基于大單元教學背景下初中物理實驗教學的探索
——電流熱效應的影響因素

安徽省合肥一六八玫瑰園學校(230601) 韓 磊

大單元教學的宗旨是貫徹新課程理念，提高學生綜合素質，為學生終身幸福打基礎，目的是把學科教學從“小單元”中解放出來，以更大的視野、更高的層面、建構新的教學系統。根據課程知識、方法的需要可以前后穿插，使課堂教學更趨于合理、高效。現以初中物理教學中探究電流產生熱量的影響因素為切入點，探討大單元背景下的實驗教學。

1 電流產生熱量的實驗探究

滬科版和人教版都從電爐變紅、電熨斗、電飯煲等作為引入電流產生的熱量多少與哪些因素有關為問題引入，旨在引導學生討論對電流熱效應有影響的因素。滬科版教材通過煤油升溫、比熱公式測算出熱量，再根據控制變量的思想“探究電流產生的熱量與通電時間”“探究電流產生的熱量與電流大小是否有關”“探究電流產生的熱量與電阻大小是否有關”(見圖1)，逐個探究得出結論；人教版教材通過兩個透明容器中密封著等量的空氣，觀察U型管液面高度的變化，反映密閉空氣的壓強變化。根據理想氣體狀態方程結合比熱公式可以測算出相應數據，具體實驗以“探究電流產生熱量與電阻是否有關”“探究電流產生熱量與電流大小是否有關”兩個探究實驗展開(見圖2)，記錄、計算得出結論。

圖1 滬教版教材中電流產生熱量實驗

實驗的探究得出電流產生熱量的公式(焦耳定律)，指出電流產生的熱量跟流過導體電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。然而在猜想過程中怎樣解釋電流產生熱量與電壓關系呢？前面的學習已經知道電流做功與電路兩端電壓U、電路中電流I、通電時間t有關，這里怎樣引導呢？

2 電流產生熱量影響因素的猜想

此處是開放性猜想，對于學生有一定科學性的猜想應該給予積極反饋，可以在課堂教學中根據實際教學情景對照以下5種實際情況合理過渡、穿插。

現象1：如圖3所示，閉合開關，使燈泡發光，學生可以用手感知到剛開始燈泡溫度較低，隨著時間的累積，燈泡的溫度越來越高。

圖3 電流產生熱量影響因素實驗

現象2：設置對照組，改變通過同一個燈泡的電流，可以看到相同時間，電流越大的實驗組，燈泡的溫度越高。

現象3：相同電流流過電阻不同的燈泡，可以看到相同時間，電阻越大的燈泡溫度越高。

根據以上3種現象，初步總結：根據現象1很容易得出電流熱效應與時間的關系，現象2的結果到底是電流因素還是電壓因素呢？現象3的結果到底是電阻因素還是電壓因素呢？這兩個還存在不確定性。為了進一步分析判斷，設置下面現象4和現象5。

現象4：如圖4所示，斷開開關，電壓表測電池兩端有電壓，同時電池內部也有電阻，但電池不產生熱；閉合開關，電壓表示數幾乎為零，電流很大，電流通過電池內部，電池很快發熱(電源短路，注意控制實驗時間)。

圖4 電源短路實驗

其他條件相同，有電壓，無電流，沒有產生熱量；無電壓，有電流，產生熱量。作為對照不難發現產生熱量的因素是電流，而不是電壓。這也符合我們一直說的電流做功，同時也可以類比水流推動水輪機運動發電，僅有水壓，沒有水流不能發電。

現象5：電爐絲是由電阻絲做成且電阻越小電爐絲發熱功率越大，通過查閱資料，若將電阻絲換成超導材料(電阻為零)，盡管超導材料兩端有電壓、有電流、有通電時間，但不產生電熱。

綜合以上實驗得出：電流的熱效應的影響因素是電阻，而不是電壓。

3 電功的影響因素與電阻無關的分析

學生在猜想電流做功影響因素的時候很容易就會想到電流、電壓、電阻、通電時間。很多老師對于電阻這個影響因素往往選擇規避或者簡單帶過，重點放在電功公式及其計算上。在具體習題中學生雖然會按照老師的W=UIt公式去計算電功，可是學生會經常見到公式的變形，其中就有電阻R的計算，而且有時可以，有時又不可以，特別是在學完電流熱效應后可能這種疑惑就更大了，此時可以結合前面的學習做個說明。

對于通電時間的理解很簡單，此處不贅述；電流做功自然聯想到與電流有關；電壓是形成電流的原因，所以電流做功可能與電壓有關；以上聯想是老師最想看到的，可是學生一定還會有一個聯想，特別是學習電流熱效應之后更加會產生再度思考：電阻影響電流的熱效應，而且電阻對電流也有阻礙作用，電阻對電流做功有沒有影響呢？為何電功公式僅僅體現W=UIt呢？這個問題看似很好解決，實際在設計探究實驗的時候很難完成，因為無論是串聯或者并聯，至少都會有兩個變量，所以學生理解起來很不容易。這里將常用的兩種方法總結如下。

3.1 類比法

前面我們學過：“力作用在物體上，使物體向前運動，形成的效果是物體向前運動，隨著時間的積累會有一段距離，力與距離的乘積為機械功”。類比來看，電壓作用在正常工作的用電器(電阻)上，也會形成一定的效果——電荷定向移動(即電流)。隨著時間的累積會有一定的電荷移到電阻的另一邊。所以，力類比電壓，距離(速度的時間累積)類比電荷(電流的時間累積)，力與距離的乘積是機械功，電壓與電荷的乘積是電功。細分一下就是W=UIt。補充一下，機械功與力和在力的方向上的距離有關，與物體本身大小無關；電功與電壓和電荷(電流、時間)有關，與流過的物體(電阻)本身無關。

3.2 反證法

已知L1、L2兩燈泡的電阻R1>R2,按圖5連接電路進行實驗時發現：甲組實驗中L1的亮度更亮；乙組實驗中L2更亮。

圖5 反證法

通過圖5中可以得出兩個結論：①電流相同時，電阻越大，電功越多；②電流相同時，電壓越大，電功越多。通過圖5中可以得出結論：①電壓相同時，電阻越大，電功越小；②電壓相同時，電流越大，電功越大。

除了以上方法之外，舉例再論證：電動機工作時，消耗的電能(電功)，一部分轉化成機械能，另一部分轉化成了內能(電熱)。若線圈是用超導材料繞成的，線圈便無電阻，不再發熱，但電動機仍然工作，電流仍在做功，不會因為電阻為零，電功為零。

可見，電功與電阻無關。

至于在具體計算過程中，有時電功公式W=UIt可以變形成W=I2Rt或W=(U2/R)t，這是因為在這些電路或用電器上，電功幾乎全部轉化為熱量，這部分電路稱為純電阻電路，此時的“電功等于電熱”，只是大小相等，并不是說二者相同或影響因素相同。

在大單元教學背景下，以教材為基礎，把握知識整體框架，跳出傳統的章節限制，多角度、多維度的將知識整合、重組，形成一個相對完整、系統、高效的教學設計。做實深度教研，培養學生獨立思考、合作探究、交流分享、總結提升的能力。