運用自制教具定量探究焦耳定律

(江蘇省南京市第一中學馬群分校，江蘇 南京 210049)

物理課程是一門注重實驗的科學課程，義務(wù)教育物理課程應(yīng)注意讓學生經(jīng)歷實驗探究的過程,提高分析問題和解決問題的能力。“焦耳定律”的教學是初中物理典型的規(guī)律探究教學，為體現(xiàn)實驗的嚴謹性,促進初高中物理課程的銜接,筆者自制教具,設(shè)計了定量實驗方案,借助DIS實驗系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理,有效培養(yǎng)了學生的核心素養(yǎng)。

1 實驗設(shè)計

蘇科版初中物理教材的探究實驗活動僅從定性的角度進行，在探究影響電流熱效應(yīng)因素的基礎(chǔ)上歸納出結(jié)論：導(dǎo)體的電阻越大，通過的電流越大，通電時間越長,它產(chǎn)生的熱量就越多。學生在學習過程中，并不能獲得通過導(dǎo)體的電阻、電流、通電時間與發(fā)熱量的定量關(guān)系，無法對焦耳定律有深刻的理解。為此，在上述探究活動的基礎(chǔ)上,本實驗設(shè)計借助DIS中的溫度傳感器,得到電流不同或電阻不同時煤油溫度與時間的關(guān)系圖像。

根據(jù)Q=cmΔt，在忽略熱量損失的情況下,煤油吸收的熱量等于電熱絲放出的熱量,煤油的溫度變化量Δt即可間接表示電熱絲產(chǎn)生的熱量Q,從而得出不同電流情況下電熱絲產(chǎn)生的熱量與電流的定量關(guān)系。同理,也可以得出熱量與電阻的定量關(guān)系。運用DIS實驗系統(tǒng)，實驗數(shù)據(jù)處理更快、更準確、更直觀,有助于培養(yǎng)學生的實驗?zāi)芰Α?/p>

2 實驗方法

《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》提出：要讓學生經(jīng)歷設(shè)計實驗與制定計劃的過程,并嘗試選擇科學探究方法。筆者自制的實驗教具主要是為了解決以下兩個問題。

(1)用轉(zhuǎn)換法解決電熱絲產(chǎn)生熱量的顯示

以教材中的實驗裝置圖為模板,將其進行改進,用有蓋的透明塑料瓶代替玻璃錐形瓶,既簡化了裝置又節(jié)約了實驗成本。選擇電爐中使用的電熱絲,其規(guī)格為“220V 300W”,將其浸泡在40mL的煤油中,用溫度傳感器代替溫度計(圖1)，將不易測量的電熱絲所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為煤油吸熱升溫后溫度的變化量。

圖1

(2)用控制變量法解決混聯(lián)電路問題

在實驗前學生設(shè)計了圖2和圖3所示的電路圖,分別控制電阻和電流相同，得出定性結(jié)論:導(dǎo)體中流過的電流越大，電阻越大，通電時間越長,所產(chǎn)生的熱量越多。

圖2

圖3

為了更加科學地得出焦耳定律的內(nèi)容表述,讓學生知道電熱與電流的定量關(guān)系,采用圖2所示電路,保持電阻不變,通過改變滑動變阻器電阻來改變電流,多次嘗試發(fā)現(xiàn)：由于前后兩次實驗中電阻變化較大,且煤油中途需降溫,耗時較長,很難達到預(yù)期的效果。借助混聯(lián)電路,可實現(xiàn)另一種形式的變量控制。

將三個阻值相等的電熱絲連接成圖4所示的電路,控制電阻相同,研究電流為原來的兩倍時電熱絲產(chǎn)生熱量的倍數(shù)關(guān)系。利用圖5探究電流為原來的三倍時電熱絲產(chǎn)生熱量的倍數(shù)關(guān)系。

圖4

圖5

為控制電流相同，依然采取兩電熱絲串聯(lián)的方式,選擇電阻值不同且大小關(guān)系分別為兩倍、三倍的電熱絲,如圖6和圖7連接電路,研究電流一定時,電阻為原來的兩倍或三倍時電熱絲產(chǎn)生的熱量的倍數(shù)關(guān)系。

圖6

圖7

3 教學過程

圖8

實驗操作前,通過師生互動,將設(shè)計的實驗電路圖顯示在屏幕上,讓學生理解實驗的原理和目的。先研究電流之比為2∶1的情況，圖8為實物圖，通過數(shù)據(jù)采集器將溫度值導(dǎo)出并進行處理,繪制成圖9所示的圖像，實驗表明:電阻和通電時間相同,當流過電阻的電流之比為2∶1時,產(chǎn)生的熱量之比約為4∶1。

圖9

再研究電流之比為3∶1的情況，重復(fù)以上操作,得到圖10所示的溫度變化圖像，分析數(shù)據(jù)得出:電阻和通電時間相同,當流過電阻的電流之比為3∶1時,產(chǎn)生的熱量之比約為9∶1。

圖10

綜合以上兩個實驗結(jié)果，總結(jié)出:當電阻和通電時間相同時,導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比。

將兩個電阻值之比為2∶1的電熱絲串聯(lián)在電路中,保證電流相同,探究熱量與電阻之間的定量關(guān)系，結(jié)果顯示：當電阻為兩倍關(guān)系時,導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量也為兩倍關(guān)系(圖11)。

圖11

再將兩個電阻值之比為3∶1的電熱絲串聯(lián)在電路中,重復(fù)以上操作,得到溫度變化情況如圖12所示，結(jié)果顯示：當電阻為3倍關(guān)系時,產(chǎn)生的熱量也為3倍關(guān)系。

請學生總結(jié)并完整表述焦耳定律的內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比,與導(dǎo)體的電阻成正比,與通電時間成正比,用公式表示為：Q=I2Rt。

在純電阻電路中,電熱器產(chǎn)生的熱量等于電流所做的功,Q=W=UIt，再根據(jù)歐姆定律U=IR,可以得到Q=I2Rt,與實驗結(jié)論相符。

4 結(jié)語

實驗中選用了透明塑料瓶、電熱絲和煤油,成本低廉,達到了預(yù)期的教學效果。在控制電阻相同時,采用的混聯(lián)電路對學生的理解提出了較高的要求。當然,由于器材的限制,選取的兩個阻值相同的電阻在實驗的過程中由于溫度變化不同,導(dǎo)致電阻變化也不同,在控制電阻一定時存在系統(tǒng)誤差。為進一步提高實驗的精確度,應(yīng)尋找阻值隨溫度變化更小的電阻來進行實驗。