用變色測(cè)溫貼片改進(jìn)焦耳定律實(shí)驗(yàn)

毛遠(yuǎn)飛

摘 要：初中課本中提供的焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)存在一些缺陷，筆者利用可逆型變色測(cè)溫貼片進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，同時(shí)，把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路優(yōu)化整合成一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行比較分析，這個(gè)改進(jìn)使該實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單、直觀、形象，實(shí)驗(yàn)操作更為簡(jiǎn)單，能使學(xué)生加深對(duì)焦耳定律的理解。

關(guān)鍵詞：焦耳定律；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；55 ℃可逆型變色測(cè)溫貼片

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）9-0054-2

電流熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是引出焦耳定律的核心實(shí)驗(yàn)，能為后續(xù)教學(xué)奠定良好的基礎(chǔ)；通過(guò)觀察和分析該實(shí)驗(yàn)，能夠理解影響電流熱效應(yīng)的主要因素；由實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，客觀具體，學(xué)生易于接受，降低了教學(xué)難度。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者對(duì)焦耳定律的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下改進(jìn)。

1 用NCW系列55 ℃可逆型變色測(cè)溫貼片（如圖1）代替加熱煤油或密閉空氣

NCW系列55 ℃可逆型變色測(cè)溫貼片自身帶有不干膠，可牢牢貼在電阻外殼上（如圖2）。當(dāng)溫度超過(guò)測(cè)溫貼片的標(biāo)定溫度55 ℃時(shí)，變色測(cè)溫貼片立即由黑色變成紅色，并在測(cè)溫貼片上顯示該處超過(guò)的溫度值：55℃；冷卻下來(lái)后，測(cè)溫貼片又會(huì)恢復(fù)原來(lái)的黑色，該貼片仍可繼續(xù)使用。我們把它緊貼在電阻外殼上來(lái)演示焦耳定律，當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)，產(chǎn)生的熱量使貼在電阻表面的測(cè)溫貼片溫度升高，達(dá)到55 ℃而變成紅色。電流產(chǎn)生的熱量越多，溫度上升就快，測(cè)溫貼片變成紅色就會(huì)越快，即我們可以通過(guò)測(cè)溫貼片變成紅色的快慢確定產(chǎn)生的熱量的多少。

這樣改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)：（1）該裝置所用材料——可逆型變色測(cè)溫貼片很容易找到。不需要增加平底燒瓶、煤油、電阻絲、溫度計(jì)等裝置，或者增加密封塑料容器、U型管、有色液體等裝置，更不需要考慮液體冷卻或密封性等問(wèn)題。而且制作過(guò)程非常簡(jiǎn)單——只需要緊貼在電阻外殼上就可以了，更加方便、安全。同時(shí)，只要提供幾片可逆型變色測(cè)溫貼片，就可以把演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，從而大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。（2）操作簡(jiǎn)單，用時(shí)短，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。用6 V電壓，該實(shí)驗(yàn)裝置僅需3分鐘左右就可以完成實(shí)驗(yàn)探究。相比較其他實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更能吸引學(xué)生的注意力，實(shí)驗(yàn)效果更佳。（3）更加符合直觀性和簡(jiǎn)單性原則，更加符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。人教版實(shí)驗(yàn)裝置用加熱空氣，空氣膨脹，再轉(zhuǎn)化為液柱升降的高度差；有些版本教材的實(shí)驗(yàn)裝置是：加熱煤油，再用溫度計(jì)示數(shù)顯示產(chǎn)生熱量的多少；還有一些其他的改進(jìn)裝置：如熔斷絲等。這些實(shí)驗(yàn)裝置或改進(jìn)裝置，多次的轉(zhuǎn)換給學(xué)生的認(rèn)知造成障礙，也不符合直觀性和簡(jiǎn)單性原則。

2 書中的實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行

第一步是在電流相同、通電時(shí)間相同的條件下，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量就越多。第二步是在電阻相同、通電時(shí)間相同的條件下，電流越大，電流所產(chǎn)生的熱量就越多。最后推理出通電時(shí)間越長(zhǎng)，電流產(chǎn)生的熱量就越多，從而得出焦耳定律的內(nèi)容。沒(méi)有進(jìn)一步探究電流和電阻對(duì)產(chǎn)生電熱多少的影響的顯著性問(wèn)題。為此，筆者大膽開(kāi)拓實(shí)驗(yàn)思路，把前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化整合，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

