探究焦耳定律的可行性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

宋懷甫

江蘇省無錫市劉潭實(shí)驗(yàn)學(xué)校(214046)

1 制作電熱切割機(jī)，引入電流的熱效應(yīng)

引入新課時(shí)，為了讓學(xué)生看到電流的熱效應(yīng)，同時(shí)為猜想電熱與哪些因素有關(guān)做鋪墊，筆者準(zhǔn)備了1根直徑0.41 mm、長21 cm、電阻約1.5 Ω的鎳鎘合金絲作為實(shí)驗(yàn)電路中的電阻絲；可以用做家庭電路短路實(shí)驗(yàn)的電源，電源電壓12 V。利用鐵架臺(tái)和2根相同銅導(dǎo)線把這根電阻絲橫架在講臺(tái)上，為了便于學(xué)生觀察，把其中1根銅導(dǎo)線的絕緣皮剝掉。電阻絲沒有通電時(shí)，讓學(xué)生觀察合金絲的狀態(tài)，請(qǐng)1個(gè)學(xué)生用手摸一摸合金絲，問學(xué)生：感覺熱不熱？給電阻絲通小電流時(shí)，再讓學(xué)生觀察電阻絲的狀態(tài)，請(qǐng)1個(gè)學(xué)生用手摸一摸電阻絲有何感覺？當(dāng)較大的電流通過電阻絲時(shí)，再讓學(xué)生觀察電阻絲的狀態(tài)。教師提出問題：你們看到了什么？學(xué)生回答：電阻絲熱的發(fā)紅。再讓學(xué)生摸一摸與電阻絲串聯(lián)的裸露銅導(dǎo)線熱不熱？在實(shí)驗(yàn)過程中，教師可以用手機(jī)對(duì)著電阻絲錄像，通過西沃授課助手，發(fā)紅的電阻絲的圖像被清晰地傳送到屏幕上。教師說明：現(xiàn)在的電阻絲就變成了1個(gè)電熱切割機(jī)，可以切割海綿、泡沫板。教師可以演示用這根電阻絲切割泡沫板。教師說明：電流通過電阻時(shí)發(fā)熱的現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。利用電流的熱效應(yīng)工作的裝置叫做電熱器。本節(jié)課我們就來研究電流的熱效應(yīng)、電熱器。

2 用錫箔紙做實(shí)驗(yàn)，為猜想電熱的影響因素提供依據(jù)

為了給學(xué)生創(chuàng)設(shè)猜想的依據(jù)，我們還可以這樣做實(shí)驗(yàn)。把香煙盒上或口香糖上的錫箔紙剪成如圖2所示的形狀，先用4節(jié)電池串聯(lián)作電源，給錫箔紙通小電流，讓學(xué)生觀察錫箔紙的狀態(tài)，用手摸一摸錫箔紙熱不熱；再用12 V的電源給錫箔紙供電，大電流通過錫箔紙,會(huì)看到：較細(xì)處的錫箔紙瞬間燃燒，如圖3所示。教師提出問題：在該實(shí)驗(yàn)中，錫箔紙的細(xì)段與粗段長度相同，哪一段電阻大？細(xì)段與粗段，哪一段錫箔紙產(chǎn)生的熱量多？學(xué)生回答：細(xì)段電阻大，細(xì)段錫箔紙產(chǎn)生的熱量多。

在引入實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師提出問題：通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量多少與哪些因素有關(guān)？學(xué)生很容易提出猜想：通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與導(dǎo)體的電流、電阻和通電時(shí)間都有關(guān)。教師說明：同學(xué)們有這樣的生活經(jīng)驗(yàn)，用電熱水壺?zé)畷r(shí)，電熱水壺通電時(shí)間越長，產(chǎn)生的熱量越多。通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與時(shí)間的關(guān)系，本節(jié)課不再進(jìn)行探究。教師提出問題：探究電熱與電流和電阻的關(guān)系時(shí)，我們要用什么方法？學(xué)生回答：要用控制變量法。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究電熱的影響因素

在學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師可以提出問題：探究電熱與電阻的關(guān)系時(shí)，我們要選擇怎樣的2個(gè)電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？這2個(gè)電阻怎么連接？學(xué)生回答：選擇2個(gè)不同的電阻進(jìn)行串聯(lián)連接。教師追問：2個(gè)電阻為什么要串聯(lián)？學(xué)生回答：是為了控制電流相同。教師說明：實(shí)驗(yàn)中要改變電阻的電流，還要測量電路中的電流不超過2 A，還需要什么器材？學(xué)生回答：還需要串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器來改變電阻的電流，用電流表來測量電路中的電流。請(qǐng)學(xué)生畫出電路圖，如圖4所示。

