關于改進焦耳定律演示實驗的思考

邱美強

【摘 要】物理是一門實驗性學科。在初中物理教學過程中，演示實驗起著及其重要的作用，它是學生建立物理概念和規律、理解和掌握物理知識的重要途徑。在教學過程中，教師應該思考如何改進實驗方法和實驗裝置，提高實驗效果。本文用手機安裝紅外熱感相機，對焦耳定律實驗進行改進。

【關鍵詞】焦耳定律；演示實驗；改進；電熱

物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科。特別在初中物理教學中，實驗教學是非常重要的內容。初中物理教學是學生進入物理知識寶庫的入門和啟蒙，是培養學生學習物理興趣，具有初步觀察事物、分析問題、解決問題能力的關鍵。實驗作為物理教學的一種手段，對有效地引起學生的感性認知、思維激活、知識形成和記憶強化都起著重要的作用。然而目前在實驗教學的過程中都會遇到不少的問題。例如：演示實驗器材不足，實驗效果不明顯，導致學生不認同實驗結果，影響物理知識的形成和物理規律的建立。

焦耳定律是九年級物理第十八章的一個重要內容，也是本章的一個難點。因此，焦耳定律實驗的成敗，對于學生理解電流的熱效應與哪些因素有關至關重要。在探究電流通過導體產生的熱量與哪些因素的實驗中，由于電熱很難進行定量地測量。所以在演示實驗中往往采用了轉換法。傳統的處理方法有：

（1）舊人教版的“焦耳定律”的演示實驗采用的是用煤油進行實驗，在平底燒瓶中裝滿煤油，把不同阻值的電阻絲放入瓶中，給電阻絲通電后比較質量相同的煤油溫度升高的情況，判斷哪個電阻產生的熱量多，此實驗中有以下不足：大部分學生距離講臺較遠，很難看清兩支溫度計的示數區別。由于瓶塞與瓶口、瓶塞與溫度計之間存在縫隙，如果煤油裝得太多，通電后煤油受熱膨脹容易通過縫隙向外溢，清理實驗器材很麻煩。另外用煤油作為吸熱膨脹物質欠佳，由于注滿燒瓶的煤油質量比較大，吸收一定的熱量后，溫度升高不大，況且煤油的熱膨脹系數較小，即使用較細的玻璃管做實驗，液柱上升也緩慢，耗時長。

（2）2013新人教版對該實驗進行了改進，采用電阻絲加熱空氣膨脹的方法進行實驗。將5歐和10歐的電阻絲分別密封在透明的塑料盒中，塑料盒的唯一開口連接U型管，U型管中裝有紅墨水。通電后，電阻絲發熱盒內空氣膨脹，U型管出現高度差。電阻絲產生熱量越多，氣體膨脹的體積越大，U型管兩液柱的高度差越明顯。由于U型管的液柱較粗，改進后實驗效果明顯了，便于學生的觀察，另外，實驗時間明顯縮短了。其不足之處在于：實驗持續時間過短，整個過程僅有幾秒，就必須斷開開關，不然U型管的液柱會溢出。如果學生注意力不集中，很容易錯過實驗展示。

（3）很多教師在教學過程中對該實驗進行了改進。有老師利用電阻絲的產生的熱量來引燃火柴，也有老師利用電阻絲來切割泡沫，以此比較不同電阻產生熱量的多少。這類實驗效果明顯，趣味性強。但在實際操作的過程中，要選擇限流較大的學生電源和比較合適的電阻絲。這需要老師通過實驗效果一次次地進行實驗才能挑選合適的器材。

隨著現代技術的不斷發展，各種新科技、新設備廣泛應用于人們日常生活、生產中。在新人教版物理教材中，大量出現了利用傳感器的實驗。傳感器進入中學物理實驗室，成為信息技術與物理課程整合、教育手段現代化的一個新的突破口。傳感器將各種物理量轉換成電信號，人們對電信號作出進一步的分析和處理。例如電子表就是把時間的測量最終轉換成電信號，用液晶屏顯示出來，將過去實驗測量工具器材中的水銀溫度計、打點器、天平等用力的傳感器、溫度傳感器、電磁傳感器來探測物理量，顯示物理實驗數據，運用計算機強大的計算功能探索物理規律。那么能否應該傳感器等高新設備來解決焦耳定律實驗中，熱量的測量或者比較問題呢。具體做法如下。

按照實驗電路用普通的電阻絲來進行實驗，然后用來判斷兩個電阻絲的溫度高低。以RNOPC-160紅外熱成像儀為例，它采用高靈敏度非晶硅微量熱行探測器，融入紅相光機微掃高分辨率成像技術，50/60HZ超快幀頻，探測器分辨率160x120，測溫范圍-20～600℃，3.5寸TFT液晶屏，無需遮陽罩也能在陽光下清楚觀看圖像，機器智能操作系統，可以將數據方便快捷地連接到電腦，使用非常便捷。

考慮到設備的費用和購買問題，還可以利用手機替代紅外熱成像儀。在手機安裝紅外熱感相機軟件。在手機的應用市場用多款紅外熱成像軟件。此類軟件可以把不同溫度的物體用深淺不同的顏色顯示出來。由于手機的屏幕較小不變觀察，我們通過HDMI線將手機和投影儀進行連接顯示。應用紅外熱成像軟件比較電阻絲溫度的高低，方便快捷，避免了傳統實驗方案中的各種缺點。

將傳感器等高新技術應用到物理實驗中是物理新課程教學改革的一個發展方向，我們應該結合學校和學生的實際情況，逐步將其融入于教學之中，不能因為它不同于傳統儀器的操作方式而抵觸它，而是要充分發揮它對教學的優化功能，提高物理教學的質量，提高學生的學習水平。它雖然有不足，但只要合理利用，揚長避短，就一定能更好地發揮它促進教學的功能。