焦耳定律實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)探究

丁良峰

（南京師范大學(xué)蘇州實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

物理是一門基于實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)不僅是手段，更是獲得真實(shí)體驗(yàn)，掌握、認(rèn)識(shí)學(xué)科價(jià)值的重要途徑.在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中指出要“通過實(shí)驗(yàn)，了解焦耳定律”.這表明學(xué)習(xí)焦耳定律內(nèi)容時(shí)需要通過實(shí)驗(yàn)探究形成科學(xué)認(rèn)知.人教版物理九年級(jí)第18章第4節(jié)焦耳定律和蘇教版物理九年級(jí)第15章第3節(jié)電流的熱效應(yīng)中分別采用了不同的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行探究.

人教版教材通過如圖1所示的電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行探究，電熱絲加熱空氣，利用空氣膨脹程度的差異使U型管中液體液面上升產(chǎn)生的高度差來判斷哪個(gè)電阻產(chǎn)生的熱量多.在實(shí)驗(yàn)過程中，通過以下兩點(diǎn)研究產(chǎn)生的熱量差異：①保持電流和通電時(shí)間相同，接入電阻R1、R2不同；② 保持電阻R1、R2和通電時(shí)間相同，在R2上并聯(lián)一個(gè)相同的電阻使得通過R1、R2電流不同.實(shí)驗(yàn)中不直接測(cè)電阻產(chǎn)生的熱量，而是把電熱多少表征為與密閉容器相連接的U型管兩邊產(chǎn)生的液面髙度差大小，高度差越大，證明電阻產(chǎn)生的熱量越大.

圖1

蘇教版教材中的實(shí)驗(yàn)為兩個(gè)錐形瓶裝有相同量的煤油，放置大小不同的電阻絲，通電后電阻絲產(chǎn)生的熱量不同，煤油升高的溫度不同.通過溫度變化量來反映產(chǎn)生熱量.讓學(xué)生在觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上探究，形成對(duì)焦耳定律的科學(xué)認(rèn)識(shí).新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)教學(xué)方式多樣化，鼓勵(lì)教師創(chuàng)新教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生不斷探索，提高分析問題、解決問題的能力和科學(xué)思維能力.

2 變通控制變量，培養(yǎng)科學(xué)思維能力

科學(xué)思維能力是物理教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力，科學(xué)方法的應(yīng)用是科學(xué)思維提升的表現(xiàn).探究焦耳定律實(shí)驗(yàn)過程中用轉(zhuǎn)化法體現(xiàn)電能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，用控制變量法來探究各個(gè)物理量之間關(guān)系，厘清內(nèi)在聯(lián)系.

焦耳定律實(shí)驗(yàn)是探究“通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q放與通電導(dǎo)體的電流I、導(dǎo)體的電阻R及通電時(shí)間t之間的關(guān)系”.從而形成對(duì)焦耳定律Q＝I2Rt的理解.通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量是電能轉(zhuǎn)為內(nèi)能，在實(shí)驗(yàn)時(shí)Q放無法直接測(cè)量，需要轉(zhuǎn)化成其他物理量或者可視化的形式，如被加熱物體的狀態(tài)、體積或顏色變化等.根據(jù)能量守恒定律Q放＝Q吸，吸熱過程中因此可以通過測(cè)量溫度變化表征產(chǎn)生熱量的多少.采取控制變量的方式探究通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q放與通電導(dǎo)體的電流I、導(dǎo)體的電阻R及通電時(shí)間t之間的關(guān)系：① 控制變量R、t，探究Q放與I的關(guān)系；② 控制變量I、t，探究Q放與R的關(guān)系；③ 控制變量I、R，探究Q放與t的關(guān)系.通過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生結(jié)合對(duì)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，推理論證，厘清各物理量之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)焦耳定律的科學(xué)本質(zhì).

3 定性定量分析，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究方案

結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了研究和改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作從定性演示到定量實(shí)驗(yàn)的裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

3.1 創(chuàng)新定性研究實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì).為能夠直觀觀察，設(shè)計(jì)了圖2所示的電路，電阻大小為R1＝R3＝20Ω，R2＝10Ω.將電熱絲按S形安裝在刻好的亞克力板板槽中，涂滿傳熱效果較好的導(dǎo)熱硅脂（如圖3所示），在上面粘貼3片厚度為1 mm的云母片，并涂上45度感溫變色粉.

圖2 定性實(shí)驗(yàn)電路圖

圖3 定性實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)探究.使用外接電流源與接線柱相連，同時(shí)閉合開關(guān)，電流開始做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，隨著時(shí)間的變化，感溫變色粉逐漸開始由褐色變成橙色（如圖4所示），最終都變?yōu)槌壬?

