焦耳定律實驗裝置的定量化改進(jìn)

趙小軍

（蘇州工業(yè)園區(qū)第一中學(xué)，江蘇 蘇州 215021）

物理學(xué)是一門高度定量化的學(xué)科，定性分析是前提和方向，定量研究是物理研究的最后歸屬.［1］作為物理學(xué)研究的重要工具，物理實驗體現(xiàn)了“定性分析—定量研究”的基本思想.物理學(xué)習(xí)也要重視物理實驗，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的重要途徑.物理實驗教學(xué)中在定性分析的基礎(chǔ)上，對定性半定量實驗進(jìn)行定量化改進(jìn)，反而可以簡化分析過程.正如愛因斯坦所說的“一切都應(yīng)該盡可能簡單，但不能更簡單.”定量的實驗數(shù)據(jù)能更簡潔精確地揭示物理量之間的關(guān)系.

1 研究背景

1840年，英國物理學(xué)家焦耳研究電能向熱能的轉(zhuǎn)化，通過測量電流通過電阻產(chǎn)生的熱量，得出了焦耳定律，為能量守恒原理的發(fā)現(xiàn)打下了基礎(chǔ).高中物理教材通過討論純電阻電路中的電功，用歐姆定律推導(dǎo)焦耳定律，初中物理教材則通過定性實驗探究焦耳定律.

焦耳定律是一個實驗定律.物理實驗是學(xué)生獲取知識、掌握實驗方法、提高操作能力、培養(yǎng)科學(xué)探究能力的重要手段.人教版的物理9年級第18章第4節(jié)，教師通常結(jié)合教材利用如圖1所示的焦耳定律實驗裝置進(jìn)行演示.該實驗裝置根據(jù)左右兩個獨(dú)立的U 型管中的液面高度差大小定性判斷哪個電阻產(chǎn)生的熱量多.基本原理是兩個電阻通電加熱封閉空氣，空氣受熱膨脹推動U 型管中的液面上升，前后液面高度差越大，證明電阻產(chǎn)生的熱量也越大.在實驗中，可以控制變量觀察電阻阻值、接入電流、通電時間與U 型管中液面高度差變化的關(guān)系，從而判斷幾個物理量與產(chǎn)生熱量的關(guān)系.蘇教版的物理9年級第15章第3節(jié)，首先討論影響電流熱效應(yīng)的因素，然后引入焦耳定律的探究，教材設(shè)計了如圖2的實驗裝置探究電阻絲中的電流大小和電阻阻值大小對產(chǎn)生熱量的影響.通電電阻加熱煤油，煤油中溫度計可以顯示煤油吸收熱量的多少.實驗中通過控制變量法觀察煤油的溫度變化與幾個物理量的關(guān)系探究焦耳定律.教材對焦耳定律實驗的研究一方面讓學(xué)生通過實驗現(xiàn)象了解定律，另一方面也進(jìn)行了半定量的初探.在直觀的定性和半定量研究基礎(chǔ)上再進(jìn)一步地實現(xiàn)定量實驗的改進(jìn)，既可以提高實驗的科學(xué)性，也可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

圖1

圖2

2 焦耳定律實驗分析

作為初中物理中重要的探究實驗，人教版和蘇教版的焦耳定律實驗設(shè)計都有自己的優(yōu)點，也有一些不足，列表進(jìn)行比較可以看出實驗裝置定量化改進(jìn)的方向，如表1.

表1

綜上對實驗裝置的分析，可以優(yōu)化電路設(shè)計，采用數(shù)字儀器讀取數(shù)值，整合相關(guān)功能到一個實驗平臺上，增加開關(guān)完成對實驗中相關(guān)變量（電熱、電流、電阻、時間）的調(diào)節(jié)和讀數(shù)，最終實現(xiàn)對焦耳定律實驗裝置的定量化改進(jìn).

3 實驗裝置的改進(jìn)

新的實驗裝置整體設(shè)計電路如圖3，使用煤油作為熱介質(zhì)，通過按鍵操作實現(xiàn)電路切換改變各變量，用數(shù)字化儀表進(jìn)行測量和顯示數(shù)據(jù).

