初中焦耳定律教學的重要補充實驗

初中焦耳定律教學的重要補充實驗

陳青

(北京市朝陽區教育研究中心附屬學校北京100016)

楊雄生

(北京教育學院朝陽分院北京100026)

收稿日期：(2014-08-19)

大家知道，使用任何用電器，其發熱量只取決于其電流、電阻和通電時間，這就是焦耳定律.

在提倡“探究性教學” 的今天，初中焦耳定律的教學，通常在“引入新課實驗”之后，教師引導學生猜想電流通過用電器產生的熱量與哪些因素有關.

學生根據已有的知識一般會猜想并提出：與電流、電壓、電阻和通電時間有關.

如何從上述4個因素引導學生歸納出：電流通過用電器產生的熱量只與電流、電阻和通電時間有關，而不考慮電壓這個因素呢.

有的教師說,“電流、電壓、電阻這3個物理量已經被歐姆定律‘管住了’，因此我們只討論電熱與電流、電阻和通電時間的關系就可以了，不用考慮電壓了.”

如果此說法成立，會引出兩個問題：

其一，既然電流、電壓、電阻這3個物理量已經被歐姆定律“管住了”，因此我們只討論電熱與電壓、電阻和通電時間的關系就可以了，不用考慮電流了，行嗎？答案顯然是否定的！

其二，初中學習的歐姆定律永遠成立嗎？如果初中學習的歐姆定律不成立時，電流通過用電器產生的熱量取決于電流還是取決于電壓呢？

為解決上述問題，我們設計了如下實驗.

實驗1：認識電動機電路——說明初中學習的歐姆定律有時會不成立.

將如圖1所示的小電動機接在電壓為3 V的穩壓電源上，看到電動機轉動，說明電動機將電能轉化為機械能.

圖1　用于演示的小電動機

提問：這個實驗中，電源3 V，電動機的電阻大約6 Ω，請同學估算電路中的電流多大？

學生一般用歐姆定律估算出電路中的電流為0.5 A.

用實驗檢驗估算是否正確，在電路中串聯電流表.

結果，發現當電動機空轉時，電流只有0.05 A，不是0.5 A——學生很驚訝！

這時向學生強調：在含電動機的電路中，這種有電能轉化為機械能的情況下，初中學習的歐姆定律不成立！

師：我們還可以用食指和拇指來影響電動機的轉動情況，來看看電流有何變化？

發現：電壓不變的情況下，通過電動機的電流大小和電動機轉動的情況有關.

如果用食指和拇指將電動機捏死，不讓它轉動，結果發現這時電流倒是0.5 A.

奇怪！電動機不轉動，這時歐姆定律反而成立了！為什么？

因為，電動機不轉動，沒有機械能輸出，不成為電動機了，不轉動的電動機就相當于導體，所以歐姆定律成立.

那么，電動機工作時，發熱量多少是和電流有關還是和電壓有關呢？

為此，再做兩個實驗.

實驗2:探究電動機工作時，發熱量和電流的關系——兩臺電動機并聯的實驗.

圖2　兩臺電動機并聯的實驗

實驗情況如圖2所示.圖2(a)為實驗的電路圖.圖2(b)為實驗實物圖，其中電源為3 V的穩壓電源；P,Q為兩個如圖1所示的電動機；M,N為測量電動機發熱量的數字溫度計.發熱量的測量方法是，將數字溫度計的測溫泡用相同方式貼在電動機的外殼上(用透明膠帶捆上)，如圖2(c)所示，用溫度的升高量來表示電動機發熱量的多少.

實驗情況如下：

當電源電壓保持3 V不變，兩部電動機都空轉時，兩個電流表的示數都是0.05 A，歷時 1.5 min左右，兩臺數字溫度計的溫升差異不大，說明兩臺電動機的發熱量差別不大.

當電源電壓仍保持3 V不變，一部電動機空轉，另一部電動機用食指和拇指將其捏死，不讓它轉動，這時，連接空轉電動機的電流表示數仍為0.05 A，連接卡死電動機的電流表示數為0.5 A，也歷時 1.5 min左右，兩臺數字溫度計的溫升差異較大：空轉電動機的溫升約為18.8～18.1°C，卡死電動機的溫升為21.1～18.1°C.

第二次實驗說明，并聯電壓相同，兩臺相同的電動機，電阻相同，通電時間也相同，電流大的電動機，發熱量也大.說明用電器工作時，發熱量和電流有關.

能否再做一個實驗，來說明電動機工作時，其發熱量和電壓有何關系？

實驗3:探究電動機工作時，發熱量和電壓的關系——兩臺電動機串聯的實驗.

實驗電路圖如圖3(a)，實物圖如圖3(b)所示，測量電動機溫升的方法和實驗2相同.

