝置

焦耳定律中，影響電流產(chǎn)生熱量的變量只有3個：電流的大小、通電時間和導體的電阻值，所以不管導體的材料、長短、粗細、形狀如何，當電流和通電時間相同時，電流通過電阻大的導體產(chǎn)生的熱量就多，這一點毋庸置疑，可是產(chǎn)生的熱量越多電熱絲溫度就越高嗎？下面筆者將從理論和實驗兩個方面進行分析．

1 理論分析

若不考慮熱量的散失，電流通過電熱絲產(chǎn)生的熱量全部被電熱絲自身吸收，則

2 根據(jù)理論推導的公式進行實驗分析

實驗一：如圖3，將直徑都是0.3 mm的長1 m的鎳鉻絲(阻值約6 Ω)和長1 m的錳銅絲(阻值約3 Ω)，R鎳>R錳，拉直后釘在木板上，為了盡量減少熱量損失，用相同的塑料管套在兩條電熱絲上．將兩條電熱絲串聯(lián)后接上電源，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電流為1 A．約0.5 min，套在鎳鉻絲上的塑料管先開始熔化．

圖3 串聯(lián)的兩根電熱絲通電升溫實驗

實驗二：改用直徑都是0.3 mm的長0.5 m的鎳鉻絲(阻值約3 Ω)與長2 m的錳銅絲(阻值約6 Ω)做相同的實驗，請注意：這次R鎳

兩組實驗具體數(shù)據(jù)如表1和表2．

表1 實驗一實驗數(shù)據(jù)

表2 實驗二實驗數(shù)據(jù)

實驗一和實驗二兩次對比試驗充分說明在橫截面積相同的情況下，電熱絲升高的溫度只取決于電熱絲的材料，而并不取決于電熱絲的阻值．

(2)相同材料的電熱絲，不論電阻的大小如何，總是橫截面積小的溫度升高得多．具體實驗及分析如下.

實驗三：將長1 m直徑0.3 mm的鎳鉻絲(阻值約6 Ω)與長1 m直徑0.5 mm的鎳鉻絲(阻值約2 Ω)串聯(lián)，分別套上相同的塑料管通電后，套在直徑為0.3 mm鎳鉻絲上的塑料管先開始熔化．

實驗四：將長2 m直徑0.5 mm的鎳鉻絲(阻值約4 Ω)與長20 cm直徑0.3 mm的鎳鉻絲(阻值約1 Ω)串聯(lián)，通電后還是套在直徑為0.3 mm鎳鉻絲上的塑料管先開始熔化．兩次實驗數(shù)據(jù)如表3和表4.

表3 實驗三實驗數(shù)據(jù)

表4 實驗四實驗數(shù)據(jù)

實驗三和實驗四說明相同材料的電熱絲，不論電阻的大小如何，總是橫截面積小的溫度升高得多．

(3)相同材料，同樣粗細的電熱絲，不論電阻大小如何，溫度的升高總是相同的．具體實驗及分析如下.

實驗五：將直徑都為0.3 mm，長0.3 m和長0.7 m的鎳鉻絲分別套上相同的塑料管串聯(lián)在電路中(兩段電熱絲的電阻不相等)，通電后，可以看到塑料管同時開始熔化．

表5 實驗五實驗數(shù)據(jù)

實驗五表明：相同材料，同樣粗細的電熱絲，溫度的升高總是相同的．

當時教材的配套教參光盤視頻呈現(xiàn)的在通過電熱絲電流大小和通電時間相同時，之所以插入大電阻電熱絲的火柴先燃燒，結(jié)合以上的分析和實驗，筆者認為是以下三個原因.

第二種情況是同種材料的電熱絲，總是細的溫度升高的多．大電阻的電熱絲較細，小電阻的電熱絲較粗．

第三種情況與本次理論及實驗得到的結(jié)論無關，可能選用的兩個電熱絲是相同粗細同種材料制成的，但由于實際實驗操作中熱量損失不同導致．比如小電阻電熱絲排列較松，熱量容易散失到空氣中，而大電阻電熱絲排列較緊，不易散熱，所以溫度上升得快．

3 結(jié)語

綜合上面的理論分析和實驗驗證，筆者認為用“點燃法”來呈現(xiàn)焦耳定律的實驗現(xiàn)象是不合理的，據(jù)此考察學生對電熱與電阻關系的理解這一命題思路也是值得商榷的．

1 劉炳昇，等.物理(九年級下冊).南京：江蘇科學技術出版社，2005