利用同一種裝置完成兩個容易混淆的實驗

北京亦莊實驗中學(xué)(100176) 陳菊清

實驗1：比較水和食用油的吸熱情況。實驗2：探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小是否有關(guān)。實驗1中怎樣比較水和食用油吸收熱量的多少,實驗2中怎樣比較電流通過2根電阻絲產(chǎn)生熱量的多少,兩者容易混淆。兩個實驗中都利用了熱傳遞,不計熱損失時,Q吸＝Q放。實驗1中比較Q吸需要轉(zhuǎn)換為比較Q放,實驗2 中比較Q放 需要轉(zhuǎn)換為比較Q吸。

1 比較水和食用油的吸熱情況

在“比較水和食用油的吸熱情況”的實驗中,如圖1所示,研究對象是水和食用油。自變量是物質(zhì)的種類,因變量是水和食用油吸收的熱量Q吸,需要控制不變的量是水和食用油的質(zhì)量m、水和食用油升高的溫度Δt。

1.1 比較水和食用油吸收熱量的多少

圖1 實驗1裝置

比較Q吸需要轉(zhuǎn)換為比較Q放。2根電阻絲R1和R2阻值相同,這2根電阻絲串聯(lián)在電路中,其實就是2個功率相同的電熱器,它們在相同時間內(nèi)放出的熱量相同。根據(jù)Q放＝Pt(或Q放＝I2Rt)可知,比較電熱器產(chǎn)生熱量Q放的多少可以轉(zhuǎn)換為比較加熱時間t的長短。所以,實驗1中把比較水和食用油吸收熱量Q吸的多少轉(zhuǎn)換為比較電熱器加熱時間t的長短。

1.2 比較水和食用油的吸熱情況

2 探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小是否有關(guān)

在“探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小是否有關(guān)”的實驗中,如圖2所示,研究對象是2根阻值不同的電阻絲R1和R2(R1＞R2)。自變量是電阻絲的電阻R,因變量是電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量Q放,需要控制不變的量是電流I和通電時間t。2根電阻絲串聯(lián)在電路中就控制了電流I和通電時間t相同。

圖2 實驗2裝置

2.1 怎樣比較電流產(chǎn)生的熱量的多少

比較Q放需要轉(zhuǎn)換為比較Q吸。2個相同的燒瓶內(nèi)裝有質(zhì)量相同、溫度相同的同種食用油。食用油的比熱容相同,質(zhì)量相同,根據(jù)Q吸＝cmΔt可知,比較A、B2個燒瓶內(nèi)食用油吸收熱量Q吸的多少,可以轉(zhuǎn)換為比較食用油升高的溫度Δt的多少。所以,實驗2中把比較電流產(chǎn)生的熱量Q放的多少轉(zhuǎn)換為比較食用油升高的溫度Δt的多少。

2.2 電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小是否有關(guān)

在實驗2中,發(fā)現(xiàn)通電一段時間后,A燒瓶內(nèi)溫度計的示數(shù)高于B燒瓶內(nèi)溫度計的示數(shù)。可知,A燒瓶內(nèi)食用油比B燒瓶內(nèi)食用油升高的溫度多些,電流通過電阻絲R1比電流通過電阻絲R2產(chǎn)生的熱量多些,說明電流產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻有關(guān)。電流和通電時間一定時,導(dǎo)體的電阻越大,電流產(chǎn)生的熱量越多。

3 在實驗2的基礎(chǔ)上完成電流熱效應(yīng)的其他實驗

3.1 探究電流產(chǎn)生的熱量與通電時間是否有關(guān)

在實驗2的基礎(chǔ)上,以同一個燒瓶中的同一根電阻絲為研究對象,滑片的位置保持不變,這樣就控制了電阻和電流不變。延長通電時間,可以發(fā)現(xiàn)燒瓶中的溫度計示數(shù)繼續(xù)升高。說明電流產(chǎn)生的熱量與通電時間有關(guān)。電阻和電流一定時,通電時間越長,電流產(chǎn)生的熱量越多。

3.2 探究電流產(chǎn)生的熱量與電流大小是否有關(guān)

在實驗2的基礎(chǔ)上,選用2根相同的電阻絲,增加1個相同的滑動變阻器和2個電流表,如圖3所示連接電路。調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片使2個滑動變阻器接入電路的阻值不同,閉合開關(guān),通過2根電阻絲的電流不同。實驗中控制了電阻絲的電阻、通電時間相同。通過實驗發(fā)現(xiàn),電流大的電阻絲所在燒瓶內(nèi)食用油升高的溫度多一些,說明電流產(chǎn)生的熱量與電流大小有關(guān)。電阻和通電時間一定時,電流越大,電流產(chǎn)生的熱量越多。

圖3 實驗3.2裝置

焦耳在大量的實驗基礎(chǔ)之上,最先確定了電流產(chǎn)生的熱量與電流、電阻和通電時間的定量關(guān)系,也就是焦耳定律,即Q放＝I2Rt。

4 實驗評估

實驗中為了讓實驗現(xiàn)象更明顯,減少加熱時間,需要增大電熱器的功率。

(1)電源電壓可以調(diào)大些,實驗中電源電壓可以調(diào)到最大,有的電源最大電壓為30V。

(2)選用2根相同的電阻絲進(jìn)行實驗時,可以選阻值小的電阻絲。

(3)實驗中滑動變阻器接入電路的電阻調(diào)小些。