淺談初中《焦耳定律演示實驗》的改進

凌文盛

摘 要 初中物理教材中《焦耳定律實驗》的操作步驟存在著不能同時演示電流跟熱量、電阻和熱量的關(guān)系；只能定性研究，不能定量研究，演示效果差。演示時間長等三方面的不足。為此，文章提出一些改進意見。

關(guān)鍵詞 焦耳定律 演示實驗 改進

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A

隨著知識的更新與發(fā)展，初中物理教材的一些實驗操作不是非常適于教學(xué)操作。在此，筆者以初中物理教材中的《焦耳定律實驗》為例，淺談初中物理教材中的一些需要改正完善的地方，同時提出一些改進方法。

1 教材中的實驗操作不足

現(xiàn)在人教版物理教材實驗設(shè)計的步驟是：

第一步：接通電路，過一段時間后，看看兩個玻璃瓶中煤油哪個上升得更高。得出的結(jié)論是：甲玻璃瓶中煤油上升得更高。這表明電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。

第二步：讓兩玻璃瓶的煤油高度還原，然后利用滑動調(diào)解器，調(diào)節(jié)電流，再做實驗。注意通電時間和前次時間相同，在這兩次實驗中，比較甲瓶（或乙瓶）中的煤油哪次上升得高。在第二次實驗中，甲玻璃瓶中煤油上升得高。這表明電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多（如圖1所示）。

第三步：從以上實驗可以得出結(jié)論，在電流與電阻不變的情況下，通電時間越長，瓶中的煤油上升得越高，電流產(chǎn)生的熱量越多。

筆者對照教材中的步驟，做了多次的實驗，發(fā)現(xiàn)了一些問題。玻璃瓶上的煤油上升得太慢，而我們上課的時候，每節(jié)課45分種，想要在45分種完成上面所說的實驗操作，基本上是不可能完成的。一節(jié)課也只能勉強完成上面所說的第一步，但是，如果想要完成第二步，讓溫度慢慢再降下來，重新再做，再讓學(xué)生進行觀察比較，45分種是完全不可能完成的。因為，想讓給玻璃瓶中的煤油加溫是容易的事，但是，想要讓溫度降下來，還是要較長的時候。為此，很多物理教師為了達到教學(xué)目標(biāo)，完成這一實驗的教學(xué)任務(wù)，經(jīng)常是把學(xué)生的實驗課變?yōu)榱私處煹闹v授實驗，或者有些老師利用更快捷的多媒體課件演示，而讓實驗配置成為擺設(shè)，失去了讓學(xué)生動手操作，親身體驗的實驗課本質(zhì)。

由上面的情況來看，《焦耳定律的實驗》由于裝置比較復(fù)雜，實驗要求有很好的密閉條件，整個實驗的進展速度也相對比較慢，教室里學(xué)生的可見度比較有限，整個實驗的時間也比較久。有以下三個方面存在不科學(xué)之處：

第一，電流與熱量、電阻與熱量的關(guān)系，在教材中的實驗操作中，不能同時演示出來。在演示電流與熱量之間的關(guān)系時，說明電流越大，產(chǎn)生的熱量越大這個理論時。根據(jù)教材中的實驗步驟，總體上要從以下兩方面來操作。由于電流的不同導(dǎo)致實驗玻璃瓶中液體高度的變化不能直觀地進行對比。同時還要讓兩只玻璃管的液柱回到原來的高度，需要較長的時間，在課堂上操作不太實際，浪費時間，也不利于課效課堂的標(biāo)準(zhǔn)。改實驗中的電流后才能做下次操作，而實際操作實驗過程中，燒瓶中的煤油加熱是很簡單的事，但是要降低它的溫度卻相對比較難，要較長的時候，導(dǎo)致需很長時間液柱才能回到原來的高度。為此這一實驗操作不同時演示電流跟熱量、電阻和熱量的關(guān)系。

第二，演示效果比較差，不能定量研究，只能定性研究。

第三，在實驗過程中，給煤油加熱的時間太久了，同時，讓煤油降溫的時間更久，這樣容易導(dǎo)致學(xué)生的注意力容易分散，不切合學(xué)生的學(xué)習(xí)，同時這個實驗也不能連續(xù)重復(fù)演示操作，也不適合于課堂教學(xué)。如果要把加熱的煤油倒了，換上等量的冷卻的煤油，過程比較麻煩，同時也太浪費了。

