對(duì)焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

湖北省十堰市竹溪縣城關(guān)初級(jí)中學(xué)(442300) 劉永樹

焦耳定律是人民教育出版社9年級(jí)物理教材中的內(nèi)容,研究了電熱與電阻、電流、通電時(shí)間的定性關(guān)系。教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想是：將電阻放在密閉容器內(nèi),空氣吸熱后體積增加、壓強(qiáng)增大,從而推動(dòng)U 型管中的指示液面上升,液面上升高度的大小反映了電流通過(guò)電阻做功產(chǎn)生熱量的多少。采用教材中實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是加熱空氣的做法使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯,缺點(diǎn)是不能定量探究電熱與電阻、通電時(shí)間和電流的關(guān)系,不能幫助學(xué)生更好的理解焦耳定律。為了幫助學(xué)生正確理解焦耳定律,筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行一些改進(jìn),并借助電子表格和幾何畫板對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,變定性探究為定量探究實(shí)驗(yàn),學(xué)生順利得出焦耳定律實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1 問(wèn)題的提出

圖1和圖2是教材設(shè)計(jì)的“焦耳定律”實(shí)驗(yàn)裝置圖,3 個(gè)電阻額定功率均為5 W,電阻分別為R1＝5Ω,R2＝R3＝R4＝10Ω,分別將電阻絲R1、R2、R3密封在塑料盒內(nèi),外留2 個(gè)接線柱,使用6V直流(或交流)電作電源(可用J1202－1型學(xué)生電源)；在塑料盒的兩端插入玻璃管,用橡皮管將玻璃管和U 型玻璃管連接起來(lái)。

圖1 教材中的實(shí)驗(yàn)裝置1

圖2 教材中的實(shí)驗(yàn)裝置2

以上實(shí)驗(yàn)裝置存在主要的問(wèn)題如下：①只能探究電熱與電阻、電流和通電時(shí)間的定性關(guān)系,不能探究定量關(guān)系；②對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性要求高,稍有漏氣就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗,只有當(dāng)電阻R2冷卻后才能進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)；③U 型管內(nèi)的液體,一不小心就會(huì)溢出或回流到容器內(nèi),導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能再次進(jìn)行；④作為演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生看不到溫度的實(shí)時(shí)變化,演示效果不理想。

2 解決方案

把插在密閉容器中的U 型細(xì)玻璃管去掉,使用溫度傳感器直接測(cè)量密閉容器中的空氣溫度。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)如下功能。

(1)演示的可見度大大提高。通過(guò)大屏幕把電阻絲產(chǎn)生電熱使空氣的溫度變化這一過(guò)程直觀、動(dòng)態(tài)、及時(shí)連續(xù)、準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來(lái),給學(xué)生以深刻的印象。

(2)變間接測(cè)量為直接測(cè)量。用溫度的變化比用液柱的高度差反映電熱更直觀,溫度的變化與熱量之間的定量關(guān)系比起液面差的變化與熱量的關(guān)系在理論上更好解釋。而且溫度計(jì)傳感器和數(shù)顯電流表精度高、誤差小,使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具嚴(yán)謹(jǐn)和可信度。

(3)將定性探究實(shí)驗(yàn)變?yōu)槎刻骄繉?shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析,得出把電熱跟電阻成正比,跟電流的平方成正比的定量關(guān)系精確地展示出來(lái),形成定量結(jié)論,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)焦耳定律的理解。

(4)實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單。將教材中的2個(gè)電路整合為一個(gè)電路,通過(guò)操作開關(guān)完成2次實(shí)驗(yàn),節(jié)約了連接電路的時(shí)間。

(5)將信息技術(shù)與物理學(xué)科進(jìn)行融合,減輕學(xué)生的計(jì)算負(fù)擔(dān),節(jié)省課堂時(shí)間。

3 自制實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

數(shù)顯溫度計(jì)、定值電阻(10 Ω、5 Ω 若干)、電源、數(shù)顯電流表、滑動(dòng)變阻器、秒表、開關(guān)、磁接頭及導(dǎo)線若干。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

