焦耳定律演示實驗的探索與改進
2008-04-29 00:00:00朱亞飛黃偉良
物理教學探討 2008年16期
1 原演示實驗方案（《科學》教材）
（1）實驗器材
如圖1所示，２只裝有煤油的燒瓶、瓶塞上各插１根玻璃管、燒瓶內各裝１根阻值不同的電阻絲、滑動變阻器、電源、電流表、開關等。
（2）實驗步驟及現象
①將２根電阻絲串聯在電路中，標出２根玻璃管內液面的位置。
②閉合開關，記下電流表的讀數。
③經過一段時間后，標出２根玻璃管內液面的位置。
④比較２根玻璃管內液面變化的情況，可以推測得出：當電流相等時，電阻越大，電流產生的熱量越多。
⑤當２根玻璃管內液面降回到原來的高度后，通過調節滑動變阻器，加大電流，再經過與第一次相同時間的通電后標出２根玻璃管內液面的新的位置。
⑥與上次該玻璃管內液面上升的高度相比，可以推測得出：當電阻相等時，電流越大，電流產生的熱量越多。
⑦顯然，通電時間越長，電流所產生的熱量越多。
（3）存在的不足
①在實驗中未能充分體現電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比。
②第一次實驗后等液面降回到原來的位置需等待較長的時間。
③實驗分兩步進行時間較浪費。
④比較不同玻璃管內液面的高低變化缺乏強烈的視覺效果，未能充分發揮通過演示實驗達到的輔助教學效果。
⑤實驗缺乏足夠的說服力，未能很好地激發學生學習的興趣。
2 改進的實驗方案
（1）實驗器材及制作方法
如圖2所示，取內徑約4cm長約12cm的透明塑料管三段A、B、C（電工材料商店有售），上下均用鉆有3mm孔的膠塞塞緊，上塞孔內各插入一個輸液管直通接頭，外端連接一段玻璃管，長約２5cm；下塞孔內，A管也插入輸液管直通接頭，B、C二管各插入一個三通接頭。B管三通接頭的下端，用輸液管與A管的輸液管直通接頭相連。C管三通接頭的下端，用輸液管與軟滴瓶相連。未用管夾時，手捏滴瓶可以控制輸液管中液柱的高度。
截取約300W的電爐絲，取12Ω一段，6Ω三段，如圖2所示進行焊接安裝。各焊接點，應先把引線與電阻絲繞緊再點焊才能焊牢。由滴瓶口向A、B、C三管內裝滿由紅墨水染紅的酒精（酒精比煤油易于清洗和染色）。整個裝置安裝在一面板上，面板尺寸為40×30cm2，用三合板漆成白底藍邊，豎立在底板上。在三根玻璃管的中間畫上若干條水平刻度線，以便觀察液柱上升情況。電源電壓約24V，交直流均可。
（2）實驗原理
液柱上升高度與吸收的熱量、電阻和通電時間之間的關系探討。
液體吸收的熱量Q＝cmΔt， （1）
式中c為液體的比熱，m為液體的質量，Δt為液體升高的溫度。
液體在加熱過程中體積膨脹
V=V0（1＋αΔt）， （2）式中V0為液體加熱前的體積，a為液體的體積膨脹系數，Δt為液體的升高溫度。
由（2）式得V－V0＝V0#8226;αΔt。
聯解得V－V0∝Δt∝Q。 （3）
（3）式表明，液體體積的變化與液體的升高溫度Δt成正比，又由（1）式，對于一定質量的液體，m和c是一定的，所以液體體積的變化正比于液體所吸收的熱量。
另一方面，液體所吸收的熱量正是電流通過電阻絲所產生的熱量，忽略熱量損失后，可認為它們是相等的。因此，可根據液柱上升高度的變化（反映的是液體體積的變化），來研究電流通過電阻絲所產生的熱量與電阻絲的電阻、電路的電流、通電時間有什么關系，通過實驗總結出焦耳定律。
（3）使用方法
①輕捏軟滴瓶，使三液柱面同在最下一條刻線處，用管夾夾緊A、B、C三管下端。
②閉合開關，通過A、B二管內電阻絲的電流相等，但因A管內電阻為B管內電阻的二倍，結果A管液柱升高為B管液柱升高的2倍。這說明電流產生的熱量，與電阻成正比。B、C二管內電阻相等，但通過B管內電阻絲的電流為通過C管內電阻絲的電流的2倍，結果B管液柱的升高為C管液柱升高的4倍。這說明電流產生的熱量，與電流的平方成正比。
③觀察任一管液柱的升高，可看到在相等的時間內，升高的高度相等。這說明電流產生的熱量，與通電時間成正比。
④斷開電源后，松開管夾，則液柱下降，恢復等高。
