也談焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

楊澍辰

(常州市實(shí)驗(yàn)初級中學(xué),江蘇 常州 213000)

1 教材上的實(shí)驗(yàn)裝置及其不足

圖1 教材實(shí)驗(yàn)裝置

在蘇科版(2013版)九年級下冊電功和電熱第3節(jié)中,探究影響電流熱效應(yīng)的因素(即焦耳定律,以下簡稱焦耳定律)實(shí)驗(yàn)中,用到了如圖1裝置．將一段電阻絲浸沒在一定質(zhì)量的煤油中,通電后,可以通過溫度計(jì)測得的液體溫度變化來比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少．

在實(shí)際教學(xué)中,筆者用教材上的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行過演示實(shí)驗(yàn),但是效果并不理想,問題如下.

(1) 器材準(zhǔn)備麻煩．本實(shí)驗(yàn)需要煤油較多,如果班級較多,還需準(zhǔn)備雙份甚至更多,以防不同教師上課時間沖突．把溫度計(jì)以及電阻絲穿過膠木塞也并不那么簡單．

(2) 實(shí)驗(yàn)時間長．實(shí)驗(yàn)中考慮到煤油比熱容小,升溫快,但是煤油質(zhì)量也確實(shí)不小,電阻絲發(fā)熱功率又不可能很大,再加上在本節(jié)內(nèi)容是都是在冬天講授,氣溫低,所以煤油升溫慢．此外,在探究產(chǎn)生熱量與電流大小的關(guān)系時,需要改變電流大小重復(fù)實(shí)驗(yàn),還需等煤油降到室溫后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．因此,實(shí)驗(yàn)時間很長,經(jīng)常出現(xiàn)一節(jié)課連實(shí)驗(yàn)都做不完的尷尬局面,而且實(shí)驗(yàn)連貫性差,學(xué)生注意力容易分散,不利于學(xué)生建立知識結(jié)構(gòu)．

(3) 演示效果不明顯．演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是學(xué)生能明顯觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．而本實(shí)驗(yàn)的觀察對象是溫度計(jì)的示數(shù),只有坐在器材前的學(xué)生能看清示數(shù),后排學(xué)生完全觀察不到溫度計(jì)示數(shù)．所以,對于絕大部分學(xué)生來說,這是一個無效的實(shí)驗(yàn)．

(4) 煤油味道重,破壞教學(xué)環(huán)境．

2 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

筆者的改進(jìn)思路是:將一段電阻絲纏繞在溫度計(jì)的玻璃泡上,電阻絲通電后,產(chǎn)生熱量,使溫度計(jì)示數(shù)快速升高．通過比較溫度計(jì)示數(shù)的變化,來比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少．

下面,將從材料、器材制作方法、實(shí)驗(yàn)方案和裝置圖以及實(shí)驗(yàn)效果等方面,介紹改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置．

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

4節(jié)新干電池(或6 V學(xué)生電源)、電池盒、2支水銀溫度計(jì)、2根不同長度的電阻絲(Φ=0.3 mm的鎳鉻合金絲,1根7.5 cm左右,1根15 cm左右)、1只電流表、1只滑動變阻器、1只開關(guān)、導(dǎo)線若干．

2.2 實(shí)驗(yàn)器材制作方法

圖2 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

(1) 將兩根電阻絲分別纏繞在兩支溫度計(jì)的玻璃泡上,繞成線圈的形狀,如圖2,短的那根繞3圈,長的那根繞6圈．使電阻絲盡可能地貼緊溫度計(jì)玻璃泡表面．但相鄰兩圈不能接觸,以防短路．至此,實(shí)驗(yàn)器材就已經(jīng)基本制作完畢．

(2) 為了方便學(xué)生做實(shí)驗(yàn),不妨取下繞好的電阻絲固定在底座上,標(biāo)注電阻名稱(如R1、R2)及大小關(guān)系．在固定時,需考慮是否牢固、底座的導(dǎo)熱性、用膠水固定時是否會熔化等問題．本人以學(xué)生墊板為底座,用502膠水把電阻絲固定在墊板上,在墊板上用記號筆標(biāo)注電阻名稱及大小關(guān)系．

2.3 實(shí)驗(yàn)方案和裝置圖

2.3.1 探究產(chǎn)生熱量Q與電流大小I的關(guān)系

圖3

(1) 利用一個電阻絲,把溫度計(jì)玻璃泡插入繞好的電阻絲線圈內(nèi)．電阻絲與滑動變阻器串聯(lián),如圖3,調(diào)節(jié)到一個合適的電流大小,通電一定時間(如30 s、60 s等),記錄溫度計(jì)示數(shù)．

