利用自制教具對焦耳定律實驗的再研究

孫曉兵

摘 要： 焦耳定律是初中物理的重要實驗之一，一直以來教師們都對電熱與電阻和電流的關系進行著各種實驗改進的嘗試.從利用電阻絲對煤油加熱，通過比較液體溫度的變化來比較電阻絲產生熱量的多少.到用電阻絲給密閉空氣盒內的空氣加熱，看U型管中液面的高度差.除了無法定量研究以外，還出現了由于實驗器材的復雜，導致學生理解上出現困難.為此，筆者對實驗裝置進行了改進，嘗試研究電熱與電阻的定量關系.

關鍵詞： 自制教具;焦耳定律

焦耳定律是初中物理的重要實驗之一，一直以來教師們都對電熱與電阻和電流的關系進行著各種實驗改進的嘗試.從利用電阻絲對煤油加熱，通過比較液體溫度的變化來比較電阻絲產生熱量的多少.到用電阻絲給密閉空氣盒內的空氣加熱，看U型管中液面的高度差.除了無法定量研究以外，還出現了由于實驗器材的復雜，導致學生理解上出現困難.為此，筆者對實驗裝置進行了改進，嘗試研究電熱與電阻的定量關系.

1 人教版教材中現有焦耳定律實驗的可改進之處

人教版九年級物理教材中對于電流通過導體產生的熱量與什么因素有關的實驗中，設計了如圖1所示的演示實驗.

兩個透明的容器中密封著等量的空氣，U型管中的液面高度的變化反映密閉空氣溫度的變化.兩個密閉容器中各有一段阻值不同的電阻絲，兩段電阻絲串聯起來接在電源兩端，由于串聯，所以電流和通電時間相同，一段時間后比較兩個U型管中的液面高度差判斷電流通過導體產生熱量的多少，存在以下不足.

第一，這套實驗器材中用到橡膠管連接U型管，對裝置盒的密閉性要求較高，所以實驗的效果并不理想.

第二，這個裝置只可以定性的表示電熱與電阻的關系，無法定量研究.

第三，學生對于電熱絲發熱產生的熱量轉化成空氣受熱膨脹，再轉化成U型管中的液面高度差來判斷電流通過導體產生熱量的多少會覺得比較困難.在實驗裝置的介紹時就覺得很復雜，畢竟進行了多次轉換，學生對這種多次轉換問題的理解存在著一定的難度.

2 自制教具的設計

為了消除學生的思維障礙，讓學生對于電流通過導體產生熱量的理解簡單一些，筆者設計了如圖2所示的實驗裝置.

2.1 探究電流通過導體產生的熱量與電阻的關系

為了能得出定量的結果，選擇了6個阻值不同的發熱電阻串聯，每個電阻上放置了一個較為靈敏的溫度傳感器，傳感器與數字顯示器連接，直接測量的是發熱電阻的溫度，用電阻升高的溫度來表示電流通過導體產生熱量的多少.對學生來說，這樣的轉化過程容易接受.溫度的變化直觀，而且能夠得出定量的關系.三天時間，做了上百次實驗，其中多數數據比較理想.根據實驗數據也能做出相應的圖像.

以幾組數據為例（見表1～3）：

由這組數據，利excel表格進行處理，可以畫出趨勢線，如圖3所示.

由這組數據，利excel表格進行處理，可以畫出趨勢線，如圖4所示.

由這組數據，利excel表格進行處理，可以畫出趨勢線，如圖5所示.

大量的數據處理后能得出初步結論：當電流和通電時間一定時，電流通過導體產生的熱量跟電阻成正比.

2.2 探究電流通過導體產生的熱量與電流的關系

研究電熱與電流的關系時，書上采用的是如圖6的實驗裝置.此裝置的最大優點在于電路的設計，阻值相同的電阻在同一個電路中，并且通過兩個電阻的電流是倍數關系.仿照這樣的設計，筆者把實驗的電路也設計成電流成倍數關系的電路.但是使用了兩個電路板，分別是電流是2倍和3倍的電路.如圖7和圖8.

當電流是2倍關系時，數據見表4～5：

當電流是3倍關系時，數據見表6～7：

結合電阻升高的溫度和電流的關系，引導學生得出：當電阻和通電時間一定時，電流通過導體產生的熱量與電流的平方成正比.

2.3 探究電流通過導體產生的熱量與時間的關系

課本上沒有明確探究電流通過導體產生的熱量與時間的關系，原因也是由于時間對電熱的影響學生們都很熟悉.但是如果是可探究的科學問題，還是需要用數據說話，讓學生從簡單的探究實驗中按照科學的探究方法，在尊重實驗事實的基礎上，對實驗數據能夠進行分析并最終得出實驗結論.

利用自制教具，只需要保證電阻和電流相同，改變時間，測量發熱電阻的溫度變化就可以了.為了保證實驗數據的準確，每次改變時間的時候都是等到電阻恢復到原來的溫度再進行第二次實驗，時間花費比較長.如圖9所示，相關數據見表8.

結合電阻升高的溫度和時間關系的數據，引導學生得出：當電阻和電流一定時，電流通過導體產生的熱量與通電時間成正比.

3 實驗存在的問題

由于是測量發熱電阻的溫度，電阻又不是裸露的，所以熱傳遞需要一定的時間.6個電阻串聯時，由于電阻較大，需要電源電壓較大，而且時間略長，加熱需要60s，還要等待90s才能升高到最高的溫度.而且時間越長，誤差也越大.畢竟發熱電阻與環境的熱交換也在進行.

研究通電導體產生的熱量與電流的關系時，電流差別越大，溫度差也越大，也是由于與環境的熱交換問題會存在一定的誤差.但是加熱時間可以比較短，需要30s就可以，等待時間1分鐘.

研究通電導體產生的熱量與通電時間的關系時，如果用同一個電阻做實驗，則需要等待電阻降溫，這個過程就更長了.由于學生對這個問題的前認知是正確的，又沒有探究難度，所以一般不在課上進行探究.也可以設計如圖10的電路，只是這樣的電路又涉及到電阻本身的差異和傳感器的差異問題.

綜上，探究電流通過導體產生的熱量與什么因素有關的實驗，除了電流沒能完成6組數據外，其他的都可以做定量的探究，而且消除了學生的思維障礙，課堂效果顯著.

《義務教育物理課程課標（2011版）》已經實行約六年，基礎教育課程改革已經全面啟動，以核心素養培養為重點的物理課程改革也已經開啟，其中明確提出要改變以往單一的教學模式，倡導學習方式多樣化，特別是提倡探究式的學習方式.因此，通過自制教具這種需要動手、動腦、動口相結合的實踐活動來展開中學物理實驗教學，在實踐活動中去完成自身知識建構，鍛煉動手能力和創新能力.

從培養學生的實驗探究性能力這方面來看，自制教具是一條非常有效的途徑，它能更好地激發學生的學習興趣，讓學生有終身學習的愿望.另外，利用自制教具不僅可以演示實驗現象和探究物理規律，還可以展示各種物理概念和使物理量變得更加直觀、易懂且生動有趣，從而加深學生對概念的理解和掌握.不管教師還是學生，大多數都能充分認識到自制教具對物理的教學和對物理知識的學習以及各方面能力的培養都有很大的幫助，能激發學生的創新意識，提高學生的創新能力.

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