利用自制教具對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)的再研究

孫曉兵

摘 要： 焦耳定律是初中物理的重要實(shí)驗(yàn)之一，一直以來(lái)教師們都對(duì)電熱與電阻和電流的關(guān)系進(jìn)行著各種實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的嘗試.從利用電阻絲對(duì)煤油加熱，通過(guò)比較液體溫度的變化來(lái)比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.到用電阻絲給密閉空氣盒內(nèi)的空氣加熱，看U型管中液面的高度差.除了無(wú)法定量研究以外，還出現(xiàn)了由于實(shí)驗(yàn)器材的復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生理解上出現(xiàn)困難.為此，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，嘗試研究電熱與電阻的定量關(guān)系.

關(guān)鍵詞： 自制教具;焦耳定律

焦耳定律是初中物理的重要實(shí)驗(yàn)之一，一直以來(lái)教師們都對(duì)電熱與電阻和電流的關(guān)系進(jìn)行著各種實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的嘗試.從利用電阻絲對(duì)煤油加熱，通過(guò)比較液體溫度的變化來(lái)比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.到用電阻絲給密閉空氣盒內(nèi)的空氣加熱，看U型管中液面的高度差.除了無(wú)法定量研究以外，還出現(xiàn)了由于實(shí)驗(yàn)器材的復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生理解上出現(xiàn)困難.為此，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，嘗試研究電熱與電阻的定量關(guān)系.

1 人教版教材中現(xiàn)有焦耳定律實(shí)驗(yàn)的可改進(jìn)之處

人教版九年級(jí)物理教材中對(duì)于電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了如圖1所示的演示實(shí)驗(yàn).

兩個(gè)透明的容器中密封著等量的空氣，U型管中的液面高度的變化反映密閉空氣溫度的變化.兩個(gè)密閉容器中各有一段阻值不同的電阻絲，兩段電阻絲串聯(lián)起來(lái)接在電源兩端，由于串聯(lián)，所以電流和通電時(shí)間相同，一段時(shí)間后比較兩個(gè)U型管中的液面高度差判斷電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少，存在以下不足.

第一，這套實(shí)驗(yàn)器材中用到橡膠管連接U型管，對(duì)裝置盒的密閉性要求較高，所以實(shí)驗(yàn)的效果并不理想.

第二，這個(gè)裝置只可以定性的表示電熱與電阻的關(guān)系，無(wú)法定量研究.

第三，學(xué)生對(duì)于電熱絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化成空氣受熱膨脹，再轉(zhuǎn)化成U型管中的液面高度差來(lái)判斷電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少會(huì)覺(jué)得比較困難.在實(shí)驗(yàn)裝置的介紹時(shí)就覺(jué)得很復(fù)雜，畢竟進(jìn)行了多次轉(zhuǎn)換，學(xué)生對(duì)這種多次轉(zhuǎn)換問(wèn)題的理解存在著一定的難度.

2 自制教具的設(shè)計(jì)

為了消除學(xué)生的思維障礙，讓學(xué)生對(duì)于電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的理解簡(jiǎn)單一些，筆者設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置.

2.1 探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系

為了能得出定量的結(jié)果，選擇了6個(gè)阻值不同的發(fā)熱電阻串聯(lián)，每個(gè)電阻上放置了一個(gè)較為靈敏的溫度傳感器，傳感器與數(shù)字顯示器連接，直接測(cè)量的是發(fā)熱電阻的溫度，用電阻升高的溫度來(lái)表示電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少.對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程容易接受.溫度的變化直觀，而且能夠得出定量的關(guān)系.三天時(shí)間，做了上百次實(shí)驗(yàn)，其中多數(shù)數(shù)據(jù)比較理想.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也能做出相應(yīng)的圖像.

以幾組數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表1～3）：

由這組數(shù)據(jù)，利excel表格進(jìn)行處理，可以畫(huà)出趨勢(shì)線，如圖3所示.

由這組數(shù)據(jù)，利excel表格進(jìn)行處理，可以畫(huà)出趨勢(shì)線，如圖4所示.

由這組數(shù)據(jù)，利excel表格進(jìn)行處理，可以畫(huà)出趨勢(shì)線，如圖5所示.

大量的數(shù)據(jù)處理后能得出初步結(jié)論：當(dāng)電流和通電時(shí)間一定時(shí)，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電阻成正比.

2.2 探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的關(guān)系

研究電熱與電流的關(guān)系時(shí)，書(shū)上采用的是如圖6的實(shí)驗(yàn)裝置.此裝置的最大優(yōu)點(diǎn)在于電路的設(shè)計(jì)，阻值相同的電阻在同一個(gè)電路中，并且通過(guò)兩個(gè)電阻的電流是倍數(shù)關(guān)系.仿照這樣的設(shè)計(jì)，筆者把實(shí)驗(yàn)的電路也設(shè)計(jì)成電流成倍數(shù)關(guān)系的電路.但是使用了兩個(gè)電路板，分別是電流是2倍和3倍的電路.如圖7和圖8.

