再論焦耳定律實驗的改進與創(chuàng)新

焦耳定律實驗是學生學習電流熱效應的定性過程，描述電流流過導體產生熱量的基本規(guī)律，做好演示實驗是理解焦耳定律的關鍵，從定性表述的規(guī)律過渡到焦耳定律的定量關系的體驗過程。下面筆者就大家常做的幾種焦耳定律實驗設計進行探討并對該實驗改進創(chuàng)新，以供大家參考。

一、舊版人教版的焦耳實驗

上圖是初中物理人教版九年級第十八章四節(jié)《電與熱》中“探究影響電熱的的因素”的實驗裝置圖。根據教材對實驗設計實驗步驟如下。

1.甲瓶與乙瓶相連，（甲電阻大于乙電阻）連接成串聯電路，接通電路一段時間，通過玻璃管中的液體上升的高度來進行比較兩瓶中煤油哪個溫度上升得高。實驗結果是：甲瓶中煤油溫度上升得高。這表明通過的電流和通電的時間相同，電阻越大，電流產生的熱量越多。

2.待兩支玻璃管中的液柱降回到原來相同的高度后，調節(jié)滑動變阻器，增大電流，重做上面的實驗，通電時間和前次時間相同，在這兩次實驗中，比較甲瓶（或乙瓶）中的煤油溫度哪次上升得高。在第二次實驗中電阻和通電時間相同時，瓶中煤油溫度上升得高。這表明電流越大，電流產生的熱量越多。

3.實驗表明，在電阻和通電電流大小不變時，通電時間越長，瓶中的煤油溫度上升得越高，電流產生的熱量越多。

該實驗的不足變現在一下幾方面。

1.實驗所需時間過長：第一步探究得出“電阻大產生熱量多”的結論后，要等到玻璃管中液柱回到原來的高度后，才能做第二次實驗，中間等待的時間較長，直接影響后面的教學內容不能按時完成。

2.實驗的科學性目標不明確：溫度的變化是通過玻璃管里液體的高度來顯示。由于氣壓的關系玻璃瓶里液體就會向外溢出，玻璃管中液柱上升的高度跟玻璃瓶里的氣壓大小有著直接的關系，如果要想比較精確地得出電流的熱效應與電阻的關系不太現實，因為要受到實驗裝置的氣密性，玻璃管里液體上升的刻度精度，瓶里液體材料的選取，量的多少等條件的制約，所以說該實驗只能作為表述性的定性理解焦耳定律，而不能作為通過實驗定量分析得出焦耳定律。有些教師想通過該實驗總結推導出焦耳定律，筆者認為是不可取的。

3.該實驗裝置可操作性較低：據了解大多的農村中學實驗室都沒有配備該成套實驗，只有配備有一些實驗材料如：煤油、平底燒瓶（個體太?。⒉ＡЧ?、電阻絲等。教師在組裝實驗裝置進行實驗時感覺不是很理想，特別是安放電阻絲這一環(huán)節(jié)，電阻絲阻值的穩(wěn)定性較差。

4.可見度不高：書上提供的演示設備是放在講桌或者實驗桌上的，坐在前面的幾位學生可以勉強觀察，后面的學生根本觀察不到示數的變化。該實驗裝置比較復雜，顯示速度慢，可見度小，耗時長。

二、新版人教版的焦耳實驗

1.改裝后的優(yōu)點：可見度大，用U型管中裝入紅墨水的液柱，后襯上漆白漆的刻度板，紅白相襯非常清晰。直觀性強，U型管的液柱升降幾格，歷歷可數，容易對比。節(jié)省實驗時間，每做一次，只需一二分鐘即可顯示出來，提高教學效率。操作方便，做實驗前只要將橡皮管稍作調整就可以使，U型管的液柱保持水平，接通電源就可以開始進行實驗。

2.改裝后的缺點：電阻絲電阻的大小、電流的強弱不能讓學生直觀感受到，只能由教師告訴學生，難以使學生信服。調整橡皮管使U型管的液柱回歸保持水平工作精細不易進行。由于該成套設備是塑料制品，年長月久自然老化，氣密性能降低，實驗效果不理想。

筆者通過思考認為對該實驗可作如下改進，可以一次完成演示過程，且實驗現象非常明顯，可對比性強，也節(jié)省演示時間。

三、對焦耳定律實驗的再次改進

（一）改進實驗過程

在電阻絲上下功夫，找來2MM*10MM*100MM的銅片三塊，在銅片上均勻打出直徑2MM的小凹坑。對電阻絲涂上絕緣漆，將其有序纏繞在銅片上，小凹坑露出在外。根據實驗需要電阻值的大小纏繞相應的電阻絲長度，制作一個電阻接線座，將包好電阻絲的銅片固定在接線座上，一個帶有凹坑的發(fā)熱體元件制作完畢。

完成焦耳定律還需：凡士林、火柴棒、可調電源、演示電流表、導線、開關、鐘表。

（二）演示實驗

將電阻絲接線座、演示電流表、鐘表分別固定在制作的接線板上，放置于學生的正面，電阻絲接線座帶有凹坑的一面朝下。按實驗的要求連接好電路，在電阻絲接線座上有凹坑的地方涂抹上凡士林，然后用火柴頭放在凹坑處，讓火柴棒以懸掛的方式黏在電阻絲接線座下。調節(jié)電源，接通電路，開始實驗。我們可以通過接線板上的演示電流表知道通過電阻絲電流的大小，鐘表指針的走動知道通電的時間，探究電阻的大小、通過電阻絲電流的大小、通電時間的長短與電流的熱效應究竟什么關系。由于電流的熱效應我們可以直觀地看到涂抹上凡士林的銅片在電阻絲的加熱下，溫度漸漸升高，凡士林慢慢被融化，黏性降低，火柴棒受重力原因，不時掉落。火柴棒掉落時的快慢、多少，學生很容易把它與電阻絲發(fā)熱的多少進行聯系比較，從而總結出影響電流的熱效應的因數，引導出焦耳定律及其計算公式。

（三）改進后的實驗優(yōu)點

1.該實驗可操作性高，對比性強，好控制變量。學生易于理解接受，對知識的遷移有很好的引導功能。

2.改進后的實驗用火柴棒的掉落情況來直接反映出發(fā)熱的多少，比玻璃管中液柱上升的高度反映發(fā)熱的多少更具有趣味性和可觀性，從而激發(fā)學生的實驗學習積極性。

3.該實驗在制作上工藝簡單，易于掌握，材料方便購買，資金不多。他主要克服先前的教具材質的老化破損，教具不易組裝等原因導致實驗成功率下降的問題；拋棄先前一直利用的玻璃管中液柱上升的高度反映發(fā)熱的多少的思考方式，突破思維定式的枷鎖。

4.該實驗由于不再受氣密性，液柱的可見度的影響，他更能適應于在不同的地區(qū)環(huán)境的教學使用，很容易在45分鐘內完成教學任務。