數字實驗平臺在物理探究課中的應用＊
——焦耳定律探究實例

張秋紅

（保定市第十七中學 河北 保定 071000）

教科版義務教育課程標準實驗教科書《物理》（九年級上）是通過一個實驗設計，引出焦耳定律.教材提出將兩條粗細一樣，長度不同的鎳鎘合金電阻絲R1，R2串聯在電路中，經過相同的時間，比較兩條電阻絲產生熱量的多少.設計方案如圖1.

圖1 原焦耳實驗設計方案

方案（a）中，通過觀察火柴被點燃的先后判斷兩電阻絲產生熱量的多少.如果兩個材料、粗細相同的電阻絲串聯在電路中，其溫度理應相同，不可能滿足探究要求.

方案（b）中，通過觀察氣球膨脹的先后比較兩電阻絲產生熱量的多少.該實驗通過研究空氣介質的溫度升高，比較燒瓶內部電阻絲產生熱量的多少.由于溫度變化不可能很大，也難于做出判斷.

此外，焦耳定律既包含了產生的熱量與電阻的關系，又包含了與電流和通電時間的關系.然而教材在這里的探究只涉及了與電阻的關系.針對以上問題，筆者經過多次實驗，最終采用自制加熱裝置，并結合數字實驗平臺，取得了較好的效果.

1 主要器材

1.1 自制加熱裝置

如圖2，取規格相同的試管（直徑3cm，高10cm）若干支，并在各試管中用橡膠塞封住等量的空氣.將電阻絲穿過橡膠塞置于試管中.

圖2 自制加熱裝置

1.2 數字實驗平臺采集數據

將溫度傳感器的“溫度探頭”穿過橡膠塞插入試管內，把傳感器另一端的接口和數字實驗平臺電腦相連接，通過溫度傳感器，實驗數據會直接傳入電腦并自動生成圖像.

2 實驗過程及結果分析

2.1 電熱和電阻的關系

（1）取兩個加熱裝置Ⅰ，Ⅱ，將R1＝5Ω和R2＝10Ω的電阻串聯在電路中（圖3）.如此通過R1，R2的電流相等，且能有效控制對兩個電阻加熱相等的時間.

圖3 數字化焦耳實驗設計方案

（2）將傳感器一端的兩個溫度探頭分別接入加熱裝置，另一端的接口與電腦相連接.

（3）閉合開關，電阻絲對空氣加熱，點擊電腦屏幕上的數據“采集”，即可在電腦屏幕上觀察到兩個探頭所探測到的溫度升高.經過80s后，停止數據采集，斷開開關.得到的兩加熱裝置中空氣的溫度T隨時間t的圖線，如圖4.

圖4 電流相等時，裝置T-t曲線

為了使比較更加明朗，筆者采集了圖中足夠的數據，計算出經過相等時間，兩加熱裝置中空氣的溫度變化量，如表1.

表1 加熱裝置Ⅰ和Ⅱ內的溫度及溫升

（4）結論：從圖像及采集的數據很容易看出，當通過電阻絲的電流相同時，經過相同的時間，電阻絲的阻值越大，氣體溫度升高越快，說明產生的熱量越多.同時，從表1還可以很直觀地看出，裝置Ⅱ溫度的變化量近似為裝置Ⅰ的2倍.因此，可以推出電阻絲產生的熱量與阻值的關系成正比.

2.2 電熱和電流的關系

（1）取兩個加熱裝置 Ⅰ′，Ⅱ′，R1＝5Ω，R2＝5 Ω，使R1與作為輔助的等阻值電阻R3（R3＝5Ω）串聯組成的支路，與R2并聯，如圖5.由串、并聯電路電流特點可知，通過R2的電流是R1的2倍.

實驗步驟同上，得到如圖6所示的圖像及表2.

圖5

圖6 電阻相等時裝置T-t曲線

表2 加熱裝置Ⅰ′和Ⅱ′內的溫度及溫升

（2）結論：從圖6及表2可知，當電阻絲的電阻相等時，經過相等的時間，電流越大，氣體溫度升得越高，說明電阻絲產生的熱量越多，且大于電流增大的倍數.產生的熱量與電流之間已不再近似為正比關系.

2.3 電熱和時間的關系

由以上任意T-t圖像均可看出，空氣的溫度都是單調增加的，說明電阻絲產生的熱量隨著時間的增加而逐漸增加.從表1及表2的數據可以得到，產生的熱量與經過的時間基本上是正比關系.

3 結束語

自制加熱實驗裝置定性地研究了電熱與電阻、電流以及時間的關系，實驗原理科學，效果明顯，所用時間短，操作方便、安全.

實驗使用數字實驗平臺中的溫度傳感器可以在電腦屏幕上直接觀察到溫度的變化，突破教學重、難點，使實驗結果更加直觀形象；改變了以往紙上記錄數據和手工繪圖的方法.在實驗探究過程中學生能把更多的注意力集中在采集、處理實驗數據上，實驗的目的性更加明確.