于焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1 焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)及其不足

“焦耳定律實(shí)驗(yàn)”是初中物理教材中非常重要的驗(yàn)證性演示實(shí)驗(yàn)，其常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置主要部分是放置了不同阻值電阻的2個(gè)充滿(mǎn)煤油的燒瓶。將2個(gè)電阻串聯(lián)通電一段時(shí)間后，煤油吸引部分電熱發(fā)生體積膨脹，通過(guò)插在密閉燒瓶中的細(xì)玻璃管中的液面差異說(shuō)明電熱的多少。但是作為演示實(shí)驗(yàn)，該裝置仍然比較復(fù)雜，而且密閉要求高，否則煤油會(huì)從膠塞滲出。

該實(shí)驗(yàn)過(guò)程還存在3點(diǎn)不足。1)在說(shuō)明電流越大產(chǎn)生的熱量越多的原理時(shí)，要分2次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，這要求2只玻璃管的液柱降到原來(lái)的高度后才能改變電流做第二次實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上燒瓶中的煤油加熱容易，降溫難，需很長(zhǎng)時(shí)間，液柱才能回到原來(lái)的高度。2)短時(shí)間內(nèi)煤油膨脹差異不大，演示效果差。3)加熱時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生注意力容易分散，并且不能連續(xù)重復(fù)演示，不利于組織課堂教學(xué)。

2 相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)嘗試

鑒于此，廣大一線教師在各種教材、教參和雜志上提出很多改進(jìn)的方法。在學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)“中國(guó)知網(wǎng)”上以“焦耳定律”為關(guān)鍵詞的文章自1980年以來(lái)多達(dá)5 160篇，其中以“實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”為關(guān)鍵詞進(jìn)一步檢索有75篇，2000年以來(lái)就有46篇之多(見(jiàn)附錄)。筆者對(duì)2000年以來(lái)的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，概括起來(lái)有以下幾類(lèi)。

1)仍然是加熱煤油，但是改為觀察煤油溫度的變化，如采用水銀溫度計(jì)或數(shù)字式溫度計(jì)。前者對(duì)于后排學(xué)生仍然效果不明顯;數(shù)字溫度計(jì)要配合實(shí)物投影儀才能效果明顯，并且價(jià)格不菲。也有的還是觀察煤油體積的變化，但給煤油加色，如紅、藍(lán)墨水等，并將玻璃管同時(shí)置于白色背影下。這樣做，對(duì)比是比原來(lái)強(qiáng)烈了，但是耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)沒(méi)有改變。

2)加熱酒精或是水，以減輕煤油的刺激性氣味，但這種所謂的改進(jìn)沒(méi)能提高演示效果。

3)加熱空氣。因?yàn)樵谖瑯佣嗟臒岷髿怏w的膨脹比液體要明顯得多，所以許多改進(jìn)都是基于這個(gè)思路。但空氣體積的變化如何直觀地表現(xiàn)出來(lái)又分為2種方法，一種是用吹氣球法;一種是與U型管聯(lián)用，使得空氣體積的變化體現(xiàn)在液面差上。這種思路使得實(shí)驗(yàn)時(shí)間變短，但是對(duì)燒瓶或廣口瓶的密封性要求同樣比較高，有些裝置比課本所示的更復(fù)雜，不適合學(xué)生在課后自己動(dòng)手制作。

4)點(diǎn)燃易燃物或融化石蠟法。前者將易燃物，如火柴、煤油浸過(guò)的紙屑，放置在電阻絲上，通電后觀察燃燒的先后次序。后者將同樣的輕質(zhì)物體用石蠟粘附在電阻絲上，通電后觀察脫落的先后次序。這種方法大大縮短了時(shí)間，但是可燃物或石蠟與電阻絲的接觸面積大小往往會(huì)引起學(xué)生的懷疑。而且有些作者沒(méi)有充分考慮學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，出現(xiàn)混聯(lián)電路，這同樣是不適合本演示實(shí)驗(yàn)的。

當(dāng)然也有作者試圖將上述的某幾種情況組合起來(lái)，但教師在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)要盡量貼近課本，所以改進(jìn)不宜換用另一套裝置。

3 新的改進(jìn)策略

筆者針對(duì)“密封要求高，有刺激性氣味，耗時(shí)長(zhǎng)，效果不明顯”的不足對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下的改進(jìn)，收到良好的課堂效果。

