《探究：電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》實驗方案及裝置的改進

摘 要：九年義務(wù)教育教科書北師大版9年級《物理》，第十三章第四節(jié)《探究——電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》。按照教材中的實驗方案和裝置進行實驗只能得出定性結(jié)論，不能得出定量結(jié)論，效果一般。并且所用實驗器材多，操作不方便、難度大，費時、復(fù)雜、學(xué)生觀看不直觀；不能連續(xù)或重復(fù)進行實驗。加熱時間長，學(xué)生注意力容易分散，不利于組織課堂教學(xué)。我改進后的實驗方案和裝置所用電路簡單，實驗器材少，操作方便，實驗的難度小，省時、簡單、直觀明了、對比性好；能連續(xù)或重復(fù)進行實驗，有利于組織課堂教學(xué)，進行科學(xué)探究。改進后在允許的誤差范圍內(nèi)可以得出定量結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電流的熱效應(yīng)；實驗方案；改進

我改進的實驗是九年義務(wù)教育教科書北師大版9年級《物理》，第十三章第四節(jié)《探究：電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》。

【實驗?zāi)康摹孔寣W(xué)生通過實驗探究，找出電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)。

【教材中實驗方案】利用電流的熱效應(yīng)加熱質(zhì)量相同的同種液體，通過液體溫度的升高情況判斷通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少。

在多年的教學(xué)實踐過程中，此實驗只能得出定性結(jié)論，不能得出定量結(jié)論，效果一般。在實驗中還有以下問題和不足：

第一，上課時一般選用取材方便的水做實驗，由于水的比熱容較大，在吸收熱量時溫度升高十分緩慢，導(dǎo)致實驗時間較長。如果上課用比熱容較小的其他液體，如煤油、植物油、酒精等，不僅存在取材不方便、成本高，也同樣存在溫度升高慢、實驗耗時長的問題。實驗時間長容易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散，不利于組織課堂教學(xué)。

第二，為了探究電流的熱效應(yīng)與電阻以及電流的關(guān)系，實驗中采用控制變量法進行探究，需要分兩次進行實驗。在探究完電流的熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系后，如果不更換瓶中液體，要等待兩只燒瓶內(nèi)液體的溫度降到相同溫度，然后改變電流的大小才能繼續(xù)進行探究電流的熱效應(yīng)與電流的關(guān)系。但是燒瓶中的液體降溫過程相比升溫過程要更加緩慢，需要經(jīng)歷較長時間兩只燒瓶內(nèi)液體的溫度才能一致，不便于連續(xù)或重復(fù)進行實驗，并且在實驗過程中更換液體也比較麻煩。

第三，按照教材進行實驗探究所用電路復(fù)雜，實驗器材多，操作不方便，實驗的難度大。

針對以上問題，我對該實驗方案和裝置做了相應(yīng)的改進。

【實驗方案】利用電流的熱效應(yīng)加熱質(zhì)量相同的空氣，通過比較受熱膨脹的空氣使染成紅色的水在細玻璃管中升高的情況，判斷通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少。改進后在允許的誤差范圍內(nèi)可以定量地得出：電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時間成正比，即焦耳定律。

【實驗設(shè)計思想】空氣的比熱容小，升溫、降溫快?？諝獾臒崤蛎浵禂?shù)大，靈敏度高，操作方便，實驗現(xiàn)象明顯，可見度大，效果好。實驗時染成紅色的水在細玻璃管中升高的情況直觀、明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前，對比性好。

