《探究：電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》實(shí)驗(yàn)方案及裝置的改進(jìn)

摘 要：九年義務(wù)教育教科書北師大版9年級(jí)《物理》，第十三章第四節(jié)《探究——電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》。按照教材中的實(shí)驗(yàn)方案和裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)只能得出定性結(jié)論，不能得出定量結(jié)論，效果一般。并且所用實(shí)驗(yàn)器材多，操作不方便、難度大，費(fèi)時(shí)、復(fù)雜、學(xué)生觀看不直觀；不能連續(xù)或重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。加熱時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生注意力容易分散，不利于組織課堂教學(xué)。我改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案和裝置所用電路簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)器材少，操作方便，實(shí)驗(yàn)的難度小，省時(shí)、簡(jiǎn)單、直觀明了、對(duì)比性好；能連續(xù)或重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于組織課堂教學(xué)，進(jìn)行科學(xué)探究。改進(jìn)后在允許的誤差范圍內(nèi)可以得出定量結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電流的熱效應(yīng)；實(shí)驗(yàn)方案；改進(jìn)

我改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)是九年義務(wù)教育教科書北師大版9年級(jí)《物理》，第十三章第四節(jié)《探究：電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹孔寣W(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，找出電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)。

【教材中實(shí)驗(yàn)方案】利用電流的熱效應(yīng)加熱質(zhì)量相同的同種液體，通過液體溫度的升高情況判斷通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少。

在多年的教學(xué)實(shí)踐過程中，此實(shí)驗(yàn)只能得出定性結(jié)論，不能得出定量結(jié)論，效果一般。在實(shí)驗(yàn)中還有以下問題和不足：

第一，上課時(shí)一般選用取材方便的水做實(shí)驗(yàn)，由于水的比熱容較大，在吸收熱量時(shí)溫度升高十分緩慢，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)。如果上課用比熱容較小的其他液體，如煤油、植物油、酒精等，不僅存在取材不方便、成本高，也同樣存在溫度升高慢、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)的問題。實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)容易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散，不利于組織課堂教學(xué)。

第二，為了探究電流的熱效應(yīng)與電阻以及電流的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法進(jìn)行探究，需要分兩次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在探究完電流的熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系后，如果不更換瓶中液體，要等待兩只燒瓶?jī)?nèi)液體的溫度降到相同溫度，然后改變電流的大小才能繼續(xù)進(jìn)行探究電流的熱效應(yīng)與電流的關(guān)系。但是燒瓶中的液體降溫過程相比升溫過程要更加緩慢，需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間兩只燒瓶?jī)?nèi)液體的溫度才能一致，不便于連續(xù)或重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且在實(shí)驗(yàn)過程中更換液體也比較麻煩。

第三，按照教材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究所用電路復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)器材多，操作不方便，實(shí)驗(yàn)的難度大。

針對(duì)以上問題，我對(duì)該實(shí)驗(yàn)方案和裝置做了相應(yīng)的改進(jìn)。

【實(shí)驗(yàn)方案】利用電流的熱效應(yīng)加熱質(zhì)量相同的空氣，通過比較受熱膨脹的空氣使染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況，判斷通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少。改進(jìn)后在允許的誤差范圍內(nèi)可以定量地得出：電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比，即焦耳定律。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想】空氣的比熱容小，升溫、降溫快。空氣的熱膨脹系數(shù)大，靈敏度高，操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可見度大，效果好。實(shí)驗(yàn)時(shí)染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況直觀、明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前，對(duì)比性好。

