定性定量驗證焦耳定律的實驗裝置

侯耀東

(勝利第三十四中學，山東 東營 257064)

初中物理電學中的重要規(guī)律都設置了定量實驗，如：歐姆定律，教材中不但設置了定量探究實驗，還利用了圖像定量分析了電流與電壓的關(guān)系，為推導I=U/R提供了充分的數(shù)據(jù)支持，堪稱初中物理探究性實驗的完美案例. 但同為重要規(guī)律[1]的焦耳定律卻沒有同樣待遇，焦耳定律實驗只安排了定性實驗，雖能說明問題，但對于邏輯嚴密的物理學還是顯得有些蒼白. 沒有在焦耳定律中安排定量實驗的主要原因是Q=I2Rt中存在平方正比關(guān)系，而該關(guān)系很難用實驗表達，即使可以找到實驗模型，較大的計算量也不適于初中物理課堂. 為把焦耳定律定性實驗拓展為既可定性也可以定量的實驗，進行了相應設計.

1 建立實驗模型

1.1 確定實驗介質(zhì)

焦耳定律Q=I2Rt，表達了電流產(chǎn)生的熱量Q與電流I、電阻R和通電時間t的關(guān)系[2]. 要確立這個關(guān)系就必須找被電流加熱的介質(zhì)，通過Q=cmΔt計算出導體放出的熱量.

首先選擇實驗所用的介質(zhì). 理論上部分固體材料因其在加熱過程中體積基本不變(溫度變化不大時可忽略)，由熱力學定律可知，其吸收熱量后體積不變，只有分子平均動能的增加，表現(xiàn)為溫度的升高，因此只要在質(zhì)量和加熱時間一定時測出溫度的變化，就能確定其內(nèi)能改變的數(shù)量. 但要適用于課堂教學需保證實驗時間短，故只能采用導熱性能好的金屬，而由于金屬本身導電，所以不適合做焦耳定律驗證實驗的介質(zhì). 液體容易克服固體的缺點，但液體的比熱容較大，加熱后溫度變化慢，不適合課堂教學. 氣體中的空氣是最容易獲得的介質(zhì)，空氣的熱傳導能力不強，但它有極強的對流作用，又不導電，是理想的介質(zhì)，但氣體升溫后體積膨脹會對外做功，這樣就無法保證實驗的科學性；如果將其封閉在容器內(nèi)，受熱時間較短，其體積膨脹不明顯可忽略，則可以很好地滿足實驗的要求.

1.2 辨析實驗原理

將通電電阻放在密閉且絕熱的容器內(nèi)，加熱密閉容器內(nèi)的空氣，其吸收的熱量與升高的溫度的關(guān)系可由Q=cmΔt確定，由于氣體密閉質(zhì)量一定，在一定時間內(nèi)吸收的熱量只與升高的溫度有關(guān)，只要測出氣體升高的溫度就能確定其吸收熱量的變化，從而確定電阻產(chǎn)生熱量的變化.

理想情況下，在通電時間、電流一定時，只要電阻R成倍變化，測出的熱量Q也成倍變化，則可說明電阻產(chǎn)生的熱量Q與電阻R成正比；同理在電阻R與電流I一定時，成倍增加時間t如果測出的熱量Q成倍增加，則說明Q與t成正比；在通電時間與電阻一定時，使通過相等電阻的電流I1=2I2，如果測出產(chǎn)生的熱量Q成4倍變化，則可說明Q與I的平方成正比.

2 實驗裝置的制作

2.1 實驗材料

較大的透明飲料瓶3個，10 Ω的線繞電阻3個，5 Ω的線繞電阻3個，帶探頭的數(shù)字溫度計3只，“哥倆好”膠和雙面膠各1組.

2.2 裝置的制作

1)用酒精燈將鑷子燒熱，在飲料瓶的兩側(cè)各熔開1個小孔.

2)將螺絲穿過電阻兩端的接線孔，用鑷子夾著螺絲從瓶內(nèi)穿過小孔，在小孔的周圍涂膠(防止漏氣)，擰上螺絲.

3)檢查氣密性，蓋好瓶蓋，置于水中，觀察是否有氣泡.

4)在瓶蓋上穿一小孔，穿過溫度計的探頭，調(diào)整好導線長度，使探頭不接觸電阻線圈，之后用膠粘好小孔，最后用雙面膠粘在飲料瓶上. 制作好的裝置如圖1所示.

