也談焦耳定律實驗裝置的改進

楊澍辰

(常州市實驗初級中學,江蘇 常州 213000)

1 教材上的實驗裝置及其不足

圖1 教材實驗裝置

在蘇科版(2013版)九年級下冊電功和電熱第3節(jié)中,探究影響電流熱效應的因素(即焦耳定律,以下簡稱焦耳定律)實驗中,用到了如圖1裝置．將一段電阻絲浸沒在一定質量的煤油中,通電后,可以通過溫度計測得的液體溫度變化來比較電阻絲產生熱量的多少．

在實際教學中,筆者用教材上的實驗裝置進行過演示實驗,但是效果并不理想,問題如下.

(1) 器材準備麻煩．本實驗需要煤油較多,如果班級較多,還需準備雙份甚至更多,以防不同教師上課時間沖突．把溫度計以及電阻絲穿過膠木塞也并不那么簡單．

(2) 實驗時間長．實驗中考慮到煤油比熱容小,升溫快,但是煤油質量也確實不小,電阻絲發(fā)熱功率又不可能很大,再加上在本節(jié)內容是都是在冬天講授,氣溫低,所以煤油升溫慢．此外,在探究產生熱量與電流大小的關系時,需要改變電流大小重復實驗,還需等煤油降到室溫后再進行實驗．因此,實驗時間很長,經常出現一節(jié)課連實驗都做不完的尷尬局面,而且實驗連貫性差,學生注意力容易分散,不利于學生建立知識結構．

(3) 演示效果不明顯．演示實驗的關鍵是學生能明顯觀察到實驗現象．而本實驗的觀察對象是溫度計的示數,只有坐在器材前的學生能看清示數,后排學生完全觀察不到溫度計示數．所以,對于絕大部分學生來說,這是一個無效的實驗．

(4) 煤油味道重,破壞教學環(huán)境．

2 實驗裝置的改進

筆者的改進思路是:將一段電阻絲纏繞在溫度計的玻璃泡上,電阻絲通電后,產生熱量,使溫度計示數快速升高．通過比較溫度計示數的變化,來比較電阻絲產生熱量的多少．

下面,將從材料、器材制作方法、實驗方案和裝置圖以及實驗效果等方面,介紹改進的實驗裝置．

2.1 實驗材料

4節(jié)新干電池(或6 V學生電源)、電池盒、2支水銀溫度計、2根不同長度的電阻絲(Φ=0.3 mm的鎳鉻合金絲,1根7.5 cm左右,1根15 cm左右)、1只電流表、1只滑動變阻器、1只開關、導線若干．

2.2 實驗器材制作方法

圖2 改進的實驗裝置

(1) 將兩根電阻絲分別纏繞在兩支溫度計的玻璃泡上,繞成線圈的形狀,如圖2,短的那根繞3圈,長的那根繞6圈．使電阻絲盡可能地貼緊溫度計玻璃泡表面．但相鄰兩圈不能接觸,以防短路．至此,實驗器材就已經基本制作完畢．

(2) 為了方便學生做實驗,不妨取下繞好的電阻絲固定在底座上,標注電阻名稱(如R1、R2)及大小關系．在固定時,需考慮是否牢固、底座的導熱性、用膠水固定時是否會熔化等問題．本人以學生墊板為底座,用502膠水把電阻絲固定在墊板上,在墊板上用記號筆標注電阻名稱及大小關系．

2.3 實驗方案和裝置圖

2.3.1 探究產生熱量Q與電流大小I的關系

圖3

(1) 利用一個電阻絲,把溫度計玻璃泡插入繞好的電阻絲線圈內．電阻絲與滑動變阻器串聯,如圖3,調節(jié)到一個合適的電流大小,通電一定時間(如30 s、60 s等),記錄溫度計示數．

(2) 待溫度計示數回到室溫后(也可直接使用另一支溫度計),通過滑動變阻器改變電路中的電流大小,通電相同時間后,記錄溫度計示數．

(3) 比較兩次溫度計升高示數與電流大小的關系,得出結論．

2.3.2 探究產生熱量Q與電阻大小R的關系

圖4

(1) 將兩支溫度計分別插入兩個繞好的電阻絲線圈內,將兩個電阻線圈和滑動變阻器串聯,如圖4,通電一段時間,每隔30 s記錄一次兩支溫度計示數,90 s后停止實驗．

(2) 比較兩次溫度計升高示數與電阻大小的關系,得出結論．

2.4 實驗效果

在上課時,筆者給學生繞制的電阻絲分是R1繞3圈,R2繞6圈,即R2=2R1．表1是學生利用改進的裝置真實測得的實驗數據.

表1 實驗數據記錄表

比較1、2兩組數據,可以看出,在電阻和通電時間相同的情況下,電流越大,升高溫度越多,即產生熱量越多;比較1、3兩組數據,可以看出,在電流大小和通電時間相同的情況下,電阻越大,升高溫度越多,即產生熱量越多．綜合以上,可以得出產生熱量與電流大小和電阻大小的定性關系,能夠達成通過實驗探究知道通電導體產生熱量與哪些因素有關的教學目標．

3 改進后的優(yōu)點及教學效果

(1) 器材簡單易制作．器材除了電阻絲以外,其他都是常用電學實驗儀器,而電阻絲一般學校為了探究影響導體電阻大小因素,也會有儲備．因此實驗材料不難找到．制作成線圈形狀也很簡單,若教師能提前準備好長短不同的兩根電阻絲的話,可以讓學生制作．

(2) 實驗時間短．由于溫度計直接測量電阻絲的溫度,所以溫度上升很快．筆者測量過,在探究產生熱量與電阻關系時,電阻較大的電阻絲溫度升高20 ℃只需要90s．從連線到獲得數據,整個實驗時間不會超過15min．這樣就能讓完成教學任務成為可能,提高了課堂效率．

(3) 可進行分組實驗．器材簡單,操作也很方便,學生可以明顯觀察到溫度計示數升高快慢的不同．不僅如此,此套裝置使用很安全,不會對學生造成傷害．因此,可以利用此套裝置進行學生分組實驗．學生通過動手實驗,觀察現象,增強感性認識,有助于對焦耳定律的理解．同時還能提高學生的動手能力,增強分工合作意識．

(4) 有助于學生得出定量關系．初中階段,只要求學生能通過探究知道產生熱量與電流大小、電阻大小和通電時間的定性關系,并不需要學生探究出Q=I2Rt這個定量關系．而仔細觀察上述實驗數據,不難發(fā)現:從1、2兩組數據可以看出,電流變成2倍,升高溫度近似變?yōu)?倍,與焦耳定律中產生熱量與電流平方成正比的結論一致;而從1、3兩組數據可以看出,電阻變?yōu)閮杀?升高溫度也變?yōu)?倍,也與焦耳定律中產生熱量與導體的電阻成正比的結論一致．所以,通過這套裝置有助于學生得出焦耳定律的定量關系．

4 結語

實驗是物理課堂永恒的主題,但是實驗現象不明顯往往困擾我們一線教師．于是,這就需要我們不斷發(fā)現問題,不斷鉆研改進實驗器材及方案,以使得物理實驗更好地服務于課堂教學,更好地促進學生發(fā)展．