基于教材中的這三點不足，筆者進行了以下實驗改進。

2 實驗的改進

準(zhǔn)備三個相同大小的塑料盒，在塑料盒內(nèi)密封三條電阻絲R1、 R2 、R3。同時在塑料盒的外面要留兩個接線柱，要使電阻絲R1> R2 = R3。把玻璃管插入塑料盒的兩端，把橡皮管接在玻璃管上。在演示板上固定好兩個U形玻璃管、開關(guān)S、電阻R。用橡皮管把U形玻璃管和玻璃管連接起來，用導(dǎo)線把各接線連接起來。具體的實驗操作步驟大致如下：

①夾子e、f打開，然后把水加入兩U形管中，并且要讓兩管中的水面相平，同時，為了便于學(xué)生上課的時候觀察可以把水染成紅色。

②把橡皮管用夾子e、f夾住，開關(guān)S斷開，然后電源的正負極接上a、d接線柱，這時，我們就會發(fā)現(xiàn)兩個上玻璃管的水柱很快上升，而且我們還可以看到兩個上玻璃館中A管上升得比較多。由此可見，時間不變的情況下，R更大，I產(chǎn)生的熱量就更多。

③電源斷開，打開e、f夾子，讓實驗中的玻璃管中的水位恢復(fù)到剛開始的的狀態(tài)，以便做下一步實驗。

④用電阻3盒換下電阻2盒，閉合開關(guān)S，將電阻連入電路中，再把a、d連入電源的正負極，這時你會發(fā)現(xiàn)兩管中的水的高度上升，而且A管中的水位比另外一個上升得更高。由此可見，在時間相同、R不變的情況下，I越大，I產(chǎn)生的卡路里就越多。

把湈油裝潢在實驗裝置在兩個相同的燒瓶中，并用膠塞密閉，把膠塞中放玻璃管，在瓶中放一根R，同時要讓甲瓶中R比乙瓶中的R大。通電后I通過電阻絲產(chǎn)生的卡路里就越多，那么實驗中的玻璃管中液體就會上升得更高。通過觀察玻璃館中的煤油上升的情況，我們就可以比較I產(chǎn)生的卡路里的情況。

第一，給實驗中的電路通電后，對比液體哪個上升得更高（如圖2所示），實驗最后的結(jié)果是：第一瓶中的液體上升比第二瓶更高。

第二，等到兩玻璃管中的煤油降回原來位置時，調(diào)節(jié)電路中的變阻器，讓電流加大，再次做上述的實驗，給電路的通電時間不變。前后兩次實驗，對比較兩瓶中的液體上升的情況（如圖3所示）。最終我們可以得出的結(jié)論是：第二次實驗的玻璃管中液體上升得更高一些。

第三，整個實驗結(jié)論是：（1）I不變的時候，R越大，I產(chǎn)生的Q就越多；（2）R不變的時候，I越大，I產(chǎn)生的Q越多；（3）I與R不變的情況下，如何通電時間越長，I產(chǎn)生的Q也就越多，玻璃管中液體就會上升得越高。

鑒此，根據(jù)上面的改正，筆者上課的時候，還是取得了很發(fā)的教學(xué)效果。具體實驗中改進的裝置如圖2、3、4所示。

3 此實驗裝置的優(yōu)點

第一，在其它情況相同的時候，利用氣體的熱膨脹來做實驗，相比利用液體的熱膨脹實驗的效果將會明顯得很多。同時整個實驗的時間也變短了不少，非常有效地提高了老師上課時的教學(xué)效率，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。第二，沒有使用電流表測電流的麻煩，可能讓同學(xué)們的課堂注意力放在觀察氣壓計中的液體上升的高度來理解電流、電阻與熱量的關(guān)系，便于學(xué)生集中注意力，便于學(xué)生專注于實驗本身。第三，實驗儀器具有連續(xù)多次操作演示的效果，改進后的實驗裝置操作方便，便于控制。