第一次實(shí)驗(yàn)的電路圖如圖3，第二次實(shí)驗(yàn)的電路圖如圖4，把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的電路圖優(yōu)化整合成一個(gè)實(shí)驗(yàn)圖如圖5。

圖5中R1的阻值是5 Ω，R2的阻值是10 Ω，兩個(gè)電阻在同一條電流路徑上，所以電流相等，通電時(shí)間相等，滿足第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件。同時(shí)，R2與R3的阻值都是10 Ω，R3與另一個(gè)10 Ω電阻并聯(lián)。根據(jù)并聯(lián)電路電流的規(guī)律，通過(guò)R2的電流等于R3的電流加上與之并聯(lián)的10 Ω電阻的電流，進(jìn)一步分析得出通過(guò)R2的電流值是R3的電流值的2倍。R2的阻值等于R3的阻值，同時(shí)通電時(shí)間相等，滿足第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件。

用學(xué)生電源9 V的電壓，閉合開(kāi)關(guān)，通電30多秒，R2上的可逆型變色測(cè)溫貼片就達(dá)到55 ℃，由黑色變成紅色，R1和R3上的可逆型變色測(cè)溫貼片沒(méi)有變化。這樣就可以根據(jù)R1與R2的現(xiàn)象得出第一個(gè)結(jié)論：電流相同、通電時(shí)間相同的條件下，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量就越多。同時(shí)，根據(jù)R2與R3的現(xiàn)象得出第二個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在電阻相同、通電時(shí)間相同的條件下，電流越大，電流產(chǎn)生的熱量就越多。

到這時(shí)，不要斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)觀察。我們發(fā)現(xiàn)：大約2分30秒時(shí)，R1上的可逆型變色測(cè)溫貼片也達(dá)到了55 ℃，由黑色變成紅色，但是R3上的可逆型變色測(cè)溫貼片還沒(méi)有任何變化。這時(shí)仍然不斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，再繼續(xù)觀察1到2分鐘，R3上的可逆型變色測(cè)溫貼片仍然沒(méi)有變紅。這時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析：R1的阻值是R2的阻值的一半，R3的電流是R2的電流的一半。但是，R1達(dá)到55 ℃的時(shí)間要遠(yuǎn)小于R3達(dá)到55 ℃的時(shí)間，這說(shuō)明什么問(wèn)題呢？學(xué)生很容易想到這是因?yàn)殡娮韬碗娏鲗?duì)產(chǎn)生電熱的影響程度不一樣，進(jìn)一步引導(dǎo)分析可以知道電流對(duì)產(chǎn)生電熱的影響要大一些。這樣就可以從實(shí)驗(yàn)的角度解釋，焦耳定律的表述中是電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量的多少與電流的平方成正比，與其他兩個(gè)因素是不一樣的。

這樣，我們可以總結(jié)出電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與電流、電阻、通電時(shí)間的定性關(guān)系，以及電流對(duì)產(chǎn)生電熱多少的影響要大一些的結(jié)論，從而可以順理成章地推出焦耳定律Q=I2Rt。并通過(guò)數(shù)學(xué)推理進(jìn)一步證明：R1的阻值是R2的阻值的一半，R3的電流是R2的電流的一半，R1產(chǎn)生的電熱是R2產(chǎn)生的電熱的二分之一，而R3產(chǎn)生的電熱是R2產(chǎn)生的電熱的四分之一，即電流對(duì)產(chǎn)生電熱多少的影響要大一些。

這樣改進(jìn)的優(yōu)勢(shì)：（1）可以把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)合并為一個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以同時(shí)得出兩結(jié)論，提高了教與學(xué)的效率。（2）可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力和分析并總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力。（3）在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察能力和綜合分析能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的人文精神、學(xué)習(xí)科學(xué)家實(shí)事求是的精神。（4）進(jìn)一步擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)粗略證明了電流對(duì)產(chǎn)生電熱的影響要大一些，使學(xué)生對(duì)焦耳定律中對(duì)電流的描述有了客觀的認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生對(duì)焦耳定律的深入理解。

參考文獻(xiàn)：

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