焦耳定律演示實驗的探索與改進
2008-04-29 00:00:00朱亞飛黃偉良
物理教學(xué)探討 2008年16期
1 原演示實驗方案（《科學(xué)》教材）
（1）實驗器材
如圖1所示，２只裝有煤油的燒瓶、瓶塞上各插１根玻璃管、燒瓶內(nèi)各裝１根阻值不同的電阻絲、滑動變阻器、電源、電流表、開關(guān)等。
（2）實驗步驟及現(xiàn)象
①將２根電阻絲串聯(lián)在電路中，標(biāo)出２根玻璃管內(nèi)液面的位置。
②閉合開關(guān)，記下電流表的讀數(shù)。
③經(jīng)過一段時間后，標(biāo)出２根玻璃管內(nèi)液面的位置。
④比較２根玻璃管內(nèi)液面變化的情況，可以推測得出：當(dāng)電流相等時，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。
⑤當(dāng)２根玻璃管內(nèi)液面降回到原來的高度后，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，加大電流，再經(jīng)過與第一次相同時間的通電后標(biāo)出２根玻璃管內(nèi)液面的新的位置。
⑥與上次該玻璃管內(nèi)液面上升的高度相比，可以推測得出：當(dāng)電阻相等時，電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。
⑦顯然，通電時間越長，電流所產(chǎn)生的熱量越多。
（3）存在的不足
①在實驗中未能充分體現(xiàn)電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比。
②第一次實驗后等液面降回到原來的位置需等待較長的時間。
③實驗分兩步進行時間較浪費。
④比較不同玻璃管內(nèi)液面的高低變化缺乏強烈的視覺效果，未能充分發(fā)揮通過演示實驗達到的輔助教學(xué)效果。
⑤實驗缺乏足夠的說服力，未能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
2 改進的實驗方案
（1）實驗器材及制作方法
如圖2所示，取內(nèi)徑約4cm長約12cm的透明塑料管三段A、B、C（電工材料商店有售），上下均用鉆有3mm孔的膠塞塞緊，上塞孔內(nèi)各插入一個輸液管直通接頭，外端連接一段玻璃管，長約２5cm；下塞孔內(nèi)，A管也插入輸液管直通接頭，B、C二管各插入一個三通接頭。B管三通接頭的下端，用輸液管與A管的輸液管直通接頭相連。C管三通接頭的下端，用輸液管與軟滴瓶相連。未用管夾時，手捏滴瓶可以控制輸液管中液柱的高度。
截取約300W的電爐絲，取12Ω一段，6Ω三段，如圖2所示進行焊接安裝。各焊接點，應(yīng)先把引線與電阻絲繞緊再點焊才能焊牢。由滴瓶口向A、B、C三管內(nèi)裝滿由紅墨水染紅的酒精（酒精比煤油易于清洗和染色）。整個裝置安裝在一面板上，面板尺寸為40×30cm2，用三合板漆成白底藍邊，豎立在底板上。在三根玻璃管的中間畫上若干條水平刻度線，以便觀察液柱上升情況。電源電壓約24V，交直流均可。
（2）實驗原理
液柱上升高度與吸收的熱量、電阻和通電時間之間的關(guān)系探討。
液體吸收的熱量Q＝cmΔt， （1）
式中c為液體的比熱，m為液體的質(zhì)量，Δt為液體升高的溫度。
液體在加熱過程中體積膨脹
V=V0（1＋αΔt）， （2）式中V0為液體加熱前的體積，a為液體的體積膨脹系數(shù)，Δt為液體的升高溫度。
由（2）式得V－V0＝V0#8226;αΔt。
聯(lián)解得V－V0∝Δt∝Q。 （3）
（3）式表明，液體體積的變化與液體的升高溫度Δt成正比，又由（1）式，對于一定質(zhì)量的液體，m和c是一定的，所以液體體積的變化正比于液體所吸收的熱量。
另一方面，液體所吸收的熱量正是電流通過電阻絲所產(chǎn)生的熱量，忽略熱量損失后，可認(rèn)為它們是相等的。因此，可根據(jù)液柱上升高度的變化（反映的是液體體積的變化），來研究電流通過電阻絲所產(chǎn)生的熱量與電阻絲的電阻、電路的電流、通電時間有什么關(guān)系，通過實驗總結(jié)出焦耳定律。
（3）使用方法
①輕捏軟滴瓶，使三液柱面同在最下一條刻線處，用管夾夾緊A、B、C三管下端。
②閉合開關(guān)，通過A、B二管內(nèi)電阻絲的電流相等，但因A管內(nèi)電阻為B管內(nèi)電阻的二倍，結(jié)果A管液柱升高為B管液柱升高的2倍。這說明電流產(chǎn)生的熱量，與電阻成正比。B、C二管內(nèi)電阻相等，但通過B管內(nèi)電阻絲的電流為通過C管內(nèi)電阻絲的電流的2倍，結(jié)果B管液柱的升高為C管液柱升高的4倍。這說明電流產(chǎn)生的熱量，與電流的平方成正比。
③觀察任一管液柱的升高，可看到在相等的時間內(nèi)，升高的高度相等。這說明電流產(chǎn)生的熱量，與通電時間成正比。
④斷開電源后，松開管夾，則液柱下降，恢復(fù)等高。
