焦耳定律實驗的改進與創新

(南京師范大學附屬中學新城初級中學，江蘇 南京 210019)

1 問題的提出

焦耳定律實驗是初中物理的重要實驗，傳統的實驗裝置復雜、效果不明顯，實驗之前需要進行大量的調試，實驗現象一般是通過溫度計的示數變化來反映電流熱效應的大小，讓學生覺得無趣，難以調動學生學習的積極性。筆者通過改進實驗，利用學生身邊的文具用品，利用干電池給鉛筆芯通電發光，激發了學生學習的興趣，實驗裝置簡單，效果明顯。

2 實驗器材

(1) 鉛筆芯：長約1cm、直徑為0.5mm的2H和2B鉛筆芯各一根。

(2) 橡皮兩塊、回形針4根、鱷魚夾導線多根、2B粗鉛筆芯1根(連同半面鉛筆木頭)、1號電池8節、玻璃瓶2個。

(3) 固定鉛筆芯的支架：把回形針彎成如圖1所示形狀，插入橡皮中壓緊，注意橡皮不要太厚，這樣可以讓回形針插入后露出頭來，用于連接電路，而且回形針也會很牢固地貼在橡皮上，再把鉛筆芯輕輕卡在兩個回形針之間，此時回形針夾既能夾緊鉛筆芯，又能保證不會夾斷鉛筆芯(如圖2)。

圖1

圖2

3 實驗探究

3.1 探究電流熱效應與電阻的關系

將2H和2B兩根鉛筆芯分別夾在兩個支架上，再串聯接入電路中(如圖3)，閉合開關，看到兩根鉛筆芯都在發光，而且明顯地看出2H發光遠比2B發光強(如圖4)，說明當通電時間和電流相同時，電阻越大，電流產生的熱量越多。

圖3

圖4

3.2 探究電流熱效應與電流的關系

將2B或2H鉛筆芯接入電路，再串聯一根粗的2B鉛筆芯(鉛筆中木頭留一半)作為滑動變阻器(如圖5)，因為實際工作時電路中的電流很大，會超過3A，若用普通滑動變阻器，電阻絲會因溫度過高，而使連接的塑料接頭熔化。

圖5

圖6

通過改變粗2B鉛筆芯在電路的長度來改變電路中電流，發光鉛筆芯的亮度發生了明顯的變化(如圖6)，這明：當導體的電阻、通電時間一定時，電流越大，導體產生的熱量越多。

4 實驗反思

4.1 改進后實驗的優點

(1) 實驗器材都是學生身邊熟悉的文具，學生可自己動手做實驗，實驗現象明顯，更能激發學生的興趣。

圖7

(2) 實驗時間短、效果好，可以節省大量時間用于實驗的準備與討論。

(3) 電流通過鉛筆芯發光的過程中，鉛筆芯的亮度越來越亮，大概一分鐘左右，鉛筆芯會被燒斷，圖7是燒斷后的鉛筆芯，可以看到鉛筆芯在發光過程中，它變得越來越細。在得出電流熱效應與電流、電阻、時間的關系后，可以讓學生討論：為何鉛筆芯變細后發光越強？

4.2 需要改進之處

(1) 因為實驗現象比較明顯，鉛筆芯發光太強，所以觀察時不能直視鉛筆芯，可以斜視觀察鉛筆芯的發光情況，也可以讓學生戴上墨鏡。

(2) 鉛筆芯剛通電時會冒出煙來，是因為鉛筆芯里的膠被熔化，可以給鉛筆芯蓋上一只透明玻璃杯，這樣既能看到鉛筆芯發發光情況，又能防止煙跑出來。