探究“影響電流熱效應因素”的實驗裝置制作及使用

繆躍林 陳 鈺

（1.如東縣新店鎮(zhèn)初級中學，江蘇 如東 226432；2.南通市海門市東洲中學，江蘇 海門 226100）

1 問題的提出

“電流的熱效應”又通常稱為“焦耳定律”，是蘇科版物理教材9年級第15章“電功與電熱”的重點內(nèi)容，它是電功與電功率的具體應用之一，是電能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的具體體現(xiàn)，也為下一節(jié)“安全用電”的學習做了知識準備.因此，本節(jié)課在全章中起著承上啟下的作用.教學中，做好“探究影響電流熱效應的因素”的實驗以及分析數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，這也是教學的重難點.

如圖1是蘇科版教材中給出的“探究影響電流熱效應的因素”的實驗裝置.該裝置的原理是將一段電阻絲浸沒在一定質(zhì)量的煤油中，通電時電阻絲產(chǎn)生的熱量被煤油吸收，煤油溫度就會升高.因此，我們可以通過煤油溫度的變化來比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.采用該裝置以及煤油做這個實驗的優(yōu)點是實驗過程穩(wěn)定、成功率較高.缺點是煤油獲取不方便；加熱時間較長散熱時間更長，難以當堂課完成所有探究任務；電阻絲隨著煤油升溫阻值會變大，實驗數(shù)據(jù)失真從而導致定量分析困難.

圖1 教材裝置

2 自制教具改進實驗

在薄木板上打孔裝上接線柱，將長約為100 mm內(nèi)徑為13 mm下端垂直穿孔的玻璃管黏在木板上.然后將兩根直徑約為0.3 mm的相同長度的電阻絲R1、R2（R1、R2阻值之比約為3∶2）穿過玻璃管下端的孔中（如圖2所示）.實驗時，將長為150 mm直徑為11 mm的熱熔膠棒豎直插入玻璃管中，使其下端壓在電阻絲上，玻璃管內(nèi)的一段電阻絲為實際研究對象，并在旁邊平行放好刻度尺（如圖3所示）.

圖2 裝置制作

圖3 實驗前準備

3 進行實驗并記錄分析數(shù)據(jù)

將自制裝置豎直架在鐵架臺上，與學生電源、電流表、滑動變阻器等串聯(lián)接入電路（如圖4所示）.在保證熱熔膠棒對電阻絲壓強一定的情況下，通電時電阻絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱量被熱熔膠棒吸收后熔化下降.發(fā)熱越多，下降越快，下降高度越高.因此，我們可以通過測量其下降高度來比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.下面是實驗探究過程.

圖4 R1中進行實驗

（1）只將R1單獨接入電路，在玻璃管中插入熱熔膠棒.閉合開關(guān)，保持電流不變，改變通電時間，觀察熔膠棒下降高度.多次實驗記錄如表1所示，并將數(shù)據(jù)插入Excel表格繪制圖像如圖5.可以發(fā)現(xiàn)電阻、電流一定時，電流產(chǎn)生的熱量與時間成正比.

表1 電熱與通電時間的關(guān)系

圖5 電阻、電流一定時，下降高度與時間關(guān)系

（2）繼續(xù)在R1中實驗.保持時間一定，調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變通過電阻絲的電流，進行多次實驗如表2所示，并將數(shù)據(jù)插入Excel表格繪制圖像如圖6.可以發(fā)現(xiàn)電阻、時間一定時，電流產(chǎn)生的熱量與電流大小有關(guān)，電流越大熱量越多.

表2 電熱與電流的關(guān)系

圖6 電阻、時間一定，下降高度與電流關(guān)系

（3）將兩個熱熔膠棒分別插入串聯(lián)的電阻絲R1、R2玻璃管中（如圖7所示）.通電一定的時間，觀察熱熔膠棒下降的高度如表3，繪制圖像如圖8.可以發(fā)現(xiàn)電流、時間相同時，電流產(chǎn)生的熱量與電阻成正比.

圖7 R1、R2 中實驗

表3 電熱與電阻的關(guān)系

圖8 電流、時間一定時，下降高度與電阻的關(guān)系

4 實驗改進與創(chuàng)新后的反思

4.1 改進實驗的優(yōu)點

（1）實驗裝置易操作，可控性強，器材故障率低，操作方便，成功率高.另外，該裝置制作完成能反復長時間使用、成本低.

（2）實驗原理簡單，學生容易接受.直接從刻度尺上讀出熱熔膠棒下降高度，就可以知道熱量多少.

（3）演示實驗可視性大大提高，學生參與感強.觀察下降高度比溫度計更容易、更直觀.可全員參與，激發(fā)了學生的學習興趣.

（4）把定性觀察改為部分定量實驗.通過比較熔膠棒下降高度，能粗略比較電流產(chǎn)生的熱量與時間和電阻的比例關(guān)系；能發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生的熱量與電流的定性關(guān)系.在初中對精確度要求不特別高的情況下，使實驗具有更強的可信性.

4.2 實驗注意點

（1）兩個電阻絲的阻值用歐姆表和伏安法測量有差距，只能大致知道一個比值.且實驗中隨著電流的增大，溫度升高，阻值會略有變化；實驗時要微調(diào)滑動變阻器保障電流一定.

（2）電流為0.4 A以下時，熱熔膠棒不易熔化，實驗不能進行.