圖3　兩臺電動機串聯的實驗

實驗情況如下：

當電源電壓保持6 V不變，兩部電動機都空轉時，兩個電壓表的示數都是3 V，歷時 1.5 min左右，兩臺數字溫度計的溫升差異不大，說明兩臺電動機的發熱量差別不大.

當電源電壓仍保持6 V不變，一部電動機空轉，另一部電動機用食指和拇指將其捏死，不讓它轉動，這時，空轉電動機的電壓表示數為5.7 V，卡死電動機的電壓表示數為0.3 V.

實驗證明，也歷時 1.5 min左右，兩臺數字溫度計的溫升差異不大，空轉電動機的溫升約為18.7～18.3°C，卡死電動機的溫升為18.8～18.5°C.

第二次實驗說明，串聯電路中通過用電器的電流相同，兩臺相同的電動機，電阻相同，通電時間也相同，電壓雖然相差19倍，但發熱量相差不大.說明用電器工作時，發熱量和電壓關系不大.理論研究證明，含電動機電路發熱量與電壓無關.

上述3個實驗說明，對于含電動機的電路，歐姆定律不成立！這時發熱量和電流有關，和電壓無關.

因此，研究使用用電器的發熱量時，只討論和用電器的電阻、通過的電流和通電時間的關系，而不討論和電壓的關系.

幾點說明：

(1)上述實驗整個展示過程，需要15 min.該實驗可以拓寬學生的視野，啟發學生的思維，倡議作為可有可無的“零級教學目標”，引入初中“焦耳定律”的教學之中.

初中焦耳定律的教學，沒有如此深入的要求，也可以不引入正課的教學中.但可以作為初中“研究性學習”的內容，讓學生研究，以拓寬學生的視野，啟發學生的思維.

本文實驗的電動機和溫度傳感器，我們在網上購買分別是5元和8元，將其作為學生實驗，費用并不高.

(2)本文作者陳青以這個實驗參加北京市第三屆中學物理教師實驗創新大賽，獲得初中組的一等獎.

(3)北京物理學會高中物理教學專題組，曾對本文實驗開展討論，有如下兩點意見：

其一，讓電動機不轉的卡死實驗，是破壞性的實驗，不宜在課堂上向學生展示.

我們認為，在生產、生活中，為了深入研究某些問題，也專門做些破壞性的實驗，例如高級小汽車的撞墻實驗.

還有，只有大型的電動機，其內阻較小，卡死時，會燒壞電動機，我們實驗中使用的小電動機，內阻較大，不會燒壞電動機.

由于空轉和卡死是電動機差別最大的工作狀態，而且最好操作，所以，我們采用這兩個狀態來做對比實驗.

但是，我們認為，在本實驗之后，應該向學生特別地說明，電動機不轉的卡死實驗是破壞性的實驗，對于我們實驗用的小電動機電流增大不會發生燒毀，如果是大型電動機，發生卡死不轉現象，會很快燒毀電動機，發生此現象時，應該立即切斷電源保護電動機，對學生進行安全教育.為節省篇幅，本文沒有闡述這個內容，在此補充說明.

其二，用圖2(c)的方法，測量電動機的溫升，以此說明其發熱量，這個方法有問題！這里測量的是電動機總發熱量，除了轉子電阻的焦耳熱外，還有轉軸克服摩擦，由機械能轉化的熱量.

我們承認這是我們尚無法克服的問題.至今為止，尚無法找到只測量轉子的焦耳熱，而排除轉子摩擦產生熱量的簡易實驗方法.

這個理論上的“缺陷”，對于兩臺電動機并聯的實驗不會成為問題，因為卡死不轉的電動機，沒有摩擦產生的熱量，它產生的熱量，反而比有空轉有摩擦熱量的電動機產生的熱量還多，所以，此實驗沒有“致命傷”.

可是，對于兩臺電動機串聯的實驗卻是有影響的，因為卡死不轉的電動機，沒有摩擦產生的熱量，它產生的熱量，比有空轉電動機(其中有摩擦產生的熱量)產生的熱量少.只是，在實驗時間不長的情況下，兩者相差不太大，將摩擦產生的熱量作為次要因素，不提出來而已.我們是用“理論研究證明，電動機電路發熱量與電壓無關”來過渡的.

對于生源較好的學校，可以將本實驗作為“研究性學習”的素材開展仔細研究，在時間較短時，兩者產生的熱量相差不多；在時間較長時，實驗會出現空轉電動機發熱量比卡死電動機發熱量多，討論為什么，可以提出轉動軸摩擦產生的熱量，這樣使問題更為完善，不留缺陷.

本文僅是我們對初中焦耳定律教學的思考和建議，提出來和同行討論，不妥之處請斧正！