改用廣口瓶(可用生活中的玻璃酸牛奶瓶，喝水用的玻璃杯等)代替燒瓶，用水代替煤油，用可以顯示微小形變的2個(gè)相同的光杠桿代替玻璃管。光杠桿的裝置如圖所示。制作方法很簡(jiǎn)單，主體就是多媒體教學(xué)中常用的激光筆，將發(fā)光端用一柔軟的線或鐵絲做成的圈套住，然后吊在鐵架臺(tái)的支架上(圖中A點(diǎn)，為了不使激光筆擺，可用2條線分開(kāi)固定激光筆的發(fā)光端);激光筆的末端與用輕質(zhì)塑料吸管制作成的直角三角支架B綁定;在垂直于激光筆軸方向上的邊延長(zhǎng)端點(diǎn)，固定一個(gè)輕質(zhì)塑料球，視所用廣口瓶口的大小而定球的半徑。實(shí)驗(yàn)時(shí)光杠桿只有小球與水面接觸，當(dāng)水面發(fā)生微小變化時(shí)，照射在白墻上的2個(gè)光斑移動(dòng)的距離會(huì)有明顯的差異。

使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以在實(shí)驗(yàn)效應(yīng)轉(zhuǎn)換方法(液體受熱膨脹)不變的情況下，克服上述各種缺陷。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)儀器具有連續(xù)性重復(fù)演示的功能，第一次實(shí)驗(yàn)后，可以很方便地?fù)Q2瓶(或2杯)等質(zhì)量、溫度的水立即進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，不用等第一次實(shí)驗(yàn)的水恢復(fù)到同樣的溫度。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置操作時(shí)最好將盛水的容器放在升降臺(tái)上，這樣方便換水。

附錄:

中國(guó)教育技術(shù)裝備:李平，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2002(7);朱小娟，對(duì)研究焦耳定律實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)改進(jìn)，2005(10);徐光英，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2006(7)。中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備:冷建軍，對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的探索，2004(6);徐光英，焦耳定律的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新，2006(3);阮長(zhǎng)旺等，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2007(2);尚愛(ài)蓮，對(duì)“焦耳定律”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2008(3);朱文軍，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的比較研究及改進(jìn)，2009(2)。物理教師:張起祥等，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)，2001(10);廖挹清，焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2005(5)。教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn):左雨生，淺談改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和研制教具，2000(8);王家偉，初中物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與儀器自制，2001(2);陳曉偉，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2002(6);蔣世平，焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2003(4);張蕓，物理實(shí)驗(yàn)小改進(jìn)兩則，2003(9);梁智毅，比較不同物質(zhì)的吸熱能力實(shí)驗(yàn)的探究與改進(jìn)，2008(10);張穎康，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2009(4)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器:魏喜武，對(duì)定性研究焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2001(10);楊俊杰，對(duì)《焦耳定律》實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2004(Z1);李禾雨，焦耳實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2005(Z1);楊大江，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與儀器自制，2007(11);辛華法，對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置的一種改進(jìn)，2008(2)。物理教學(xué)探討:李景琴，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2002(5);張海軍，兩個(gè)重要電學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2005(3);朱亞飛等，焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)的探索與改進(jìn)，2008(16)。考試周刊:謝勇，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生能力培養(yǎng)，2008(31)。今日科苑:王立杰等，新課改下嘗試改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)，2008(7)中學(xué)生數(shù)理化(教與學(xué)):馬立俠，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2007(12)。物理通報(bào):邢志會(huì)，對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2006(9);辛華法，對(duì)焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置的一種改進(jìn)，，2007(2)。物理實(shí)驗(yàn):王家偉等，焦耳定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2007(4);阮炎洲，三則物理演示實(shí)驗(yàn)的小改進(jìn)，2000(9)。技術(shù)物理教學(xué):于智才，改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，2006(3)。中學(xué)物理教學(xué)參考:劉懷玉，焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2000(6);單艷軍，對(duì)“焦耳定律”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2005(7)。商洛師范專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào):李英，半導(dǎo)體熱敏特性研究實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2004(2)。青海教育:田發(fā)恩，初中物理新教材實(shí)驗(yàn)的兩點(diǎn)改進(jìn)，2004(11)。黃石教育學(xué)院學(xué)報(bào):許文格，關(guān)于“焦耳定律”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與教學(xué)，2002(4)。中國(guó)現(xiàn)代教育裝備:劉鳳琴，改進(jìn)物理演示實(shí)驗(yàn)提高物理教學(xué)質(zhì)量，2002(10)。遵義師范學(xué)院學(xué)報(bào):張偉，對(duì)焦?fàn)柖裳菔緦?shí)驗(yàn)的改進(jìn)，2002(3)。重慶教育學(xué)院學(xué)報(bào):陳曉偉，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)三則，2002(6)。湖北中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室:劉美香，“焦耳定律”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2000(2);楊清城，對(duì)“焦耳定律”演示實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2000(6);李國(guó)紅，焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2001(4);張冬橋，幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的小改進(jìn)，2002(4)。山西教育:韓清忠，焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2001(18)。■

(作者單位:江蘇省徐州市教育局)