教師利用圖4提出問題：電阻絲產(chǎn)生熱量的多少怎么比較？學(xué)生可能會(huì)回答：用溫度計(jì)直接測量。教師提出問題：溫度計(jì)的玻璃泡與電阻絲能充分接觸嗎？學(xué)生回答：不能。教師說明：用溫度計(jì)直接測量電阻絲的溫度方案不可行，能否考慮用轉(zhuǎn)換法呢？教師啟發(fā)：前面我們是怎樣比較質(zhì)量相等的不同燃料完全燃燒放出熱量的多少的？學(xué)生回答：用燃料燃燒加熱水，根據(jù)水升高的溫度來比較燃料燃燒放出熱量的多少。教師提問：現(xiàn)在你能比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少嗎？學(xué)生回答：用電阻絲加熱水，根據(jù)水升高的溫度來比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少。教師追問：實(shí)驗(yàn)中為了使液體的溫度迅速升高，用電阻絲加熱比熱容大的水還是比熱容小的植物油？學(xué)生回答：植物油。教師提問：實(shí)驗(yàn)中要控制植物油的什么相同？學(xué)生回答：植物油的質(zhì)量和初溫要相同，裝植物油的容器相同。教師說明：為了減少散熱，我們把植物油放在保溫容器中進(jìn)行加熱。

4 制作器材，探究電熱的影響因素

教師在課前準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材：直徑0.2 mm的鎳鎘電阻絲，測量出電阻絲的電阻率，截取合適長度。考慮到要把電阻絲固定在金屬桿上，實(shí)驗(yàn)中把電阻絲截成9 cm(約2 Ω)、16 cm(約4 Ω)、 11 cm(約2.5 Ω)、21 cm(約5 Ω)4種長度，緊密地繞在圓珠筆芯上，兩端做成圓弧形。然后固定在金屬桿的底端，如圖5所示。電阻絲、溫度計(jì)、底端為圓形的攪拌器固定在盒蓋上，在保溫容器內(nèi)倒入質(zhì)量相等的植物油(液面高度均為9 cm)，這樣實(shí)驗(yàn)儀器就制作好了，如圖6所示。

教師請(qǐng)1個(gè)學(xué)生在PPT上把電路實(shí)物圖連接好。然后讓學(xué)生根據(jù)實(shí)物圖連接好電路(建議連接電路時(shí)兩端用帶有鱷魚夾的導(dǎo)線進(jìn)行連接，這樣不會(huì)損壞自制的電阻絲)，教師把實(shí)驗(yàn)步驟用PPT呈現(xiàn)出來。探究電熱與電阻的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)連接好電路，讀出2個(gè)容器中液體的溫度t1，閉合開關(guān)，電流調(diào)為2 A，開始計(jì)時(shí)；

(2)加熱2 min后，同時(shí)讀出2個(gè)容器中液體的溫度t2,算出液體升高的溫度Δt。

(1)假設(shè)一棟樓一共有n層(n=10,20,30...)，每層樓有m戶人居住，每戶每天平均乘坐電梯的人數(shù)是3個(gè)人，每人平均每天乘坐2次，則每層乘坐電梯的人數(shù)為6m；

分組實(shí)驗(yàn)前，教師一定要給組內(nèi)學(xué)生分好任務(wù)：1個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，2個(gè)學(xué)生各負(fù)責(zé)觀察1個(gè)溫度計(jì)，并用攪拌器上下輕輕地?cái)嚢?；還有1個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電流和記錄數(shù)據(jù)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以巡視并進(jìn)行指導(dǎo)。用西沃授課助手的手機(jī)拍照上傳功能，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拍照并上傳。表1是筆者在課堂上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1

然后請(qǐng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，歸納并交流實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電流和通電時(shí)間相同時(shí)，電阻越大，通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量越多。

探究電熱與電流的關(guān)系時(shí)，教師提問：怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究電熱與電流的關(guān)系？學(xué)生回答：保持電阻一定，可以用1個(gè)電阻絲加熱液體，用滑動(dòng)變阻器改變電阻中的電流，只要在剛才的電路中拆下1個(gè)電阻絲即可。教師說明：為了縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，拆下1個(gè)小電阻。探究電熱與電流的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)連接好電路，閉合開關(guān)，電流調(diào)為1 A，然后開始計(jì)時(shí)，并讀出初溫t1，加熱1 min，讀出末溫t2；

(2)再把電流調(diào)為2 A，然后開始計(jì)時(shí)，并讀出初溫t1，加熱1 min，讀出末溫t2；

(3)分別計(jì)算出植物油升高的溫度。

表2是筆者在課堂上獲取的學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2

教師讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納并交流實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電阻和通電時(shí)間相同時(shí)，電流越大，通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量越多。

5 探究電熱的影響因素深度思維

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思維：探究電熱與電流的關(guān)系時(shí)，用2個(gè)相同的電阻同時(shí)加熱植物油，要使2個(gè)相同的電阻中通過的電流不同，你準(zhǔn)備怎樣設(shè)計(jì)電路？學(xué)生設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

教師提出問題：用該實(shí)驗(yàn)方案探究電熱與電流的關(guān)系比用1個(gè)電阻探究電熱與電阻的關(guān)系有什么優(yōu)點(diǎn)？學(xué)生回答：用2個(gè)電阻同時(shí)加熱液體，便于觀察比較液體溫度的變化，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

課后根據(jù)電路圖7，連接好電路。閉合開關(guān)，電流調(diào)到2 A，加熱1 min，測量了一組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3

課堂教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了動(dòng)手、體驗(yàn)、探究、推理的機(jī)會(huì)，教師要千方百計(jì)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，吃苦耐勞地準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，盡管這個(gè)過程很艱辛，然而只有這樣，學(xué)生才能深入學(xué)習(xí)情境，理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。