用量熱器定量實驗驗證焦耳定律

熊建新

（武漢市楚才中學 湖北 武漢 430051）

焦耳定律是初中物理的重要定律，一直是教學的重點和難點.通常用的焦耳定律實驗器的原理是，給密閉容器中的電阻通電，產生的熱量使密閉容器中空氣的溫度升高，壓強增大，從而使與密閉容器相連的U型玻璃管中原來相平的水面產生高度差，高度差的大小反映了通電電阻產生熱量的多少.該儀器的優(yōu)點是，現(xiàn)象非常明顯，實驗時間短.缺點是，對密封性要求嚴，只能用來定性地演示.筆者嘗試用量熱器進行定量實驗來驗證焦耳定律，取得了好的教學效果，學生經歷了規(guī)律發(fā)現(xiàn)的過程，加深了對控制變量法、轉換法的理解，學會了一種定量分析處理數(shù)據(jù)的方法.該實驗方案電路簡單，操作簡便，實驗數(shù)據(jù)很有說服力，實驗時間短，能在一節(jié)課較快、較好地完成三個定量的演示.現(xiàn)詳述如下.

1 實驗器材

教學 電 源 （1.5V，3V，4.5V，6V，9V，12V擋），停表（鐘），量熱器4個，精密玻璃棒水銀溫度計（量程0℃～50℃，分度值0.1℃）4支，導線若干，量筒（量程100ml，分度值1ml），煤油，放大鏡.

2 實驗原理

將量熱器接上電源，加熱煤油.煤油吸收的熱量

其中c，m，Δt分別是煤油的比熱容、質量、升高的溫度.量熱器的熱效率為

式中W電是電流通過量熱器電熱絲消耗的電能，Q放是電流通過量熱器電熱絲產生的熱量，c筒和m筒，c絲和m絲，c攪和m攪，c其他和m其他分別是內筒、電熱絲、攪拌器、溫度計等其他吸熱介質的比熱容、質量.為簡化問題，這里假設各種吸熱介質升高的溫度Δt相同.因此，量熱器的η是一定的，有

因此Δt與Q放成正比.分別研究Δt與時間、電流、電阻的關系，可以推導出Q放與時間、電流、電阻的關系.

3 探究電熱與時間的關系

3.1 實驗電路及實驗方法

實驗電路如圖1，實物連接如圖2.將量熱器接上電源，加熱煤油.電熱絲的電阻一定，電源的輸出電壓一定，則通過電熱絲的電流一定，每隔一定的時間測出煤油的溫度.研究煤油溫度升高的度數(shù)Δt與相應通電時間的關系，可以推導出Q放與通電時間的關系.

圖1 實驗電路圖

圖2 實物連接圖

3.2 實驗步驟

（1）向量熱器中注入100ml煤油，記下煤油的初始溫度.

（3）按電路圖連接電路，教學電源撥到6V擋.

（3）閉合教學電源的開關，通電加熱，同時開始計時，加熱過程中不斷輕輕攪拌，加熱30s，斷開開關，停止加熱，繼續(xù)輕輕攪拌，待溫度計示數(shù)穩(wěn)定時讀數(shù)，記在表格中.

（4）重復上述步驟（3）做4次.

3.3 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 實驗數(shù)據(jù)

3.4 實驗數(shù)據(jù)分析及結論

由表1的實驗數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內，煤油溫度升高的值Δt與相應通電時間t之間成正比令Δt＝K1t，又Δt與Q放成正比，令Δt＝K2Q放，則

式中K1，K2為常量.因此，可以得出結論，在導體的電阻、通過導體的電流一定時，電熱Q放與通電時間t成正比.

電熱Q放與通電時間t成正比的關系也可以從理論上證明，即Q放＝W電＝Pt，式中P是量熱器的電功率，P一定，因此，產生的電熱Q放與通電時間t成正比.

4 探究電熱與電流的關系

4.1 實驗電路及實驗方法

實驗電路如圖1所示，實物連接如圖2所示.將量熱器接上電源，加熱煤油.電熱絲的電阻一定，改變電源的輸出電壓就改變了通過電熱絲的電流.多次測量算出電阻一定的電熱絲在通電時間相同而通過的電流不同的條件下加熱煤油時，煤油溫度升高Δt.研究Δt與電流的關系，可以推導出Q放與電流的關系.

4.2 實驗步驟（仍用圖2所示實驗裝置繼續(xù)實驗）

（1）記下煤油的初始溫度，教學電源撥到4.5V擋.

（3）閉合教學電源的開關，通電加熱，同時開始計時，加熱過程中不斷輕輕攪拌，加熱1min，斷開開關，停止加熱，繼續(xù)輕輕攪拌，待溫度計示數(shù)穩(wěn)定時讀數(shù)，算出升高的溫度Δt，記入表格.

（3）教學電源撥到6V擋，重復步驟（3）.（4）教學電源撥到9V擋，重復步驟（3）.

4.3 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)記錄如表2所示.

表2 數(shù)據(jù)記錄

4.4 實驗數(shù)據(jù)分析及結論

因此，可以得出結論，在導體的電阻、通電時間一定時，電熱Q放與電流I的平方成正比.

5 探究電熱與電阻的關系

5.1 實驗電路及實驗方法

實驗前改裝兩個量熱器，將兩根相同的電熱絲并聯(lián)做為其中一個量熱器的發(fā)熱元件，將3根相同的電熱絲并聯(lián)做為另一個量熱器的發(fā)熱元件.經測量單根電熱絲的電阻約2.5Ω.實驗電路如圖3所示.

圖3

實物連接如圖4所示.

圖4 實物連接圖

將3個量熱器串聯(lián)接上電源，加熱質量和初溫相同的煤油.3個量熱器電熱絲的電阻值成倍數(shù)關系，通過的電流相同，測量算出在通電時間相同時各個量熱器中煤油升高的溫度Δt.研究Δt與電阻的關系，可以推導出Q放與電阻的關系.

5.2 實驗步驟

（1）3個量熱器中均加入100ml煤油，記下煤油的初始溫度.

（3）按電路圖連接電路，教學電源撥到9V擋.

（3）閉合教學電源的開關，通電加熱，同時開始計時，加熱過程中不斷輕輕攪拌，加熱1min，斷開開關，停止加熱，繼續(xù)輕輕攪拌，待溫度計示數(shù)穩(wěn)定時讀數(shù)，分別算出3支溫度計升高的溫度Δt，記入表格.

5.3 實驗數(shù)據(jù)

實驗記錄如表3所示.

表3 實驗數(shù)據(jù)

5.4 實驗數(shù)據(jù)分析及結論

分析實驗數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內，Δt與R成正比，令Δt＝M1R，又令Δt＝M2Q放，其中M1，M2為常量.

因此，可以得出結論，在電流、通電時間一定時，電熱Q放與電阻R成正比.

6 注意事項

環(huán)境氣溫不同，實驗數(shù)據(jù)會有變化 .為減少誤差，要保證實驗室不通風.電源電壓以不低于4.5V為宜，否則溫升不明顯.實驗前要擰緊量熱器上緊固電熱絲的螺母.探究電熱與電阻的關系時，必須保證三個量熱器中煤油的質量和初溫相同.為準確讀數(shù)可通過放大鏡觀察溫度計.