于焦耳定律演示實驗的改進

1 焦耳定律演示實驗及其不足

“焦耳定律實驗”是初中物理教材中非常重要的驗證性演示實驗，其常規實驗裝置主要部分是放置了不同阻值電阻的2個充滿煤油的燒瓶。將2個電阻串聯通電一段時間后，煤油吸引部分電熱發生體積膨脹，通過插在密閉燒瓶中的細玻璃管中的液面差異說明電熱的多少。但是作為演示實驗，該裝置仍然比較復雜，而且密閉要求高，否則煤油會從膠塞滲出。

該實驗過程還存在3點不足。1)在說明電流越大產生的熱量越多的原理時，要分2次實驗進行，這要求2只玻璃管的液柱降到原來的高度后才能改變電流做第二次實驗。事實上燒瓶中的煤油加熱容易，降溫難，需很長時間，液柱才能回到原來的高度。2)短時間內煤油膨脹差異不大，演示效果差。3)加熱時間長，學生注意力容易分散，并且不能連續重復演示，不利于組織課堂教學。

2 相關文獻對實驗的改進嘗試

鑒于此，廣大一線教師在各種教材、教參和雜志上提出很多改進的方法。在學術期刊網“中國知網”上以“焦耳定律”為關鍵詞的文章自1980年以來多達5 160篇，其中以“實驗改進”為關鍵詞進一步檢索有75篇，2000年以來就有46篇之多(見附錄)。筆者對2000年以來的文獻進行梳理，概括起來有以下幾類。

1)仍然是加熱煤油，但是改為觀察煤油溫度的變化，如采用水銀溫度計或數字式溫度計。前者對于后排學生仍然效果不明顯;數字溫度計要配合實物投影儀才能效果明顯，并且價格不菲。也有的還是觀察煤油體積的變化，但給煤油加色，如紅、藍墨水等，并將玻璃管同時置于白色背影下。這樣做，對比是比原來強烈了，但是耗時長的缺點沒有改變。

2)加熱酒精或是水，以減輕煤油的刺激性氣味，但這種所謂的改進沒能提高演示效果。

3)加熱空氣。因為在吸引同樣多的熱后氣體的膨脹比液體要明顯得多，所以許多改進都是基于這個思路。但空氣體積的變化如何直觀地表現出來又分為2種方法，一種是用吹氣球法;一種是與U型管聯用，使得空氣體積的變化體現在液面差上。這種思路使得實驗時間變短，但是對燒瓶或廣口瓶的密封性要求同樣比較高，有些裝置比課本所示的更復雜，不適合學生在課后自己動手制作。

4)點燃易燃物或融化石蠟法。前者將易燃物，如火柴、煤油浸過的紙屑，放置在電阻絲上，通電后觀察燃燒的先后次序。后者將同樣的輕質物體用石蠟粘附在電阻絲上，通電后觀察脫落的先后次序。這種方法大大縮短了時間，但是可燃物或石蠟與電阻絲的接觸面積大小往往會引起學生的懷疑。而且有些作者沒有充分考慮學生的知識基礎，出現混聯電路，這同樣是不適合本演示實驗的。

當然也有作者試圖將上述的某幾種情況組合起來，但教師在做演示實驗時要盡量貼近課本，所以改進不宜換用另一套裝置。

3 新的改進策略

筆者針對“密封要求高，有刺激性氣味，耗時長，效果不明顯”的不足對實驗進行如下的改進，收到良好的課堂效果。

改用廣口瓶(可用生活中的玻璃酸牛奶瓶，喝水用的玻璃杯等)代替燒瓶，用水代替煤油，用可以顯示微小形變的2個相同的光杠桿代替玻璃管。光杠桿的裝置如圖所示。制作方法很簡單，主體就是多媒體教學中常用的激光筆，將發光端用一柔軟的線或鐵絲做成的圈套住，然后吊在鐵架臺的支架上(圖中A點，為了不使激光筆擺，可用2條線分開固定激光筆的發光端);激光筆的末端與用輕質塑料吸管制作成的直角三角支架B綁定;在垂直于激光筆軸方向上的邊延長端點，固定一個輕質塑料球，視所用廣口瓶口的大小而定球的半徑。實驗時光杠桿只有小球與水面接觸，當水面發生微小變化時，照射在白墻上的2個光斑移動的距離會有明顯的差異。

