利用DISLab定量探究焦耳定律*

胡華愉 楊曉梅

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

物理課程教學(xué)在于幫助學(xué)生認識和理解自然，其中多數(shù)物理概念、規(guī)律的產(chǎn)生和發(fā)現(xiàn)都是建立在嚴格的科學(xué)實驗之上.人教版初中教材對焦耳定律進行了定性實驗，而高中階段在該部分僅做了理論推導(dǎo).《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出“引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化”的理念[1]，使數(shù)字化傳感器技術(shù)走進課堂成為可能.因此，借助DISLab將焦耳定律定性實驗過渡到高度定量的數(shù)字化實驗，滿足學(xué)生對物理規(guī)律深入探索的需求，為培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)提供教學(xué)案例.

1 數(shù)字化信息系統(tǒng)

數(shù)字化信息系統(tǒng)(Digital Information System，簡稱DIS)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和配套軟件等構(gòu)成的數(shù)字化實驗系統(tǒng)，為教學(xué)提供了新的策略和方法.DIS具備準確、實時、直觀等特點，能一定程度優(yōu)化實驗內(nèi)容、提高教學(xué)效率，此次探究實驗使用的數(shù)字化信息系統(tǒng)為朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室(DISLab).

2 實驗原理

探究焦耳定律中熱量Q與電流I、電阻R和通電時間t之間的關(guān)系，應(yīng)首先確定電阻加熱的介質(zhì)以測量產(chǎn)生的熱量.氣態(tài)的空氣不具有導(dǎo)電性，比熱容較小，對流作用顯著，并且隨處可得，相比于固態(tài)的金屬和液態(tài)的煤油(色拉油)是較理想的介質(zhì).

封閉且絕熱的容器內(nèi)放入通電電阻，電阻將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，空氣吸熱膨脹并對外做功.由于容器封閉絕熱，沒有能量損失，空氣完全吸收電阻產(chǎn)生的熱量.根據(jù)介質(zhì)溫度變化時熱量的計算公式Q=cmΔT(ΔT為溫度的變化量，單位是℃°，以區(qū)分通電時間t)，容器中空氣質(zhì)量不變，其自身的溫度將升高，通過溫度的變化就可反映電阻產(chǎn)熱.

當電流和電阻一定時，若繪制溫度與時間的圖像是一次函數(shù)，表明產(chǎn)熱與通電時間成正比；當電流和通電時間一定時，成倍改變電阻阻值，若前后實驗溫度的變化量是倍數(shù)關(guān)系，則產(chǎn)熱與電阻成正比；當電阻和通電時間一定時，成倍改變電流大小，若前后實驗溫度的變化量是倍數(shù)平方的關(guān)系，則產(chǎn)熱與電流的平方成正比.

3 實驗方案及裝置制作

3.1 實驗方案

設(shè)計實驗電路原理圖如圖1所示.

圖1 實驗電路圖

電源電動勢E=6 V，R是容器內(nèi)電阻絲，電阻箱Rx用來調(diào)節(jié)R兩端的電壓和電流，以滿足指定的實驗條件，電壓、電流和溫度均由傳感器記錄并傳輸至計算機，電壓、電流傳感器還起到實時監(jiān)測電阻絲阻值的作用.

采用控制變量法設(shè)計實驗過程，該探究實驗分成3個小實驗.實驗1為對照組，實驗2在實驗1的基礎(chǔ)上增大電阻絲阻值，探究熱量Q與電阻R的關(guān)系；實驗3在實驗1的基礎(chǔ)上增大電流，探究熱量Q與電流I的關(guān)系.各實驗條件如表1所示.

表1 實驗條件取值表

教師可要求學(xué)生在理解實驗原理和操作步驟后，由歐姆定律計算電阻箱Rx的阻值再填入表格，檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.

3.2 實驗裝置制作

制作封閉且絕熱的實驗裝置是完成實驗的關(guān)鍵，并且需要與DISLab實驗系統(tǒng)匹配.準備以下材料：寬口塑料瓶2個，紅、黑接線柱各2個，溫度傳感器探頭2個，電阻絲，多用電表，熱熔膠和保溫紙等，制作步驟如下.

(1)使用多用電表測量并截取阻值分別為5 Ω和10 Ω的電阻絲，纏繞成螺旋狀；

(2)選取兩個相同的寬口塑料瓶，在瓶身左右兩側(cè)等高位置各開一個孔，安裝紅、黑接線柱以固定電阻絲，用熱熔膠密封接線柱的邊緣；

(3)瓶蓋開孔，調(diào)節(jié)并固定溫度傳感器探頭，擰緊瓶蓋后檢查氣密性；

(4)用保溫紙包裹瓶身.

實驗裝置制作完成后，按照電路圖連接各實驗器件，如圖2所示.

圖2 自制實驗裝置實物連接圖

4 探究實驗操作

4.1 對照組實驗

(1)選用電阻絲R=5 Ω的塑料瓶，調(diào)節(jié)電阻箱Rx=25 Ω，連接電路.

(3)閉合電路開關(guān)，待傳感器示數(shù)穩(wěn)定后啟動采集，獲得并保存第1組實驗數(shù)據(jù).

4.2 探究熱量Q與電阻R的關(guān)系

(1)替換電阻絲R=10 Ω的塑料瓶，調(diào)節(jié)電阻箱Rx=20 Ω.

(2)新建并調(diào)用焦耳定律模板，其余操作同4.1中的(3)，獲得并保存第2組實驗數(shù)據(jù).

4.3 探究熱量Q與電流I的關(guān)系

(1)替換冷卻至室溫的電阻絲R=5 Ω的塑料瓶，調(diào)節(jié)電阻箱Rx=10 Ω.

(2)操作同4.2中的(2)，獲得并保存第3組實驗數(shù)據(jù).

5 實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)論

5.1 數(shù)據(jù)處理

(1)依次在“計算表格”界面選取實驗1、實驗2和實驗3的數(shù)據(jù)，以x軸為通電時間、y軸為溫度繪制“溫度-時間”圖像，如圖3所示，3組實驗溫度隨通電時間變化對比圖如圖4所示，實測數(shù)據(jù)處理界面如圖5所示.

圖3 通用軟件繪制的“溫度-時間”圖

圖4 3組實驗溫度隨通電時間變化對比圖

圖5 實測數(shù)據(jù)處理界面

5.2 實驗結(jié)論

引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗圖像，總結(jié)出溫度與通電時間近似構(gòu)成一次函數(shù)，得熱量Q正比于通電時間t；溫度的變化量滿足

得熱量Q分別正比于電阻R和電流I的平方，即

Q=I2Rt

6 結(jié)束語

在現(xiàn)有條件下為定量探究焦耳定律設(shè)計最簡電路，節(jié)省了實驗材料，可培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識；引導(dǎo)分析實驗原理，推理出電阻產(chǎn)熱與空氣溫度變化的內(nèi)在聯(lián)系，形成科學(xué)思維習(xí)慣；讓學(xué)生在裝置制作時掌握傳統(tǒng)測量儀器的使用方法，并結(jié)合DISLab略去繁瑣的數(shù)據(jù)采集過程，WPS軟件也減輕了處理大量數(shù)據(jù)的負擔，使學(xué)生專注于規(guī)律總結(jié)；綜合運用各類教學(xué)設(shè)備為學(xué)生營造了更全面認識焦耳定律的氛圍，深化能量轉(zhuǎn)換的物理觀念.