【實(shí)驗(yàn)裝置】如下圖所示。

【實(shí)驗(yàn)操作步驟】

a. 先利用投影或輔助黑板介紹改進(jìn)后的裝置，說明實(shí)驗(yàn)?zāi)康募把芯繉?duì)象。

b. 用量筒向形狀、規(guī)格相同的兩瓶中分別加入適量的等體積的染成紅色的水，電阻絲不接觸水，保證吸熱物質(zhì)主要是空氣。

c. 探究電流的熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系：按圖甲組裝、連接實(shí)物并檢查線路。引導(dǎo)學(xué)生分析，左邊瓶中電阻絲電阻為nR，右邊瓶中電阻絲電阻為R。整個(gè)電路串聯(lián)保證了電路中電流相等，通電時(shí)間相等。閉合開關(guān)給空氣加熱，指導(dǎo)學(xué)生觀察染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況（在細(xì)玻璃管側(cè)粘貼有帶刻度的紙標(biāo)尺），可以看到，當(dāng)電路中的電流及通電時(shí)間相同時(shí)，左邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升的高度是右邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升高度的n倍，即左邊瓶中電流產(chǎn)生的熱量是右邊瓶中的n倍，表明在電流大小和通電時(shí)間相同的條件下，電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟導(dǎo)體的電阻成正比。

d. 探究電流的熱效應(yīng)與電流的關(guān)系：按圖乙組裝、連接實(shí)物并檢查線路。引導(dǎo)學(xué)生分析，右邊瓶里與瓶外n個(gè)等值電阻絲（R，n個(gè)R）并聯(lián)后與左邊瓶中電阻絲（R）串聯(lián)，根據(jù)串并聯(lián)電路特點(diǎn)可知，通過右邊瓶中電阻絲的電流是通過左邊瓶中電阻絲電流的1/（n+1）。閉合開關(guān)給空氣加熱，指導(dǎo)學(xué)生觀察染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況，可以看到，當(dāng)電阻相等、通電時(shí)間相同時(shí)，右邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升的高度是左邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升高度的1/（n+1）2，即左邊瓶中電流產(chǎn)生的熱量是右邊瓶中的（n+1）2倍，表明在電阻和通電時(shí)間相同的條件下，電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比。

在做甲、乙兩次實(shí)驗(yàn)過程中，分析其中任意一瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升的情況，都可以看出通電時(shí)間越長(zhǎng)，液柱上升越高，因此可以得知電流熱效應(yīng)與通電時(shí)間成正比。通過上述多次實(shí)驗(yàn)，在允許的誤差范圍內(nèi)便可以定量地得出焦耳定律。

【實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)】

1. 用空氣作為吸熱物質(zhì)，空氣的比熱容小，升溫、降溫快。加熱時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短。能連續(xù)或重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于組織課堂教學(xué)。

2. 空氣的熱膨脹系數(shù)大，靈敏度高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更為明顯。

3. 實(shí)驗(yàn)過程中，染成紅色的水在玻璃管中上升的情況，直觀、明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前，增大了可見度，對(duì)比性好，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的興趣。

4. 所用電路簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)器材少，操作方便，降低了實(shí)驗(yàn)的難度。

5. 在允許的誤差范圍內(nèi)可以定量地得出焦耳定律的具體內(nèi)容。

【注意事項(xiàng)】

1. 橡膠塞要塞緊，玻璃管管口要插入液面下一定深度，確保良好的氣密性。

塞緊橡膠塞時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)會(huì)大于外面大氣壓強(qiáng)，氣壓差會(huì)使染成紅色的水在細(xì)玻璃管內(nèi)上升到一定的高度。可在橡膠塞上多打個(gè)孔，并插上帶半截橡膠管的細(xì)玻璃管，橡膠管用夾子夾住，實(shí)驗(yàn)前打開夾子，使瓶?jī)?nèi)外氣體壓強(qiáng)相等，消除實(shí)驗(yàn)前瓶?jī)?nèi)外氣體壓強(qiáng)差對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，然后用夾子夾住橡膠管保證裝置的氣密性。這時(shí)玻璃管里的液面在同一水平線上。燒瓶?jī)?nèi)作為吸熱物質(zhì)的空氣的體積、質(zhì)量也是相等的。

2. 電阻絲不要觸及染成紅色的水，保證吸熱物質(zhì)主要是空氣。

3. 要注意避免電阻絲觸及燒瓶及玻璃管，在制作穿孔時(shí)，孔的尺寸要適中，以保證良好的氣密性。

作者簡(jiǎn)介：

郭秉柏，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣第六中學(xué)。