關(guān)于改進焦耳定律演示實驗的思考

邱美強

【摘 要】物理是一門實驗性學(xué)科。在初中物理教學(xué)過程中，演示實驗起著及其重要的作用，它是學(xué)生建立物理概念和規(guī)律、理解和掌握物理知識的重要途徑。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)該思考如何改進實驗方法和實驗裝置，提高實驗效果。本文用手機安裝紅外熱感相機，對焦耳定律實驗進行改進。

【關(guān)鍵詞】焦耳定律；演示實驗；改進；電熱

物理是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。特別在初中物理教學(xué)中，實驗教學(xué)是非常重要的內(nèi)容。初中物理教學(xué)是學(xué)生進入物理知識寶庫的入門和啟蒙，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣，具有初步觀察事物、分析問題、解決問題能力的關(guān)鍵。實驗作為物理教學(xué)的一種手段，對有效地引起學(xué)生的感性認知、思維激活、知識形成和記憶強化都起著重要的作用。然而目前在實驗教學(xué)的過程中都會遇到不少的問題。例如：演示實驗器材不足，實驗效果不明顯，導(dǎo)致學(xué)生不認同實驗結(jié)果，影響物理知識的形成和物理規(guī)律的建立。

焦耳定律是九年級物理第十八章的一個重要內(nèi)容，也是本章的一個難點。因此，焦耳定律實驗的成敗，對于學(xué)生理解電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)至關(guān)重要。在探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與哪些因素的實驗中，由于電熱很難進行定量地測量。所以在演示實驗中往往采用了轉(zhuǎn)換法。傳統(tǒng)的處理方法有：

（1）舊人教版的“焦耳定律”的演示實驗采用的是用煤油進行實驗，在平底燒瓶中裝滿煤油，把不同阻值的電阻絲放入瓶中，給電阻絲通電后比較質(zhì)量相同的煤油溫度升高的情況，判斷哪個電阻產(chǎn)生的熱量多，此實驗中有以下不足：大部分學(xué)生距離講臺較遠，很難看清兩支溫度計的示數(shù)區(qū)別。由于瓶塞與瓶口、瓶塞與溫度計之間存在縫隙，如果煤油裝得太多，通電后煤油受熱膨脹容易通過縫隙向外溢，清理實驗器材很麻煩。另外用煤油作為吸熱膨脹物質(zhì)欠佳，由于注滿燒瓶的煤油質(zhì)量比較大，吸收一定的熱量后，溫度升高不大，況且煤油的熱膨脹系數(shù)較小，即使用較細的玻璃管做實驗，液柱上升也緩慢，耗時長。

（2）2013新人教版對該實驗進行了改進，采用電阻絲加熱空氣膨脹的方法進行實驗。將5歐和10歐的電阻絲分別密封在透明的塑料盒中，塑料盒的唯一開口連接U型管，U型管中裝有紅墨水。通電后，電阻絲發(fā)熱盒內(nèi)空氣膨脹，U型管出現(xiàn)高度差。電阻絲產(chǎn)生熱量越多，氣體膨脹的體積越大，U型管兩液柱的高度差越明顯。由于U型管的液柱較粗，改進后實驗效果明顯了，便于學(xué)生的觀察，另外，實驗時間明顯縮短了。其不足之處在于：實驗持續(xù)時間過短，整個過程僅有幾秒，就必須斷開開關(guān)，不然U型管的液柱會溢出。如果學(xué)生注意力不集中，很容易錯過實驗展示。

（3）很多教師在教學(xué)過程中對該實驗進行了改進。有老師利用電阻絲的產(chǎn)生的熱量來引燃火柴，也有老師利用電阻絲來切割泡沫，以此比較不同電阻產(chǎn)生熱量的多少。這類實驗效果明顯，趣味性強。但在實際操作的過程中，要選擇限流較大的學(xué)生電源和比較合適的電阻絲。這需要老師通過實驗效果一次次地進行實驗才能挑選合適的器材。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新科技、新設(shè)備廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)中。在新人教版物理教材中，大量出現(xiàn)了利用傳感器的實驗。傳感器進入中學(xué)物理實驗室，成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個新的突破口。傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號，人們對電信號作出進一步的分析和處理。例如電子表就是把時間的測量最終轉(zhuǎn)換成電信號，用液晶屏顯示出來，將過去實驗測量工具器材中的水銀溫度計、打點器、天平等用力的傳感器、溫度傳感器、電磁傳感器來探測物理量，顯示物理實驗數(shù)據(jù)，運用計算機強大的計算功能探索物理規(guī)律。那么能否應(yīng)該傳感器等高新設(shè)備來解決焦耳定律實驗中，熱量的測量或者比較問題呢。具體做法如下。

按照實驗電路用普通的電阻絲來進行實驗，然后用來判斷兩個電阻絲的溫度高低。以RNOPC-160紅外熱成像儀為例，它采用高靈敏度非晶硅微量熱行探測器，融入紅相光機微掃高分辨率成像技術(shù)，50/60HZ超快幀頻，探測器分辨率160x120，測溫范圍-20～600℃，3.5寸TFT液晶屏，無需遮陽罩也能在陽光下清楚觀看圖像，機器智能操作系統(tǒng)，可以將數(shù)據(jù)方便快捷地連接到電腦，使用非常便捷。

考慮到設(shè)備的費用和購買問題，還可以利用手機替代紅外熱成像儀。在手機安裝紅外熱感相機軟件。在手機的應(yīng)用市場用多款紅外熱成像軟件。此類軟件可以把不同溫度的物體用深淺不同的顏色顯示出來。由于手機的屏幕較小不變觀察，我們通過HDMI線將手機和投影儀進行連接顯示。應(yīng)用紅外熱成像軟件比較電阻絲溫度的高低，方便快捷，避免了傳統(tǒng)實驗方案中的各種缺點。

將傳感器等高新技術(shù)應(yīng)用到物理實驗中是物理新課程教學(xué)改革的一個發(fā)展方向，我們應(yīng)該結(jié)合學(xué)校和學(xué)生的實際情況，逐步將其融入于教學(xué)之中，不能因為它不同于傳統(tǒng)儀器的操作方式而抵觸它，而是要充分發(fā)揮它對教學(xué)的優(yōu)化功能，提高物理教學(xué)的質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。它雖然有不足，但只要合理利用，揚長避短，就一定能更好地發(fā)揮它促進教學(xué)的功能。