5)用鑷子去掉“尖叫”飲料瓶瓶嘴內(nèi)的結(jié)構(gòu)，在瓶嘴上套小氣球. 制作好的裝置如圖2所示.

圖1 定量驗證焦耳定律的實驗裝置 圖2 定性驗證焦耳定律的實驗裝置

3 定量實驗

3.1 電路設計

圖3 定量驗證焦耳定律的電路圖

探究Q與R的關(guān)系，要保證電流I一定，所以用串聯(lián)連接；探究Q與I的關(guān)系，要保證電阻R一定而電流I成倍變化，所以電路設計如圖3所示. 其中R1=R3=5 Ω,R2=10 Ω,即R2=2R1，I2=2I1，R4=R5電阻為0～20 Ω，電源電壓可以根據(jù)實驗時的電流取值確定.

3.2 實驗步驟

a.按圖3連接電路.

b.閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器R4使I1=0.2 A，調(diào)節(jié)滑動變阻器R5,使I2=0.4 A，然后斷開開關(guān).

c.將穿有溫度計探頭的瓶蓋蓋好并旋緊.

d.閉合開關(guān)S,開啟停表，每隔30 s用手機拍照功能記錄3個數(shù)字溫度計示數(shù).

e.分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.

3.3 實驗數(shù)據(jù)處理

a.由于實驗要處理的數(shù)據(jù)量比較大，如果用手工計算，耗時長且容易出錯，因此采用了Excel協(xié)助分析.

b.選中Δt數(shù)據(jù)，選擇插入圖表中的柱狀圖和折線圖，形成圖像，如圖4所示.

圖4 用Excel計算的實驗結(jié)果

c.讓學生觀察圖像總結(jié)出Δt2=2Δt1和Δt3=4Δt2,而后引導學生思考并得出電流產(chǎn)生的熱量Q與I2,R,t成正比,即Q=I2Rt.

4 定性實驗

該裝置稍加改動也可以用于定性實驗，如圖2所示，將實驗裝置中穿有溫度探頭的瓶蓋擰下，換上帶有氣球的瓶蓋.

4.1 定性演示電流的熱效應與電阻的關(guān)系

由于電流產(chǎn)生的熱量可能與電阻R、電流I和通電時間t有關(guān)，按控制變量法的思路研究Q與R的關(guān)系，要保證電流I與通電時間t一定. 按原理設計實驗電路如圖5所示，通過觀察發(fā)現(xiàn)R2電阻瓶蓋上的氣球先充滿氣鼓起來，由此可得出：在電流和通電時間一定時，導體的電阻越大產(chǎn)生的熱量越多.

圖5 定性探究電流熱效應與電阻關(guān)系的電路圖

4.2 定性演示電流的熱效應與電流大小的關(guān)系

由于電流產(chǎn)生的熱量可能與電阻R、電流I以及通電時間t有關(guān)，按控制變量法的思路研究Q與I的關(guān)系，要保證電流R與通電時間t一定. 設計實驗電路如圖6所示. 使R1=R2=R3=5 Ω，將R1和R2封裝在飲料瓶內(nèi)，R3放在瓶外，則R1=R2， 而I>I1滿足實驗原理. 通過觀察發(fā)現(xiàn)，R1電阻瓶蓋上的氣球先充滿氣鼓起來，由此可知：在電阻通電時間一定時，導體中的電流越大產(chǎn)生的熱量越多.

圖6 定性探究電流熱效應與電流關(guān)系的電路圖

5 結(jié)束語

經(jīng)反復實驗證實，實驗裝置可靠有效，適合課堂演示與分組實驗教學，作為定性教學時，由于氣球充氣的動態(tài)效果優(yōu)于U形管的液面變化，現(xiàn)象更有趣，更符合初中學生的審美，更容易被學生接受，教學效果也更好. 定量實驗時引入Excel處理實驗數(shù)據(jù)，用圖形表達數(shù)量關(guān)系更加直觀易懂，激發(fā)了學生做實驗的熱情，同時也促進了計算機教學. 由于實驗裝置的制作材料多數(shù)是生活中的廢棄物，或廉價易購物品，容易獲得且成本低廉易于實現(xiàn).