使用改進后的實驗裝置進行實驗，可以在實驗效應轉換方法(液體受熱膨脹)不變的情況下，克服上述各種缺陷。同時該實驗儀器具有連續性重復演示的功能，第一次實驗后，可以很方便地換2瓶(或2杯)等質量、溫度的水立即進行第二次實驗，不用等第一次實驗的水恢復到同樣的溫度。改進后的實驗裝置操作時最好將盛水的容器放在升降臺上，這樣方便換水。

附錄:

中國教育技術裝備:李平，焦耳定律實驗的改進，2002(7);朱小娟，對研究焦耳定律實驗的一點改進，2005(10);徐光英，焦耳定律實驗的改進，2006(7)。中小學實驗與裝備:冷建軍，對一個實驗改進的探索，2004(6);徐光英，焦耳定律的實驗改進與創新，2006(3);阮長旺等，焦耳定律實驗的改進，2007(2);尚愛蓮，對“焦耳定律”實驗的改進，2008(3);朱文軍，焦耳定律實驗的比較研究及改進，2009(2)。物理教師:張起祥等，焦耳定律實驗的研究與改進，2001(10);廖挹清，焦耳定律演示實驗裝置的改進，2005(5)。教學儀器與實驗:左雨生，淺談改進實驗和研制教具，2000(8);王家偉，初中物理實驗改進與儀器自制，2001(2);陳曉偉，焦耳定律實驗的改進，2002(6);蔣世平，焦耳定律演示實驗的改進，2003(4);張蕓，物理實驗小改進兩則，2003(9);梁智毅，比較不同物質的吸熱能力實驗的探究與改進，2008(10);張穎康，焦耳定律實驗的改進，2009(4)。實驗教學與儀器:魏喜武，對定性研究焦耳定律演示實驗的改進，2001(10);楊俊杰，對《焦耳定律》實驗的改進，2004(Z1);李禾雨，焦耳實驗的改進，2005(Z1);楊大江，焦耳定律實驗的改進與儀器自制，2007(11);辛華法，對焦耳定律實驗裝置的一種改進，2008(2)。物理教學探討:李景琴，焦耳定律實驗的改進，2002(5);張海軍，兩個重要電學實驗的改進，2005(3);朱亞飛等，焦耳定律演示實驗的探索與改進，2008(16)。考試周刊:謝勇，改進實驗教學促進學生能力培養，2008(31)。今日科苑:王立杰等，新課改下嘗試改進物理實驗，2008(7)中學生數理化(教與學):馬立俠，焦耳定律實驗的改進，2007(12)。物理通報:邢志會，對焦耳定律實驗的改進，2006(9);辛華法，對焦耳定律實驗裝置的一種改進，，2007(2)。物理實驗:王家偉等，焦耳定律實驗的改進，2007(4);阮炎洲，三則物理演示實驗的小改進，2000(9)。技術物理教學:于智才，改進物理實驗教學激發學生學習興趣，2006(3)。中學物理教學參考:劉懷玉，焦耳定律實驗裝置的改進，2000(6);單艷軍，對“焦耳定律”實驗的改進，2005(7)。商洛師范專科學校學報:李英，半導體熱敏特性研究實驗裝置的改進，2004(2)。青海教育:田發恩，初中物理新教材實驗的兩點改進，2004(11)。黃石教育學院學報:許文格，關于“焦耳定律”演示實驗的改進與教學，2002(4)。中國現代教育裝備:劉鳳琴，改進物理演示實驗提高物理教學質量，2002(10)。遵義師范學院學報:張偉，對焦爾定律演示實驗的改進，2002(3)。重慶教育學院學報:陳曉偉，中學物理實驗改進三則，2002(6)。湖北中小學實驗室:劉美香，“焦耳定律”實驗裝置的改進，2000(2);楊清城，對“焦耳定律”演示實驗裝置的改進，2000(6);李國紅，焦耳定律實驗裝置的改進，2001(4);張冬橋，幾個物理實驗的小改進，2002(4)。山西教育:韓清忠，焦耳定律實驗裝置的改進，2001(18)。■

(作者單位:江蘇省徐州市教育局)