焦耳定律演示器材再改進

錢逸雯 陳嘉煒

(1.江蘇省蘇州市學府中學 215000;2.江蘇省蘇州實驗中學 215000)

焦耳定律的實驗是初中物理中一個非常重要又比較難做的演示實驗.書上介紹的方法，所需的加熱時間太長，演示效果并不好.為盡可能的縮短實驗時間，在短時間內取得更明顯的實驗效果，筆者在演示儀器上做出了一些嘗試與研究.

一、結構原理

將裝置連接到電路中，打開電源，可以看到玻璃管內的液面升高.這是由于電阻通電后，產生的熱量使得周圍的空氣溫度升高，體積膨脹，瓶內的氣壓升高，將玻璃管內的液體壓了上去.通過觀察玻璃管內的液面變化，就可以了解導體產生熱量的多少.玻璃管內的液面升高得越多，說明導體產生的熱量就越多.

二、制作方案

1.在塞子中間打孔，穿過一根玻璃管，并用玻璃膠固定密封.在玻璃管上貼上刻度.

2.剝去電線的絕緣外殼，剪下兩段銅導線，分別連接在電阻的兩端.將銅導線穿過塞子，作為接線柱，并固定密封.

3.在300mL錐形瓶內加入一定量的水，至能夠蓋過玻璃管的下端，加入幾滴紅墨水便于觀察，塞緊塞子，防止漏氣.就制成了我們的焦耳定律演示儀器.

三、實驗方法

1.將該儀器，滑動變阻器，電流表串聯在電路中，打開電源加熱20s，記錄此時的電流，及玻璃管內液面升高的高度.待電阻冷卻后，調節滑動變阻器，打開電源加熱20s，記錄此時的電流，及玻璃管內液面升高的高度.比較數據，得出導體產生的熱量與電流的定性關系.

2.制作兩個阻值不同的裝置，串聯在電路中，此時通過電阻的電流和加熱的時間都相等.打開電源加熱20s，分別記錄兩個裝置的電阻及玻璃管內液面升高的高度.比較數據，得出導體產生的熱量與電阻的定性關系.

3.在前兩個實驗中，就可以得出導體產生的熱量與時間的定性關系.

四、改進方案

為使得實驗時間更短，或相同的時間內實驗現象更明顯，筆者分別用5Ω的金屬膜電阻(如圖2)與5Ω電阻圈(如圖3)制成裝置，在錐形瓶內分別加入150mL，160mL，170mL，180mL，190mL，200mL，210mL，220mL的液體，記錄電流為0.9A時，玻璃管內液面上升4cm所需的時間.再將上述兩個電阻用水均勻打濕，重復上述實驗，記錄數據.實驗數據如下表：

表1 干5Ω金屬膜電阻

實驗次數電流/A瓶內液體體積/mL液面上升高度/cm時間/s123456780.9150160170180190200210220428.2126.0124.1723.6222.3522.2822.6224.11

表2 濕5Ω金屬膜電阻

表3 干5Ω電阻圈

表4 濕5Ω電阻圈

1.錐形瓶內加入200mL液體最為合適

玻璃管內液面變化的快慢，取決于瓶內空氣體積變化的多少.瓶內空氣越多，升高相同的溫度時，體積變化得越大.但同時，瓶內空氣越多，電阻產生的熱量相同時，空氣溫度升高的越少，體積變化就越小.從數據中我們可以看出，隨著瓶內的液體增加，空氣的體積減小，液面上升所需時間先減小，后增大，在200mL時所需時間最短.由此可以看出，當瓶內空氣較多時，空氣體積變化的大小主要由空氣溫度的變化決定，由于溫度變化較大，所以所用時間縮短.而當瓶內的空氣減小至100mL以內時，空氣溫度變化的影響減小，由于空氣體積小，所以變化不明顯，時間略微變長.

