運用自制教具定量探究焦耳定律

(江蘇省南京市第一中學馬群分校，江蘇 南京 210049)

物理課程是一門注重實驗的科學課程，義務教育物理課程應注意讓學生經歷實驗探究的過程,提高分析問題和解決問題的能力。“焦耳定律”的教學是初中物理典型的規律探究教學，為體現實驗的嚴謹性,促進初高中物理課程的銜接,筆者自制教具,設計了定量實驗方案,借助DIS實驗系統進行數據處理,有效培養了學生的核心素養。

1 實驗設計

蘇科版初中物理教材的探究實驗活動僅從定性的角度進行，在探究影響電流熱效應因素的基礎上歸納出結論：導體的電阻越大，通過的電流越大，通電時間越長,它產生的熱量就越多。學生在學習過程中，并不能獲得通過導體的電阻、電流、通電時間與發熱量的定量關系，無法對焦耳定律有深刻的理解。為此，在上述探究活動的基礎上,本實驗設計借助DIS中的溫度傳感器,得到電流不同或電阻不同時煤油溫度與時間的關系圖像。

根據Q=cmΔt，在忽略熱量損失的情況下,煤油吸收的熱量等于電熱絲放出的熱量,煤油的溫度變化量Δt即可間接表示電熱絲產生的熱量Q,從而得出不同電流情況下電熱絲產生的熱量與電流的定量關系。同理,也可以得出熱量與電阻的定量關系。運用DIS實驗系統，實驗數據處理更快、更準確、更直觀,有助于培養學生的實驗能力。

2 實驗方法

《義務教育物理課程標準(2011年版)》提出：要讓學生經歷設計實驗與制定計劃的過程,并嘗試選擇科學探究方法。筆者自制的實驗教具主要是為了解決以下兩個問題。

(1)用轉換法解決電熱絲產生熱量的顯示

以教材中的實驗裝置圖為模板,將其進行改進,用有蓋的透明塑料瓶代替玻璃錐形瓶,既簡化了裝置又節約了實驗成本。選擇電爐中使用的電熱絲,其規格為“220V 300W”,將其浸泡在40mL的煤油中,用溫度傳感器代替溫度計(圖1)，將不易測量的電熱絲所產生的熱量轉化為煤油吸熱升溫后溫度的變化量。

圖1

(2)用控制變量法解決混聯電路問題

在實驗前學生設計了圖2和圖3所示的電路圖,分別控制電阻和電流相同，得出定性結論:導體中流過的電流越大，電阻越大，通電時間越長,所產生的熱量越多。

圖2

圖3

為了更加科學地得出焦耳定律的內容表述,讓學生知道電熱與電流的定量關系,采用圖2所示電路,保持電阻不變,通過改變滑動變阻器電阻來改變電流,多次嘗試發現：由于前后兩次實驗中電阻變化較大,且煤油中途需降溫,耗時較長,很難達到預期的效果。借助混聯電路,可實現另一種形式的變量控制。

將三個阻值相等的電熱絲連接成圖4所示的電路,控制電阻相同,研究電流為原來的兩倍時電熱絲產生熱量的倍數關系。利用圖5探究電流為原來的三倍時電熱絲產生熱量的倍數關系。

圖4

圖5

為控制電流相同，依然采取兩電熱絲串聯的方式,選擇電阻值不同且大小關系分別為兩倍、三倍的電熱絲,如圖6和圖7連接電路,研究電流一定時,電阻為原來的兩倍或三倍時電熱絲產生的熱量的倍數關系。

圖6

圖7

3 教學過程

圖8

實驗操作前,通過師生互動,將設計的實驗電路圖顯示在屏幕上,讓學生理解實驗的原理和目的。先研究電流之比為2∶1的情況，圖8為實物圖，通過數據采集器將溫度值導出并進行處理,繪制成圖9所示的圖像，實驗表明:電阻和通電時間相同,當流過電阻的電流之比為2∶1時,產生的熱量之比約為4∶1。

圖9

再研究電流之比為3∶1的情況，重復以上操作,得到圖10所示的溫度變化圖像，分析數據得出:電阻和通電時間相同,當流過電阻的電流之比為3∶1時,產生的熱量之比約為9∶1。

圖10

綜合以上兩個實驗結果，總結出:當電阻和通電時間相同時,導體產生的熱量與電流的二次方成正比。

將兩個電阻值之比為2∶1的電熱絲串聯在電路中,保證電流相同,探究熱量與電阻之間的定量關系，結果顯示：當電阻為兩倍關系時,導體產生的熱量也為兩倍關系(圖11)。

圖11

再將兩個電阻值之比為3∶1的電熱絲串聯在電路中,重復以上操作,得到溫度變化情況如圖12所示，結果顯示：當電阻為3倍關系時,產生的熱量也為3倍關系。

請學生總結并完整表述焦耳定律的內容:電流通過導體產生的熱量與電流的平方成正比,與導體的電阻成正比,與通電時間成正比,用公式表示為：Q=I2Rt。

在純電阻電路中,電熱器產生的熱量等于電流所做的功,Q=W=UIt，再根據歐姆定律U=IR,可以得到Q=I2Rt,與實驗結論相符。

4 結語

實驗中選用了透明塑料瓶、電熱絲和煤油,成本低廉,達到了預期的教學效果。在控制電阻相同時,采用的混聯電路對學生的理解提出了較高的要求。當然,由于器材的限制,選取的兩個阻值相同的電阻在實驗的過程中由于溫度變化不同,導致電阻變化也不同,在控制電阻一定時存在系統誤差。為進一步提高實驗的精確度,應尋找阻值隨溫度變化更小的電阻來進行實驗。