(2) 待溫度計(jì)示數(shù)回到室溫后(也可直接使用另一支溫度計(jì)),通過滑動變阻器改變電路中的電流大小,通電相同時間后,記錄溫度計(jì)示數(shù)．

(3) 比較兩次溫度計(jì)升高示數(shù)與電流大小的關(guān)系,得出結(jié)論．

2.3.2 探究產(chǎn)生熱量Q與電阻大小R的關(guān)系

圖4

(1) 將兩支溫度計(jì)分別插入兩個繞好的電阻絲線圈內(nèi),將兩個電阻線圈和滑動變阻器串聯(lián),如圖4,通電一段時間,每隔30 s記錄一次兩支溫度計(jì)示數(shù),90 s后停止實(shí)驗(yàn)．

(2) 比較兩次溫度計(jì)升高示數(shù)與電阻大小的關(guān)系,得出結(jié)論．

2.4 實(shí)驗(yàn)效果

在上課時,筆者給學(xué)生繞制的電阻絲分是R1繞3圈,R2繞6圈,即R2=2R1．表1是學(xué)生利用改進(jìn)的裝置真實(shí)測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

比較1、2兩組數(shù)據(jù),可以看出,在電阻和通電時間相同的情況下,電流越大,升高溫度越多,即產(chǎn)生熱量越多;比較1、3兩組數(shù)據(jù),可以看出,在電流大小和通電時間相同的情況下,電阻越大,升高溫度越多,即產(chǎn)生熱量越多．綜合以上,可以得出產(chǎn)生熱量與電流大小和電阻大小的定性關(guān)系,能夠達(dá)成通過實(shí)驗(yàn)探究知道通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量與哪些因素有關(guān)的教學(xué)目標(biāo)．

3 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)及教學(xué)效果

(1) 器材簡單易制作．器材除了電阻絲以外,其他都是常用電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器,而電阻絲一般學(xué)校為了探究影響導(dǎo)體電阻大小因素,也會有儲備．因此實(shí)驗(yàn)材料不難找到．制作成線圈形狀也很簡單,若教師能提前準(zhǔn)備好長短不同的兩根電阻絲的話,可以讓學(xué)生制作．

(2) 實(shí)驗(yàn)時間短．由于溫度計(jì)直接測量電阻絲的溫度,所以溫度上升很快．筆者測量過,在探究產(chǎn)生熱量與電阻關(guān)系時,電阻較大的電阻絲溫度升高20 ℃只需要90s．從連線到獲得數(shù)據(jù),整個實(shí)驗(yàn)時間不會超過15min．這樣就能讓完成教學(xué)任務(wù)成為可能,提高了課堂效率．

(3) 可進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)．器材簡單,操作也很方便,學(xué)生可以明顯觀察到溫度計(jì)示數(shù)升高快慢的不同．不僅如此,此套裝置使用很安全,不會對學(xué)生造成傷害．因此,可以利用此套裝置進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)．學(xué)生通過動手實(shí)驗(yàn),觀察現(xiàn)象,增強(qiáng)感性認(rèn)識,有助于對焦耳定律的理解．同時還能提高學(xué)生的動手能力,增強(qiáng)分工合作意識．

(4) 有助于學(xué)生得出定量關(guān)系．初中階段,只要求學(xué)生能通過探究知道產(chǎn)生熱量與電流大小、電阻大小和通電時間的定性關(guān)系,并不需要學(xué)生探究出Q=I2Rt這個定量關(guān)系．而仔細(xì)觀察上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn):從1、2兩組數(shù)據(jù)可以看出,電流變成2倍,升高溫度近似變?yōu)?倍,與焦耳定律中產(chǎn)生熱量與電流平方成正比的結(jié)論一致;而從1、3兩組數(shù)據(jù)可以看出,電阻變?yōu)閮杀?升高溫度也變?yōu)?倍,也與焦耳定律中產(chǎn)生熱量與導(dǎo)體的電阻成正比的結(jié)論一致．所以,通過這套裝置有助于學(xué)生得出焦耳定律的定量關(guān)系．

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)是物理課堂永恒的主題,但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯往往困擾我們一線教師．于是,這就需要我們不斷發(fā)現(xiàn)問題,不斷鉆研改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材及方案,以使得物理實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于課堂教學(xué),更好地促進(jìn)學(xué)生發(fā)展．