【實驗裝置】如下圖所示。

【實驗操作步驟】

a. 先利用投影或輔助黑板介紹改進后的裝置，說明實驗?zāi)康募把芯繉ο蟆?/p>

b. 用量筒向形狀、規(guī)格相同的兩瓶中分別加入適量的等體積的染成紅色的水，電阻絲不接觸水，保證吸熱物質(zhì)主要是空氣。

c. 探究電流的熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系：按圖甲組裝、連接實物并檢查線路。引導(dǎo)學(xué)生分析，左邊瓶中電阻絲電阻為nR，右邊瓶中電阻絲電阻為R。整個電路串聯(lián)保證了電路中電流相等，通電時間相等。閉合開關(guān)給空氣加熱，指導(dǎo)學(xué)生觀察染成紅色的水在細玻璃管中升高的情況（在細玻璃管側(cè)粘貼有帶刻度的紙標(biāo)尺），可以看到，當(dāng)電路中的電流及通電時間相同時，左邊瓶中染成紅色的水在細玻璃管中上升的高度是右邊瓶中染成紅色的水在細玻璃管中上升高度的n倍，即左邊瓶中電流產(chǎn)生的熱量是右邊瓶中的n倍，表明在電流大小和通電時間相同的條件下，電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟導(dǎo)體的電阻成正比。

d. 探究電流的熱效應(yīng)與電流的關(guān)系：按圖乙組裝、連接實物并檢查線路。引導(dǎo)學(xué)生分析，右邊瓶里與瓶外n個等值電阻絲（R，n個R）并聯(lián)后與左邊瓶中電阻絲（R）串聯(lián)，根據(jù)串并聯(lián)電路特點可知，通過右邊瓶中電阻絲的電流是通過左邊瓶中電阻絲電流的1/（n+1）。閉合開關(guān)給空氣加熱，指導(dǎo)學(xué)生觀察染成紅色的水在細玻璃管中升高的情況，可以看到，當(dāng)電阻相等、通電時間相同時，右邊瓶中染成紅色的水在細玻璃管中上升的高度是左邊瓶中染成紅色的水在細玻璃管中上升高度的1/（n+1）2，即左邊瓶中電流產(chǎn)生的熱量是右邊瓶中的（n+1）2倍，表明在電阻和通電時間相同的條件下，電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比。

在做甲、乙兩次實驗過程中，分析其中任意一瓶中染成紅色的水在細玻璃管中上升的情況，都可以看出通電時間越長，液柱上升越高，因此可以得知電流熱效應(yīng)與通電時間成正比。通過上述多次實驗，在允許的誤差范圍內(nèi)便可以定量地得出焦耳定律。

【實驗的優(yōu)點】

1. 用空氣作為吸熱物質(zhì)，空氣的比熱容小，升溫、降溫快。加熱時間短，實驗時間短。能連續(xù)或重復(fù)進行實驗，有利于組織課堂教學(xué)。

2. 空氣的熱膨脹系數(shù)大，靈敏度高，實驗現(xiàn)象更為明顯。

3. 實驗過程中，染成紅色的水在玻璃管中上升的情況，直觀、明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前，增大了可見度，對比性好，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生進行科學(xué)探究的興趣。

4. 所用電路簡單，實驗器材少，操作方便，降低了實驗的難度。

5. 在允許的誤差范圍內(nèi)可以定量地得出焦耳定律的具體內(nèi)容。

【注意事項】

1. 橡膠塞要塞緊，玻璃管管口要插入液面下一定深度，確保良好的氣密性。

塞緊橡膠塞時，瓶內(nèi)氣體壓強會大于外面大氣壓強，氣壓差會使染成紅色的水在細玻璃管內(nèi)上升到一定的高度。可在橡膠塞上多打個孔，并插上帶半截橡膠管的細玻璃管，橡膠管用夾子夾住，實驗前打開夾子，使瓶內(nèi)外氣體壓強相等，消除實驗前瓶內(nèi)外氣體壓強差對實驗的影響，然后用夾子夾住橡膠管保證裝置的氣密性。這時玻璃管里的液面在同一水平線上。燒瓶內(nèi)作為吸熱物質(zhì)的空氣的體積、質(zhì)量也是相等的。

2. 電阻絲不要觸及染成紅色的水，保證吸熱物質(zhì)主要是空氣。

3. 要注意避免電阻絲觸及燒瓶及玻璃管，在制作穿孔時，孔的尺寸要適中，以保證良好的氣密性。

作者簡介：

郭秉柏，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市靖遠縣第六中學(xué)。