淺談初中《焦耳定律演示實驗》的改進

凌文盛

摘 要 初中物理教材中《焦耳定律實驗》的操作步驟存在著不能同時演示電流跟熱量、電阻和熱量的關系；只能定性研究，不能定量研究，演示效果差。演示時間長等三方面的不足。為此，文章提出一些改進意見。

關鍵詞 焦耳定律 演示實驗 改進

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

隨著知識的更新與發展，初中物理教材的一些實驗操作不是非常適于教學操作。在此，筆者以初中物理教材中的《焦耳定律實驗》為例，淺談初中物理教材中的一些需要改正完善的地方，同時提出一些改進方法。

1 教材中的實驗操作不足

現在人教版物理教材實驗設計的步驟是：

第一步：接通電路，過一段時間后，看看兩個玻璃瓶中煤油哪個上升得更高。得出的結論是：甲玻璃瓶中煤油上升得更高。這表明電阻越大，電流產生的熱量越多。

第二步：讓兩玻璃瓶的煤油高度還原，然后利用滑動調解器，調節電流，再做實驗。注意通電時間和前次時間相同，在這兩次實驗中，比較甲瓶（或乙瓶）中的煤油哪次上升得高。在第二次實驗中，甲玻璃瓶中煤油上升得高。這表明電流越大，電流產生的熱量越多（如圖1所示）。

第三步：從以上實驗可以得出結論，在電流與電阻不變的情況下，通電時間越長，瓶中的煤油上升得越高，電流產生的熱量越多。

筆者對照教材中的步驟，做了多次的實驗，發現了一些問題。玻璃瓶上的煤油上升得太慢，而我們上課的時候，每節課45分種，想要在45分種完成上面所說的實驗操作，基本上是不可能完成的。一節課也只能勉強完成上面所說的第一步，但是，如果想要完成第二步，讓溫度慢慢再降下來，重新再做，再讓學生進行觀察比較，45分種是完全不可能完成的。因為，想讓給玻璃瓶中的煤油加溫是容易的事，但是，想要讓溫度降下來，還是要較長的時候。為此，很多物理教師為了達到教學目標，完成這一實驗的教學任務，經常是把學生的實驗課變為了教師的講授實驗，或者有些老師利用更快捷的多媒體課件演示，而讓實驗配置成為擺設，失去了讓學生動手操作，親身體驗的實驗課本質。

由上面的情況來看，《焦耳定律的實驗》由于裝置比較復雜，實驗要求有很好的密閉條件，整個實驗的進展速度也相對比較慢，教室里學生的可見度比較有限，整個實驗的時間也比較久。有以下三個方面存在不科學之處：

第一，電流與熱量、電阻與熱量的關系，在教材中的實驗操作中，不能同時演示出來。在演示電流與熱量之間的關系時，說明電流越大，產生的熱量越大這個理論時。根據教材中的實驗步驟，總體上要從以下兩方面來操作。由于電流的不同導致實驗玻璃瓶中液體高度的變化不能直觀地進行對比。同時還要讓兩只玻璃管的液柱回到原來的高度，需要較長的時間，在課堂上操作不太實際，浪費時間，也不利于課效課堂的標準。改實驗中的電流后才能做下次操作，而實際操作實驗過程中，燒瓶中的煤油加熱是很簡單的事，但是要降低它的溫度卻相對比較難，要較長的時候，導致需很長時間液柱才能回到原來的高度。為此這一實驗操作不同時演示電流跟熱量、電阻和熱量的關系。

第二，演示效果比較差，不能定量研究，只能定性研究。

第三，在實驗過程中，給煤油加熱的時間太久了，同時，讓煤油降溫的時間更久，這樣容易導致學生的注意力容易分散，不切合學生的學習，同時這個實驗也不能連續重復演示操作，也不適合于課堂教學。如果要把加熱的煤油倒了，換上等量的冷卻的煤油，過程比較麻煩，同時也太浪費了。

基于教材中的這三點不足，筆者進行了以下實驗改進。

2 實驗的改進

準備三個相同大小的塑料盒，在塑料盒內密封三條電阻絲R1、 R2 、R3。同時在塑料盒的外面要留兩個接線柱，要使電阻絲R1> R2 = R3。把玻璃管插入塑料盒的兩端，把橡皮管接在玻璃管上。在演示板上固定好兩個U形玻璃管、開關S、電阻R。用橡皮管把U形玻璃管和玻璃管連接起來，用導線把各接線連接起來。具體的實驗操作步驟大致如下：

①夾子e、f打開，然后把水加入兩U形管中，并且要讓兩管中的水面相平，同時，為了便于學生上課的時候觀察可以把水染成紅色。

②把橡皮管用夾子e、f夾住，開關S斷開，然后電源的正負極接上a、d接線柱，這時，我們就會發現兩個上玻璃管的水柱很快上升，而且我們還可以看到兩個上玻璃館中A管上升得比較多。由此可見，時間不變的情況下，R更大，I產生的熱量就更多。

③電源斷開，打開e、f夾子，讓實驗中的玻璃管中的水位恢復到剛開始的的狀態，以便做下一步實驗。

④用電阻3盒換下電阻2盒，閉合開關S，將電阻連入電路中，再把a、d連入電源的正負極，這時你會發現兩管中的水的高度上升，而且A管中的水位比另外一個上升得更高。由此可見，在時間相同、R不變的情況下，I越大，I產生的卡路里就越多。

把湈油裝潢在實驗裝置在兩個相同的燒瓶中，并用膠塞密閉，把膠塞中放玻璃管，在瓶中放一根R，同時要讓甲瓶中R比乙瓶中的R大。通電后I通過電阻絲產生的卡路里就越多，那么實驗中的玻璃管中液體就會上升得更高。通過觀察玻璃館中的煤油上升的情況，我們就可以比較I產生的卡路里的情況。

第一，給實驗中的電路通電后，對比液體哪個上升得更高（如圖2所示），實驗最后的結果是：第一瓶中的液體上升比第二瓶更高。

第二，等到兩玻璃管中的煤油降回原來位置時，調節電路中的變阻器，讓電流加大，再次做上述的實驗，給電路的通電時間不變。前后兩次實驗，對比較兩瓶中的液體上升的情況（如圖3所示）。最終我們可以得出的結論是：第二次實驗的玻璃管中液體上升得更高一些。

第三，整個實驗結論是：（1）I不變的時候，R越大，I產生的Q就越多；（2）R不變的時候，I越大，I產生的Q越多；（3）I與R不變的情況下，如何通電時間越長，I產生的Q也就越多，玻璃管中液體就會上升得越高。

鑒此，根據上面的改正，筆者上課的時候，還是取得了很發的教學效果。具體實驗中改進的裝置如圖2、3、4所示。

3 此實驗裝置的優點

第一，在其它情況相同的時候，利用氣體的熱膨脹來做實驗，相比利用液體的熱膨脹實驗的效果將會明顯得很多。同時整個實驗的時間也變短了不少，非常有效地提高了老師上課時的教學效率，也提高了學生的學習效率。第二，沒有使用電流表測電流的麻煩，可能讓同學們的課堂注意力放在觀察氣壓計中的液體上升的高度來理解電流、電阻與熱量的關系，便于學生集中注意力，便于學生專注于實驗本身。第三，實驗儀器具有連續多次操作演示的效果，改進后的實驗裝置操作方便，便于控制。