巧用凡士林做焦耳定律實驗

閆粉娥 張方彥

(1. 南京市玄武高級中學,江蘇 南京 210018; 2. 南京市人民中學,江蘇 南京 210005)

蘇科版九下第15章第3節“電熱器 電流的熱效應”中,有個關于“探究影響電流熱效應的因素”的活動實驗.這個實驗不要說是讓學生做了,就是教師上課做演示實驗,也是很頭疼的事情,教材中是這樣處理的:

如圖1所示,將一段電阻絲浸沒在一定質量的液體(如煤油)中,通電時電阻絲產生的熱量被液體吸收,液體的溫度就會升高．因此,我們可以通過液體溫度的變化來比較電阻絲產生熱量的多少．

圖1

做過這個實驗的教師都有這樣的體會:

(1) 該實驗操作要求高,顯示速度慢,可見度小,加熱時間長,學生注意力容易分散,并且不能連續重復演示,不利于組織課堂教學．

(2) 該實驗裝置比較復雜,大多數的學校沒有這么多的學生實驗器材,所以受硬件條件的限制,讓每個學生參與做實驗確實難度不小．

(3) 該實驗現象要通過溫度計示數的升高量來比較電熱的多少,尤其是對于兩個初溫不同的液體,這種比較就更加不直觀了,而且教師在講臺上做實驗,溫度計的示數變化學生很難觀察到,實驗效果就大打折扣了．

鑒于此,對實驗進行如下的改進,收到了良好的課堂效果．改進后的實驗裝置如圖2所示．

圖2

在一次性杯子上,固定一個電阻包,用火柴頭沾一點凡士林(純度高的),再把它粘在電阻包上.這樣給電阻包通電以后產生的電熱可以讓凡士林熔化,火柴頭掉落．通過火柴頭掉落的先后順序就可以判斷在相同時間內產生的電熱多少了．具體操作如下.

(1) 探究電熱與電阻的關系:把5 Ω的電阻和10 Ω的電阻串聯接入電路,這樣可以控制通電時間和電流相同,等連接好電路后,再把兩個沾有凡士林的火柴頭分別粘在電阻包上,閉和開關,20s左右第一根火柴頭掉落,再過40s左右第二根火柴頭也掉落下來了(電源用兩節干電池提供,這個實驗大概持續1min左右).

實驗結論:在電流、通電時間相同時,電阻越大,導體中產生的電熱越多．

(2) 探究電熱與電流大小的關系:用1節干電池做電源給一個10 Ω的電阻包通電,同時用2節干電池做電源給另一個10 Ω的電阻包通電,如圖3所示.等電路連接好以后,分別再把兩個沾有凡士林的火柴頭分別粘在電阻包上,同時閉和兩個開關,大概5 s左右第一個火柴頭掉落,再過50 s左右第二個火柴頭也掉落下來．

實驗結論:在電阻、通電時間相同時, 電流越大,導體中產生的電熱越多．

圖3

實驗注意事項:

(1) 連接電路中開關應該斷開；

(2) 火柴頭上的凡士林多少要適量,兩個火柴頭上的凡士林多少要大致相同；

(3) 電路連接完成后,再粘火柴頭,最后閉合開關(以免在連接電路的過程中觸碰火柴頭)；

(4) 火柴頭下落后請及時斷開開關；

(5) 第二個實驗兩個電路中的開關要同時閉合.

改進后的實驗的特點:

(1) 因為實驗器材簡單,實驗時間大大減少,所以利用本實驗的器材完全可以讓學生自己來做實驗,變教師演示實驗為學生實驗,加深對實驗規律的認識,培養學生的實驗能力．

(2) 實驗中把不能觀察到的物理量電熱轉化為能夠看到的實驗現象,通過火柴頭的掉落順序讓學生直觀地感受到電熱的多少和哪些因素有關系．

(3) 以前教師演示實驗需要20 min左右才能完成,現在讓學生做實驗,也至多5 min就可以完成了,大大地節約課堂教學時間．

(4) 實驗器材容易獲得,利用身邊的簡單器材就可以完成本實驗了,讓學生有一種親切感,不再覺得物理實驗器材是什么高大尚的東西．

實驗反思:在進行實驗的過程中,發現了以下幾個問題,引發我的教學思考和實驗改進．

(1) 在學生做實驗的過程中,個別組等了好久火柴頭沒有掉落,查看電路連接正確無誤,最后用電流表檢查,發現是電路不通,所以筆者想,在做本實驗的電路中最好能串聯一個電流表,以確保實驗的成功順利進行．

(2) 最初進行這個實驗的時候,筆者用的是普通的電阻絲,后來發現這種電阻絲的電阻分布比較分散,實驗過程中熱量不集中,況且在做對比實驗的時候很難保證兩個火柴頭粘的情況基本一致,所以筆者后來選擇的是電阻包來替代普通的電阻絲做這個實驗,實驗效果比較理想．

(3) 市場上有許多型號的電阻包,小電阻的有1、3、5、6、9、10、11、13、15、20、23、25、30 Ω等型號.因為不知道那種型號的電阻包的實驗效果好,所以筆者當時買了大概是10個型號的電阻包.回來經過大量的實驗發現,利用5 Ω和10 Ω(2節干電池提供電源)的電阻包做實驗“探究電流的熱效應與電阻的關系”的時候,時間長短恰當,效果較好,利用兩個10 Ω的電阻包(分別用1節干電池和2節干電池提供電源)做“探究電流的熱效應與電流的關系”的實驗中,時間長短恰當,對比效果明顯．

(4) 實驗方案確定好以后,接下來面臨的困難就是如何固定電阻包.起先筆者是打算在一個有底座的木板上固定一些長螺絲,然后把電阻包固定在螺絲上面,可是這道工序比較麻煩,可能還要求助于專業的木工師傅,能不能用手邊的簡單器材呢?經過認真的思考,靈感來了,利用一次性杯子,因為它是透明的,實驗過程和現象都是可以看見的,另外為了便于學生用手粘火柴頭操作方便,特意在杯子的側面用剪刀開一個口,因為一次性杯子比較輕,容易倒,所以實驗的時候給杯子里面加一個配重物．這樣的實驗器材讓學生感到親切,利用手邊的東西就可以做實驗了,不再覺得實驗器材是多么高大上了,因此可以培養學生在學習中的實驗意識,提高實驗能力．

(5) “探究電流的熱效應與電流關系”這個實驗教材中給的思路方法:利用滑動變阻器改變電路中的電流,先后做對比實驗,可是如果用這種方法的話會存在兩個問題,一是要用計時器,更重要的是在做第二次實驗的時候要等電阻包的溫度降低到原來的初始狀態,但是這在實驗中是不好把控的,所以筆者用了不同電源給兩個相同的電阻同時通電,根據火柴頭的掉落先后就可以非常直觀的判斷電熱的多少了,這樣就可以避免教材中所給方法的缺點了．