圖4 定性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分析.① 隨著時(shí)間的增加，顏色逐漸變化；② 對(duì)比R1、R2構(gòu)成的串聯(lián)電路，電流和時(shí)間相同的情況下，R1＞R2，R1所對(duì)應(yīng)的云母片上顏色變化快；③ 對(duì)比R1、R3構(gòu)成的并聯(lián)電路，電阻和時(shí)間相同的情況下，I2＞I1，R3所對(duì)應(yīng)的云母片上顏色變化快.從3個(gè)角度可以得出結(jié)論：時(shí)間越長，產(chǎn)生的熱量越多；電流越大，產(chǎn)生的熱量越多；電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多.該裝置操作簡(jiǎn)單，只需要連接電源調(diào)節(jié)電流即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)器材選用導(dǎo)熱效果好的硅脂和云母片，感溫變色粉顏色變化非常明顯，具有直觀可視的效果.

3.2 創(chuàng)新定量研究實(shí)驗(yàn)

科學(xué)思維能力的培養(yǎng)是運(yùn)用實(shí)證數(shù)據(jù)分析實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者問題的內(nèi)在聯(lián)系，領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)思想方法，技能與思維協(xié)同發(fā)展.在定性實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)影響電流熱效應(yīng)的因變量熱量Q放，自變量電流I、電阻R和時(shí)間t進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用控制變量分方式實(shí)驗(yàn)、分析因變量和自變量之間的關(guān)系，可以對(duì)規(guī)律形成科學(xué)認(rèn)知.

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì).電路原理圖仍為圖2，在器材設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，測(cè)量電流、溫度、時(shí)間均使用數(shù)碼表；加熱部分改為可以更換的電熱絲（阻值為4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω）；被加熱物選擇比熱小、導(dǎo)熱效果好且絕緣的煤油，放置在塑料瓶中，中間插入的熱敏電阻與數(shù)碼溫度計(jì)相連；所有器件安裝在一塊白色的亞克力板上，使用銅箔膠帶連接電路（如圖5所示）.

圖5 定量實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)探究.定量實(shí)驗(yàn)裝置將實(shí)驗(yàn)過程中的物理量以數(shù)據(jù)的形式來呈現(xiàn)，既可以讓學(xué)生通過觀察3個(gè)塑料瓶中煤油被加熱時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度變化，形成初步認(rèn)識(shí)，也可以使用1個(gè)或2個(gè)串聯(lián)的形式進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn).下面以2個(gè)串聯(lián)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（1）安裝電熱絲電阻為4Ω和10Ω的2個(gè)加熱瓶，加熱時(shí)間為50 s時(shí)，探究溫度變化ΔT與電流（I2）的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)如表1，其關(guān)系圖如圖6.

表1 R＝4Ω和10Ω，t＝50 s ΔT與I 2的關(guān)系

圖6 ΔT與電流（I 2）的關(guān)系

（2）分別安裝電熱絲電阻為4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω的加熱瓶，通電電流1.0 A，加熱時(shí)間為50 s時(shí)，溫度變化ΔT與電熱絲電阻R的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)如表2，其關(guān)系圖如圖7.

表2 I＝1.0 A，t＝50 s，ΔT與R的關(guān)系

圖7 溫度變化ΔT與電熱絲電阻R的關(guān)系

（3）安裝電熱絲電阻為6Ω、8Ω的加熱瓶，通電電流為1.0 A，探究溫度T與加熱時(shí)間t的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)如表3，其關(guān)系圖如圖8.

表3 I＝1.0 A，R＝6Ω和8Ω t與T的關(guān)系

圖8 溫度T與加熱時(shí)間t的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)分析.通過上述3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析：① 電阻和加熱時(shí)間不變時(shí)，溫度變化量ΔT與電流I2成正比；② 電流I和時(shí)間t不變時(shí)，溫度變化ΔT與電阻R成正比；③ 電阻和電流不變時(shí)，溫度T與時(shí)間t成正比.根據(jù)Q放∝ΔT，可得出，Q放∝I2、Q放∝R、Q放∝t，從而驗(yàn)證Q＝I2Rt.該實(shí)驗(yàn)裝置在忽略加熱瓶對(duì)溫度變化影響的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，使用溫度傳感器和數(shù)字電流表精度高、誤差小，使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn).從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，所測(cè)得的數(shù)據(jù)符合線性關(guān)系.通過探究實(shí)踐、數(shù)據(jù)分析可以讓學(xué)生形成科學(xué)認(rèn)識(shí)，充分理解焦耳定律.

物理的學(xué)習(xí)要注重科學(xué)探究，提高分析問題、解決問題的實(shí)踐本領(lǐng)和科學(xué)思維能力.在教學(xué)實(shí)踐過程中，教師以教材中的演示實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在潛意識(shí)中啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新.定性分析是科學(xué)探究的前提和方向，定量研究可以驗(yàn)證物理規(guī)律歸屬，從定性研究到定量分析的過程是科學(xué)探究的過程.通過實(shí)驗(yàn)探究、分析論證、批判質(zhì)疑、科學(xué)推理等過程.從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到物理本質(zhì)，從定性觀察分析到定量研究分析，科學(xué)認(rèn)識(shí)物理原理，理解科學(xué)本質(zhì).在實(shí)驗(yàn)探究過程中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，切實(shí)提高學(xué)生物理學(xué)科的關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng).