對“電流的熱效應和哪些因素有關”的探究

?訥河市同心中學 崔勝春

提出問題：

1.燈泡接入電路時，燈泡和連接燈泡的導線中電流是相同的，燈泡和導線都要發熱，可是實際上燈泡熱得發光，而導線上的熱卻覺察不出來，這是為什么？

2.近年來經常發生重大的火災，給人們的生命和財產造成了巨大的損失，其中有許多重大火災是因線路故障，主要是線路連接不良或線路嚴重老化兩種情況引起的，為什么這些問題能引起火災呢？

設計并進行探究：

根據生活經驗猜想電流通過導體產生熱量多少可能與導體的電阻、通過導體的電流大小以及通電時間有關。

實驗方法：控制變量法與轉換法、對比法。

設計實驗步驟：

（方案一）：1.在兩個相同的燒瓶中裝滿煤油，瓶中接入兩根電阻絲，且讓其電阻R甲＞R乙，然后在瓶中分別插入兩支溫度計，如圖1所示。

圖1

（實驗時，選用的燒瓶要完全相同，煤油的質量相同，這樣能保證兩瓶煤油吸收相同熱量時，升高的溫度不同；兩根電阻絲可以選用鎳鉻合金絲和銅絲，這樣在長度、橫截面積相同時，保證電阻不同）。

（選擇煤油而不選擇水，是因為煤油的比熱容小，在吸收相同的熱量，溫度變化明顯，從而使實驗現象明顯，另外，煤油不導電，可防止漏電）。

注意：（1）煤油不要裝得太滿，防止受熱膨脹溢出；（2）溫度計的玻璃泡不能與電阻絲接觸或離得太近，否則研究對象不同；（3）兩個電阻絲電阻相差大一些，這樣對比性更好。

2.按照圖1所示的實物圖連接好電路，讓兩個電阻絲串聯。（串聯的目的是保證通電時間和電流相同，這也體現了控制變量法的思想）。

3.檢查電路連接無誤后，接通電路一段時間，記錄兩瓶中煤油的溫度變化。（由于實驗中電流在導體中產生的熱量無法直接觀察，因此要把放出熱量的多少轉化為能直接觀察的溫度變化的多少，通電后電流在電阻絲產生的熱量越多，煤油上升的溫度越高，觀測溫度的變化情況，就可以定性地比較電流產生的熱量多少，這也體現了轉化法的思想）。

4.在兩瓶中的煤油溫度降低一些后，只把甲瓶接入電路，調節滑動變阻器，改變電路中電流，重做上述實驗，通電時間保持相同。

保持電路中電流大小不變，再延長甲瓶電阻絲的通電時間，記錄溫度變化情況。整理好實驗器材。

5.對數據分析、歸納得出結論。

電流通過導體產生的熱量與導體的電阻、通過導體的電流和通電時間都有關系，導體的電阻越大，通過導體的電流越大，通電時間越長時，產生的熱量越多。

交流與合作：

此實驗可以設計成很多方案，可以把溫度計用氣球來代替，因為氣體熱脹冷縮效果比固液態更明顯，使實驗現象更直觀，時間更短。

拓展問題：電流產生的熱量和電阻成正比還是成反比，條件是什么？你能設計實驗來驗證嗎？（通過新問題的產生，來驗證電熱與電阻的關系，來解決學生平時出現的疑點和錯點，這樣效果比直接給出答案更好）。

（方案二）：設計了如圖2所示的裝置，他們將兩段阻值不同的電阻絲（R1＜R2）分別密封在兩個完全相同的燒杯中，并通過短玻璃管與相同的氣球相連，兩次實驗電源電壓不變。此裝置是采用兩電阻并聯，控制兩電阻兩端電壓相同，從而得出在電壓一定時，電流產生的熱量與電阻成反比。

圖2

（通過方案二的實驗設計與方案一的對比，讓學生明白了電熱與電阻的關系是有條件的，而不是單純的正比關系，這樣解決了教學的一個難點）。

還能設計成哪些方案來完成此探究實驗？（以此來培養學生的發散思維和變通思維的能力。）

（方案三）：設計了如圖3所示的裝置，他們設計的正確方案是:選擇兩個阻值不等的電阻絲，控制通過兩個電阻絲的電流相等，通電時間相等，比較產生的熱量多少。于是找來兩段材料、粗細相同，長短不同的電阻絲分別繞制成兩個外形相同，長度不同的電阻圈串聯在電路中，同時將火柴棒分別插入兩個電阻圈中，如圖3所示，他想通過火柴被點燃的先后來比較產生熱量的多少。當電路接通后，他發現兩根火柴幾乎同時被點燃，于是得到電阻大小對產生熱量多少沒有影響的結論。

圖3

（方案四）：設計了如圖4所示的裝置。他們將兩段阻值不同的電阻絲（R1＜R2）分別密封在兩個完全相同的燒杯中，并通過短玻璃管與相同的氣球相連，兩次實驗電源電壓不變。此裝置是采用兩電阻串聯，目的是控制電流相同，即可探究電流產生的熱量與電阻是否有關。在這個實驗中，電流產生熱量的多少是通過氣球脹程度體現出來的。

圖4

結論：在電流和通電時間相同時，電流產生熱量與電阻成正比。

評價：選擇煤油為被加熱液體，是因為相同質量的水和煤油相比，吸收相同的熱時，水升溫不明顯。選取電阻時，盡可能選用合金類的電阻，效果更好，更明顯。選用圖2和圖4氣體熱脹冷縮效果比固液態更明顯，使實驗現象更直觀，時間更短。若選圖1，理由是：用溫度計能較準確地測出煤油的溫度變化，便于定量研究。方案3的結論是錯誤的，因為電阻絲與火柴接觸點處產生的電熱相同（或相同長度電阻絲產生的電熱相同；或電阻絲與火柴接觸點處溫度相同；或整個電阻絲產生的電熱沒有全部給火柴加熱）。

反思：通過對電流熱效應的影響因素實驗的探究，進一步了解了科學方法思想的重要性，通過親歷探究過程，培養學生用探究的方法解決問題的能力，通過探究實驗培養學生的創新能力、合作精神及用語言表達思想的能力。探究式教學，從教學目標看，它著重于全面提高學生的素質，尊重學生的主動精神，充分開發每個學生的智慧潛能，培養學生的能力；從方法上看，它以探究為主，強調了學生的參與性，主動性等，從形式上看，它采用的是開放式教學，它讓學生動起來，可以用各種各樣的方法來解決實際問題；從學生角度看，它更能使學生在受教育的過程中，視學習為樂趣，更富有創新力。