(1)用螺絲釘將磁接頭固定在木板上。

(2)選取用完的0.7 mm 中性筆筆芯,截取一半,然后穿過(guò)磁接頭中間孔,再將數(shù)顯溫度計(jì)的探頭穿過(guò)中性筆筆芯空管,用耐高溫膠布將探頭牢牢捆綁在發(fā)熱電阻上,在膠布外面用細(xì)銅絲捆扎幾圈,這樣數(shù)顯溫度計(jì)可直接測(cè)量電阻的溫度。

(3)將電阻的兩端穿過(guò)磁接頭另2個(gè)孔,調(diào)整好位置后,用螺絲釘將筆管固定在磁接頭上。

(4)將電阻與滑動(dòng)變阻器、數(shù)顯電流表、開關(guān)連接起來(lái),如圖3所示。當(dāng)開關(guān)S與觸點(diǎn)1閉合時(shí),探究電熱與電阻和通電時(shí)間的關(guān)系；當(dāng)開關(guān)S與觸點(diǎn)2閉合時(shí),探究電熱與電流的關(guān)系。

圖3 自制實(shí)驗(yàn)裝置

4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

4.1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)

(1)學(xué)生將滑動(dòng)變阻器滑片移到最左端,使開關(guān)與觸點(diǎn)1閉合,探究電熱與電阻和通電時(shí)間的關(guān)系。小組分工合作,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使電流表的示數(shù)為0.5A 時(shí),按下秒表開始計(jì)時(shí)。每隔30s記下數(shù)顯溫度計(jì)和秒表的示數(shù),填入表1中。

表1 探究電熱與電阻、通電時(shí)間的關(guān)系

(2)斷開開關(guān),秒表歸零。將滑動(dòng)變阻器滑片移到最左端,使開關(guān)與觸點(diǎn)2閉合,可探究電熱與電流的關(guān)系。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使電流表的示數(shù)為0.4A 時(shí),按下秒表開始計(jì)時(shí),通電1 min,記下溫度傳感器、電流表和秒表的示數(shù)；再次調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使電流表的示數(shù)分別0.6 A、1.0 A,每隔1min,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),填入表2中。

表2 探究電熱與電流的關(guān)系

表3 探究電熱與電流的平方關(guān)系

4.2 分析論證，得出結(jié)論

學(xué)生將表1至表3中的數(shù)據(jù)輸入電子表格,利用電子表格的數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能,生成圖4至圖7所示函數(shù)圖像。為了更清楚觀察電熱與電流的關(guān)系,還可將表3中數(shù)據(jù)輸入幾何畫板,利用幾何畫板繪圖功能,可以看出電熱與電流的關(guān)系類似于二次函數(shù)拋物線。學(xué)生以小組為單位,討論交流,分析圖像,歸納得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比,跟導(dǎo)體的電阻成正比,跟通電時(shí)間成正比,這個(gè)規(guī)律叫焦耳定律。

圖4 電熱與電阻的關(guān)系

圖5 探究電熱與通電時(shí)間關(guān)系

圖6 探究電熱與電流平方關(guān)系

圖7 電流與電熱關(guān)系圖

5 教學(xué)反思

要扎實(shí)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。當(dāng)教材上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯或有定量結(jié)論時(shí),就需要我們對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠。

要有實(shí)事求是的科學(xué)精神,不得篡改或編造實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因?yàn)槿魏我粋€(gè)科學(xué)規(guī)律的得出,都要付出艱辛的勞動(dòng)。

發(fā)揮信息技術(shù)輔助教學(xué)的作用,從而節(jié)約課堂時(shí)間,以便于我們集中精力突出教學(xué)重點(diǎn),突破教學(xué)難點(diǎn)。

總之,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有操作更方便,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。為了將演示實(shí)驗(yàn)變成學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn),教師可動(dòng)員學(xué)生收集實(shí)驗(yàn)器材,自制實(shí)驗(yàn)裝置,從而提高學(xué)生的動(dòng)手能力,增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)體驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。