圖3

制作的實驗裝置如圖4，外置大功率電源供電，用大功率縮短加熱時間，提高實驗效率.平臺的主要材料有電熱絲、數(shù)碼溫度表、數(shù)字電流表、數(shù)字電阻表、電子計時器、可調(diào)電源、數(shù)字電壓表.4只20Ω 電阻串聯(lián)放入熱介質(zhì)中，雙刀雙至開關(guān)實現(xiàn)接通電源或測量電阻阻值，雙刀雙至開關(guān)接通電源后分別單獨(dú)接通S1、S2、S3、S4，接入電路的電阻阻值可以是20Ω、40Ω、60Ω、80Ω，能夠?qū)崿F(xiàn)熱介質(zhì)加熱電阻的改變.為增加實驗可視性，在平臺裝置的上方排布相關(guān)顯示儀器，顯示接入的電阻數(shù)量、電流強(qiáng)度、溫度值、接通時間、電壓值，便于實驗觀察和讀數(shù).調(diào)節(jié)外置大功率電源旋鈕可以調(diào)節(jié)輸入電壓和電流，從而實現(xiàn)電流的改變.

根據(jù)Q=cm（T2-T1）=cmΔT 知道相同液體溫度變化量與吸收的熱量成正比，即Q∝ΔT.因大功率電源加熱時間短，可忽略散熱，因此研究產(chǎn)生的電熱與各相關(guān)物理量的關(guān)系，可轉(zhuǎn)化成研究加熱前后熱介質(zhì)溫度變化量ΔT 與通電電流I、電阻阻值R、通電時間t的關(guān)系.改進(jìn)后的實驗裝置實現(xiàn)了由簡單的定性演示到全面的定量探究.

4 定量實驗

借助改進(jìn)后的實驗裝置，采用控制變量的方式定量探究電熱與電阻中電流、電阻阻值、通電時間之間的關(guān)系.

（1）探究電阻中電流（I=1.0 A）相同的情況下，電阻阻值分別為20Ω、40Ω、60Ω、80Ω 時，溫度變化量ΔT 與電阻中接入電流時間之間的關(guān)系.實驗研究的數(shù)據(jù)及其關(guān)系如表2.

表2 溫度變化量與電阻中接入電流時間之間的關(guān)系

續(xù)表

研究結(jié)論：在電流I、電阻阻值R 一定的情況下，溫度變化量與加熱時間成正比（圖5）.

圖5 溫度變化量與時間之間的關(guān)系

（2）探究電流I=1.0 A 相同的情況下，加熱時間分別為30 s、60 s、90 s時，溫度變化量與電阻之間的關(guān)系.實驗研究的數(shù)據(jù)及其關(guān)系如表3.

表3 溫度變化量與電阻之間的關(guān)系

研究結(jié)論：在電流I、加熱時間t一定的情況下，溫度變化量與電阻阻值成正比（圖6）.

圖6 溫度變化量與電阻之間的關(guān)系

（3）探究電熱絲電阻阻值為40Ω，加熱時間為50 s時，溫度變化量與電流的關(guān)系，實驗研究的數(shù)據(jù)及其關(guān)系如表4.

表4 溫度變化量與電流的關(guān)系

研究結(jié)論：在電阻阻值R、加熱時間t一定的情況下，溫度變化量與電流的平方成正比（圖7）.

圖7 溫度變化量與電流平方的關(guān)系

綜合以上研究結(jié)論，可知在其他物理量保持不變的情況下，溫度變化量與電流的平方成正比ΔT∝I2；溫度變化量與加熱時間成正比ΔT∝t；溫度變化量與電阻阻值成正比ΔT∝R.最后可得，在其他物理量保持不變的情況下，電熱與電流的平方成正比Q∝I2；電熱與加熱時間成正比Q∝t；電熱與電阻阻值成正比Q∝R，即Q∝I2Rt.最后定量驗證焦耳定律的公式Q=I2Rt.通過探究實驗可以看出，定量化改進(jìn)后的焦耳定律實驗平臺簡化了實驗過程.

在物理教學(xué)中，通過在定性探究的基礎(chǔ)上適當(dāng)加入半定量、定量實驗探究可以很好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的形成.