當(dāng)電流是2倍關(guān)系時(shí)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4～5：

當(dāng)電流是3倍關(guān)系時(shí)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表6～7：

結(jié)合電阻升高的溫度和電流的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生得出：當(dāng)電阻和通電時(shí)間一定時(shí)，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比.

2.3 探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與時(shí)間的關(guān)系

課本上沒(méi)有明確探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與時(shí)間的關(guān)系，原因也是由于時(shí)間對(duì)電熱的影響學(xué)生們都很熟悉.但是如果是可探究的科學(xué)問(wèn)題，還是需要用數(shù)據(jù)說(shuō)話，讓學(xué)生從簡(jiǎn)單的探究實(shí)驗(yàn)中按照科學(xué)的探究方法，在尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行分析并最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

利用自制教具，只需要保證電阻和電流相同，改變時(shí)間，測(cè)量發(fā)熱電阻的溫度變化就可以了.為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，每次改變時(shí)間的時(shí)候都是等到電阻恢復(fù)到原來(lái)的溫度再進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，時(shí)間花費(fèi)比較長(zhǎng).如圖9所示，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8.

結(jié)合電阻升高的溫度和時(shí)間關(guān)系的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生得出：當(dāng)電阻和電流一定時(shí)，電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與通電時(shí)間成正比.

3 實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

由于是測(cè)量發(fā)熱電阻的溫度，電阻又不是裸露的，所以熱傳遞需要一定的時(shí)間.6個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)，由于電阻較大，需要電源電壓較大，而且時(shí)間略長(zhǎng)，加熱需要60s，還要等待90s才能升高到最高的溫度.而且時(shí)間越長(zhǎng)，誤差也越大.畢竟發(fā)熱電阻與環(huán)境的熱交換也在進(jìn)行.

研究通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的關(guān)系時(shí)，電流差別越大，溫度差也越大，也是由于與環(huán)境的熱交換問(wèn)題會(huì)存在一定的誤差.但是加熱時(shí)間可以比較短，需要30s就可以，等待時(shí)間1分鐘.

研究通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與通電時(shí)間的關(guān)系時(shí)，如果用同一個(gè)電阻做實(shí)驗(yàn)，則需要等待電阻降溫，這個(gè)過(guò)程就更長(zhǎng)了.由于學(xué)生對(duì)這個(gè)問(wèn)題的前認(rèn)知是正確的，又沒(méi)有探究難度，所以一般不在課上進(jìn)行探究.也可以設(shè)計(jì)如圖10的電路，只是這樣的電路又涉及到電阻本身的差異和傳感器的差異問(wèn)題.

綜上，探究電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，除了電流沒(méi)能完成6組數(shù)據(jù)外，其他的都可以做定量的探究，而且消除了學(xué)生的思維障礙，課堂效果顯著.

《義務(wù)教育物理課程課標(biāo)（2011版）》已經(jīng)實(shí)行約六年，基礎(chǔ)教育課程改革已經(jīng)全面啟動(dòng)，以核心素養(yǎng)培養(yǎng)為重點(diǎn)的物理課程改革也已經(jīng)開(kāi)啟，其中明確提出要改變以往單一的教學(xué)模式，倡導(dǎo)學(xué)習(xí)方式多樣化，特別是提倡探究式的學(xué)習(xí)方式.因此，通過(guò)自制教具這種需要?jiǎng)邮?、?dòng)腦、動(dòng)口相結(jié)合的實(shí)踐活動(dòng)來(lái)展開(kāi)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)踐活動(dòng)中去完成自身知識(shí)建構(gòu)，鍛煉動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力.

從培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究性能力這方面來(lái)看，自制教具是一條非常有效的途徑，它能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生有終身學(xué)習(xí)的愿望.另外，利用自制教具不僅可以演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和探究物理規(guī)律，還可以展示各種物理概念和使物理量變得更加直觀、易懂且生動(dòng)有趣，從而加深學(xué)生對(duì)概念的理解和掌握.不管教師還是學(xué)生，大多數(shù)都能充分認(rèn)識(shí)到自制教具對(duì)物理的教學(xué)和對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)以及各方面能力的培養(yǎng)都有很大的幫助，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]羅世灼.加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力[J].佳木斯教育學(xué)報(bào)，2013（1）.

[2]韋淑敏.自制教具在初中物理教學(xué)中的實(shí)踐研究[D].天津：天津師范大學(xué)，2012（3）.

[3]范亞穎.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自制教具開(kāi)發(fā)過(guò)程中的案例研究[D].北京：首都師范大學(xué)，2013.

[4]毛嚇梅.運(yùn)用自制教具提高中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)有效性教學(xué)的研究[D].福建：福建師范大學(xué)，2014（5）.

[5]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）[M].北京：人民教育出版社，2012.