2.電阻圈發熱效果更好

實驗室所用的電阻主要有兩種，一種是電阻圈，它是由金屬絲環繞而成，一般使用銅絲，通過改變銅絲的長度與粗細，就能夠改變阻值大小.另一種，即金屬膜電阻，在真空的環境中，通過高溫，使鎳鉻合金等在白瓷棒表面形成一層金屬膜，通過刻槽以及改變金屬膜厚度的方式來改變阻值大小.聯系生活中常用的電熱絲，白熾燈等發熱量大的電阻，會發現它們大多是電阻絲的形式.而焊接在電路板上的電阻，往往希望它的發熱量小一些，大多使用的是金屬膜電阻.筆者由此聯想，電阻圈的發熱效果是否優于金屬膜電阻.

通過表中的數據我們可以看出，用電阻圈制成的裝置，加熱時間約為金屬膜電阻的一半，可見使用電阻圈的發熱效果更好.常用的J2375型焦耳定律演示器，使用的是金屬膜電阻，如能將電阻改為電阻圈，實驗效果應該也能大大改善.

3.將電阻打濕現象更明顯

其他版本教材上的焦耳定律演示儀器，是利用煤油體積的變化來體現導體產生熱量的多少，與筆者所用儀器有類似之處，此處利用的是空氣的體積變化.當電阻產生的熱量相同時，若熱量被周圍的介質完全吸收，溫度均勻升高，煤油的比熱容為2.1kJ/(kg·℃)，空氣的比熱容為1.006kJ/(kg·℃)，空氣溫度升高約為煤油的兩倍.煤油的熱膨脹系數為9.0×10-4，空氣的熱膨脹系數為3.676×10-3，每升高一攝氏度，空氣的體積變化為煤油的四倍左右.也就是說，若吸收相同的熱量，空氣的體積變化為煤油的10倍左右，故而加熱空氣，實驗現象會比煤油明顯很多.但是即便如此，空氣體積的變化依然只有其本身體積的百分之一左右.并且在現實中，熱量的傳遞需要時間，靠近電阻的空氣溫度較高，遠離電阻的空氣溫度較低.空氣溫度越高，與電阻之間的溫差就越小，熱傳遞的速度就越慢，空氣體積膨脹的速度，又會受到一定的影響.

我們知道，水由液態變為氣態，體積約為原來的1000倍.若將電阻均勻打濕，電阻發熱時，會加速電阻上的水變成水蒸氣，在密閉的容器內，氣體的體積迅速變大，能夠在更短的時間看到玻璃管內的液面迅速上升.

五、反思

本儀器通過再改進，實驗效果得到了改善，但依然存在一些問題.

1.本儀器利用了空氣的熱脹冷縮，也就意味著對儀器的密閉性要求較高.橡膠老化，玻璃膠脫膠等，都可能會導致儀器漏氣，影響儀器的氣密性，輕則增加實驗的時間，無法定量實驗；重則會出現液面下降的情況，實驗無法進行.玻璃膠脫膠處，可以涂抹凡士林減少漏氣.塞子與瓶口接觸處，可以包裹聚四氯乙烯生料帶，再灑上一些水，使其膨脹，填補漏洞，防止漏氣.

2.錐形瓶內裝有大量的水，液體蒸發，空氣中有大量的水蒸氣，比較潮濕.電阻長時間處于潮濕的環境中容易生銹斷裂，銅導線容易生出銅綠導致接觸不良，裝置不易保存.可以嘗試將瓶內的水換成煤油等不易揮發的液體，或在水面上滴一些煤油，抑制水的蒸發，保持瓶內干燥.

3.錐形瓶的材質是玻璃的，空氣溫度升高后，極易通過玻璃向外散熱，熱量的散失會使得空氣體積變化減小，液面上升變慢.可在錐形瓶外包裹泡沫板等保溫隔熱材料，若制作數量不多，也可直接使用保溫瓶進行制作.

4.電阻加熱后，散熱需要較長的時間，若不能等電阻冷卻，連續地進行實驗，就會導致液面變化不明顯，影響實驗結論的得出.若要定量的實驗，誤差極大.尤其在探究與電流的關系時，需要調節滑動變阻器二次實驗，為保證實驗效果，可以將實驗方案改進.此時需要三個阻值相同的電阻，將其中兩個并聯后，再與第三個串聯(如圖4).虛線圈內的兩個電阻，阻值相同，通過的電流不同，閉合開關后，可同時觀察兩個玻璃管內液面的變化，來比較導體產生熱量的多少.