質疑用“點燃法”演示焦耳定律的合理性*

胡 波

(蘇州市工業園區星海實驗中學 江蘇 蘇州 215021)

題目：(2005年山東省青島市中考物理試卷中第14題)將兩電熱絲R1,R2串聯起來，接在電路中．如圖1所示，若R1>R2，則先被點燃的火柴是

A．電熱絲R1上的火柴

B．電熱絲R2上的火柴

C．兩電熱絲上的火柴同時被點燃

D．無法確定

圖1

本題給出的答案是A．解題思路大體為：根據焦耳定律Q=I2Rt可知，在電流和通電時間一定時，電阻越大產生的熱量越多，則溫度就越高．朔本求源，此命題來自于當時教材[1]上的演示實驗，且在當時教材的配套教參光盤里還有此實驗的視頻材料，實驗裝置如圖2．

圖2 實驗裝置

焦耳定律中，影響電流產生熱量的變量只有3個：電流的大小、通電時間和導體的電阻值，所以不管導體的材料、長短、粗細、形狀如何，當電流和通電時間相同時，電流通過電阻大的導體產生的熱量就多，這一點毋庸置疑，可是產生的熱量越多電熱絲溫度就越高嗎？下面筆者將從理論和實驗兩個方面進行分析．

1 理論分析

若不考慮熱量的散失，電流通過電熱絲產生的熱量全部被電熱絲自身吸收，則

2 根據理論推導的公式進行實驗分析

實驗一：如圖3，將直徑都是0.3 mm的長1 m的鎳鉻絲(阻值約6 Ω)和長1 m的錳銅絲(阻值約3 Ω)，R鎳>R錳，拉直后釘在木板上，為了盡量減少熱量損失，用相同的塑料管套在兩條電熱絲上．將兩條電熱絲串聯后接上電源，通過調節滑動變阻器，使電流為1 A．約0.5 min，套在鎳鉻絲上的塑料管先開始熔化．

圖3 串聯的兩根電熱絲通電升溫實驗

實驗二：改用直徑都是0.3 mm的長0.5 m的鎳鉻絲(阻值約3 Ω)與長2 m的錳銅絲(阻值約6 Ω)做相同的實驗，請注意：這次R鎳

兩組實驗具體數據如表1和表2．

表1 實驗一實驗數據

表2 實驗二實驗數據

實驗一和實驗二兩次對比試驗充分說明在橫截面積相同的情況下，電熱絲升高的溫度只取決于電熱絲的材料，而并不取決于電熱絲的阻值．

(2)相同材料的電熱絲，不論電阻的大小如何，總是橫截面積小的溫度升高得多．具體實驗及分析如下.

實驗三：將長1 m直徑0.3 mm的鎳鉻絲(阻值約6 Ω)與長1 m直徑0.5 mm的鎳鉻絲(阻值約2 Ω)串聯，分別套上相同的塑料管通電后，套在直徑為0.3 mm鎳鉻絲上的塑料管先開始熔化．

實驗四：將長2 m直徑0.5 mm的鎳鉻絲(阻值約4 Ω)與長20 cm直徑0.3 mm的鎳鉻絲(阻值約1 Ω)串聯，通電后還是套在直徑為0.3 mm鎳鉻絲上的塑料管先開始熔化．兩次實驗數據如表3和表4.

表3 實驗三實驗數據

表4 實驗四實驗數據

實驗三和實驗四說明相同材料的電熱絲，不論電阻的大小如何，總是橫截面積小的溫度升高得多．

(3)相同材料，同樣粗細的電熱絲，不論電阻大小如何，溫度的升高總是相同的．具體實驗及分析如下.

實驗五：將直徑都為0.3 mm，長0.3 m和長0.7 m的鎳鉻絲分別套上相同的塑料管串聯在電路中(兩段電熱絲的電阻不相等)，通電后，可以看到塑料管同時開始熔化．

表5 實驗五實驗數據

實驗五表明：相同材料，同樣粗細的電熱絲，溫度的升高總是相同的．

當時教材的配套教參光盤視頻呈現的在通過電熱絲電流大小和通電時間相同時，之所以插入大電阻電熱絲的火柴先燃燒，結合以上的分析和實驗，筆者認為是以下三個原因.

第二種情況是同種材料的電熱絲，總是細的溫度升高的多．大電阻的電熱絲較細，小電阻的電熱絲較粗．

第三種情況與本次理論及實驗得到的結論無關，可能選用的兩個電熱絲是相同粗細同種材料制成的，但由于實際實驗操作中熱量損失不同導致．比如小電阻電熱絲排列較松，熱量容易散失到空氣中，而大電阻電熱絲排列較緊，不易散熱，所以溫度上升得快．

3 結語

綜合上面的理論分析和實驗驗證，筆者認為用“點燃法”來呈現焦耳定律的實驗現象是不合理的，據此考察學生對電熱與電阻關系的理解這一命題思路也是值得商榷的．

1 劉炳昇，等.物理(九年級下冊).南京：江蘇科學技術出版社，2005