電流熱效應(yīng)實驗的改進與教學

湯強紅 許亞平

(1. 揚州市文津中學,江蘇 揚州 225000; 2. 江蘇鳳凰科學技術(shù)出版社,江蘇 南京 210009)

電流熱效應(yīng)是最普遍的電能轉(zhuǎn)化現(xiàn)象,遵循焦耳定律(Q=I2Rt).初中階段,課程標準的要求是“通過實驗,了解焦耳定律”.因此,從學生認知過程考慮,需要通過實驗感知通電導體產(chǎn)生的熱量與通過導體的電流、導體的電阻以及通電時間的關(guān)系.長期以來,如何設(shè)計適合該課題的教學實驗,一直處在不斷的研究與改進之中.

1 傳統(tǒng)實驗的問題

如圖1(a)(b)所示是以往常用的實驗裝置.它們是在沒有量熱器且傳統(tǒng)溫度計不適宜直接測量電阻(固體)溫度的條件下,通過電阻對一定質(zhì)量、比熱容較小的液體(如煤油)或空氣加熱,由它們的溫度變化反映電阻產(chǎn)生熱量的多少.但是,教學實踐證明,這類實驗存在一些缺憾.例如,圖(a)所示是用5 Ω、10 Ω的電阻給煤油加熱,當電源采用普通電池(組)或?qū)W生電源時,電流較小,加之溫度計測量精度較低,因此所需時間較長、采集數(shù)據(jù)較少.而要加大電流,則要提高電壓,但普通電池(組)或?qū)W生電源不能滿足.圖(b)所示是用5 Ω、10 Ω的電阻給封閉盒內(nèi)的空氣加熱,基于盒內(nèi)空氣熱膨脹(溫度升高氣壓增大)的原理,通過U形管中液柱升高的多少來反映溫度高低.相比之下,雖然相同電流下的實驗時長有所縮短,但憑借液柱升高多少的比較,顯然更為粗略、更為定性.另外,圖(a)實驗所需的煤油不易購得,圖(b)實驗的氣密性要求高,乳膠軟管易老化,更換頻繁.從教學來看,實驗的困難往往會導致不良教學行為,例如將做實驗變成講實驗、播放視頻,等等.

圖1

2 實驗改進新嘗試

2.1 測溫方法的改進

電流熱效應(yīng)表現(xiàn)為通電導體(電阻)發(fā)熱、溫度升高,溫度升得越高說明產(chǎn)生的熱量越多.因此,比較理想的方法是直接測量電阻的溫度.為此,我們想到了感溫靈敏、精度較高、且能顯示溫度值的電子溫度計(熱電偶溫度計).問題是,電子溫度計的感溫探頭與被測電阻(固體)也是點接觸.不過,與傳統(tǒng)溫度計感溫玻璃泡不同的是,它的感溫探頭是有一定長度的針狀.根據(jù)這一特點,筆者嘗試用“裹夾”的方法增大接觸面.如圖2所示,先在電阻表面裹一層鋁箔膠帶,然后再用鋁箔膠帶將感溫探頭裹夾在電阻上.這樣,針狀探頭與鋁箔充分接觸,且鋁箔是熱的良導體,其溫度能很快與電阻溫度相同,因而溫度計能靈敏反映電阻的溫度.至于為什么先要在電阻表面裹一層鋁箔,是因為電阻表面不平整,先裹一層鋁箔可以得到改善.

圖2

2.2 實驗效果的檢驗

實驗檢驗表明,以這種測溫方法進行實驗,在很小電流情況下,每隔1 min就能采集一次數(shù)據(jù),較短時間內(nèi)可以獲得多組數(shù)據(jù),因而能大幅度縮短實驗時長.

例如,以圖3(a)所示電路圖組成圖3(b)所示的實驗電路.取電流為0.1 A,每隔1 min記錄一次溫度,表1是筆者某次實驗的記錄.

表1 I=0.1 A,時間間隔1min溫度記錄

圖3

表格中T0是初始溫度,T1、T2、T3分別是通電后每隔1 min的溫度.值得說明的是,表中所見兩個電阻的初始溫度T0不相同,這是因為電子溫度計很靈敏,相同環(huán)境下的穩(wěn)定示數(shù)會略有差異.由于數(shù)據(jù)分析關(guān)注的是溫度變化量,因而不必追求嚴格相同.

實驗檢驗還表明,該實驗的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性較好,而且器材簡單、操作簡便,有利于學生分組實驗,具有較好的普適性.

3 教學要求的選擇性

實際實驗中,還應(yīng)改變電流(例如0.2 A或0.3 A)再測一組數(shù),以滿足不同電流條件下的比較.

由于操作簡單,數(shù)據(jù)比較可靠,因而實驗的能力要求主要表現(xiàn)在分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論.數(shù)據(jù)分析能力有不同的層次,實際教學中可根據(jù)課程標準和學生情況提出不同的要求.

以表1數(shù)據(jù)分析為例:橫向比較T1與T0、T2與T0、T3與T0,可知相同時間內(nèi)10 Ω電阻比5 Ω電阻的溫度升得更高,因而得到“熱量與電阻大小有關(guān)”的結(jié)論;縱向比較T0至T3,無論是5 Ω還是10 Ω電阻,溫度總是隨時間延長而升高的,因而得到“熱量與通電時間有關(guān)”的結(jié)論.再用電流變化后測得的數(shù)據(jù)與表1進行對比分析,可得到“熱量與電流大小有關(guān)”的結(jié)論.作為一般教學要求,學生能做如上分析就可以了.

如再深入一點,可將表1轉(zhuǎn)化成表2(相同時間1 min的溫差).

表2

由該表不但能明顯看出“相同電流、相同時間,10 Ω電阻比5 Ω電阻的溫度升得高”,而且,無論是5 Ω還是10 Ω電阻,各自相同時間升高的溫度都是近似相等的,其平均值分別約為0.5 ℃和1.0 ℃,因而可以初步得到“熱量與電阻成正比”的關(guān)系.再進一步,當用電流變化后的溫差數(shù)據(jù)與表2進行比較時,還可以發(fā)現(xiàn),在電流和電阻兩個因素中,電流大小對產(chǎn)生熱量多少的影響較大,可以初步看出“熱量與電流的平方成正比”的關(guān)系.

以上表述,不單純是說明數(shù)據(jù)分析有不同層次的能力要求.同時也看出,由該實驗得到的數(shù)據(jù),基本能達到驗證焦耳定律的要求.這是本文前述傳統(tǒng)實驗難以做到的.

最后說明,本實驗改進主要是考慮有利于初中學生在課堂條件下實施,僅供教師們在實踐和研究時參考.