DIS實(shí)驗(yàn)在探究電流的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

楊樺　王宏

摘 要：DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程及其效果中各有優(yōu)缺點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生能力上各有側(cè)重，因此在物理教學(xué)中既要提倡運(yùn)用DIS，又不能偏廢對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)手段和實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)。本文研究了DIS實(shí)驗(yàn)在探究電流的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，使DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合達(dá)到了很好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；電流的熱效應(yīng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）7-0034-3

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System）被引入中學(xué)物理教學(xué)以來，對(duì)新課程的教學(xué)改革起到了很大的促進(jìn)作用，但DIS實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用一直備受爭(zhēng)議。DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的更快、更準(zhǔn)確、更直觀，有助于培養(yǎng)學(xué)生在觀察中思考探究的能力。而對(duì)于物理原理的理解、物理思維的培養(yǎng)和動(dòng)手、作圖能力的鍛煉，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，DIS實(shí)驗(yàn)略顯不足。因此，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)選擇實(shí)驗(yàn)方式，也可以將二者結(jié)合起來。本文以“探究電流的熱效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)為例，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。

1 分析傳統(tǒng)探究電流的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

常見的探究電流的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案有兩個(gè)：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)利用電阻絲加熱質(zhì)量相同的煤油，使煤油的溫度升高，煤油升高的溫度即反映出電阻絲放出的熱量的多少。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)方案是目前很多學(xué)校采用的實(shí)驗(yàn)教具，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)利用電阻絲加熱封閉在相同盒子里的空氣，空氣受熱膨脹推動(dòng)液柱上升，液柱上升的高度即代表電阻絲放出的熱量多少。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

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圖1 加熱物質(zhì)為煤油的電流的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 加熱物質(zhì)為空氣的電流的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖

表1 兩個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)

2 運(yùn)用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究

2.1 探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與通電時(shí)間和電阻的關(guān)系

2.1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用阻值分別為R1=2 Ω和R2=4 Ω的電阻絲加熱質(zhì)量相等的煤油，測(cè)溫裝置用溫度傳感器代替溫度計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。將兩根電阻絲串聯(lián)在電路中，電源電壓為12 V。電流通過電阻絲放出的熱量可分為三部分，電阻絲吸收的熱量Q1、煤油吸收的熱量Q2、散失的熱量Q3，散失熱量包括瓶子、空氣吸收的熱量。實(shí)驗(yàn)中被加熱的煤油的質(zhì)量為200 g，因此煤油的熱容量（c2m2）遠(yuǎn)大于電阻絲的熱容量（c1m1），Q1可被忽略不計(jì)，為了減小散失的熱量，我們用保溫板和脫脂棉制成保溫套，將兩個(gè)煤油瓶置于保溫套中加熱。若煤油在加熱的初始階段，散失的熱量占的比重很小，可以認(rèn)為煤油吸收的熱量近似等于電阻絲放出的熱量，Q放≈Q2，即I2Rt≈c2m2ΔT2，ΔT2 ≈■，可見煤油升高的溫度與電流的平方、電阻絲的阻值和通電時(shí)間成正比。計(jì)算機(jī)將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)繪成溫度隨時(shí)間變化的圖像，我們根據(jù)圖像的特點(diǎn)可以分析得出電熱與電流、電阻和通電時(shí)間的定量關(guān)系。

圖3 溫度傳感器測(cè)溫示意圖

2.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4 探究電熱與電阻的關(guān)系時(shí)，煤油溫度隨時(shí)間的變化圖像

2.2 探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的關(guān)系

2.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將兩個(gè)阻值為2 Ω的電阻并聯(lián)后與另一個(gè)阻值為2 Ω的電阻串聯(lián)，使干路的電流為支路電流的2倍，電源電壓為12 V。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5 探究電熱與電流的關(guān)系時(shí)，煤油溫度隨時(shí)間的變化圖像

2.3 將加熱對(duì)象由煤油改為空氣， 探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系

2.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

用阻值分別為R1=2 Ω和R2=4 Ω的電阻絲加熱相同容器內(nèi)的空氣。R1與R2串聯(lián)，電源電壓為6 V。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)3的數(shù)據(jù)圖像如圖6所示，溫度1和溫度2分別代表阻值為2 Ω和4 Ω的電阻絲加熱的煤油溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。開始階段，溫度近似線性上升。這是因?yàn)槿萜鲀?nèi)空氣與外界空氣的溫差較小，散熱較少，空氣吸收的熱量近似等于電阻絲放出的熱量。隨著溫度的升高，散熱加快，升溫減緩，溫度隨時(shí)間的變化不再是線性關(guān)系。由初始階段的數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)■=1.2，小于■。這是因?yàn)榭諝獾臒崛萘枯^小，溫度的變化過程持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，當(dāng)被大電阻加熱的空氣溫度變化減緩時(shí)，被小電阻加熱的空氣還處于快速升溫階段，所以■<■。由此可見，利用加熱空氣得到電熱與電流、電阻和通電時(shí)間的定量關(guān)系，效果并不理想。

圖6探究電熱與電阻的關(guān)系時(shí)，空氣溫度隨時(shí)間的變化圖像

3 總 結(jié)

由數(shù)據(jù)分析過程可以看出，學(xué)生利用計(jì)算機(jī)可以對(duì)圖像中的任意一段區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，尋找規(guī)律，這種方式使數(shù)據(jù)處理更加靈活，既鍛煉了學(xué)生的數(shù)學(xué)圖形分析能力，又提高了學(xué)生對(duì)復(fù)雜物理問題的分析判斷能力。由于計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)方便快捷，學(xué)生可以用節(jié)省的時(shí)間設(shè)計(jì)更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索研究，即使一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果用現(xiàn)有的知識(shí)無法解釋，但這恰恰為學(xué)生提供了拓展、聯(lián)想的空間，培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究能力和創(chuàng)新能力。綜上所述，教師在教學(xué)中應(yīng)該善于發(fā)現(xiàn)DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)的契合點(diǎn)，為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)踐機(jī)會(huì)，使學(xué)生從中受益。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏良英.DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的對(duì)比研究[J].物理教師，2014，（4）：42.

（欄目編輯 李富強(qiáng)）