焦耳定律實驗裝置的定量化改進

趙小軍

（蘇州工業園區第一中學，江蘇 蘇州 215021）

物理學是一門高度定量化的學科，定性分析是前提和方向，定量研究是物理研究的最后歸屬.［1］作為物理學研究的重要工具，物理實驗體現了“定性分析—定量研究”的基本思想.物理學習也要重視物理實驗，實驗教學是培養學生物理核心素養的重要途徑.物理實驗教學中在定性分析的基礎上，對定性半定量實驗進行定量化改進，反而可以簡化分析過程.正如愛因斯坦所說的“一切都應該盡可能簡單，但不能更簡單.”定量的實驗數據能更簡潔精確地揭示物理量之間的關系.

1 研究背景

1840年，英國物理學家焦耳研究電能向熱能的轉化，通過測量電流通過電阻產生的熱量，得出了焦耳定律，為能量守恒原理的發現打下了基礎.高中物理教材通過討論純電阻電路中的電功，用歐姆定律推導焦耳定律，初中物理教材則通過定性實驗探究焦耳定律.

焦耳定律是一個實驗定律.物理實驗是學生獲取知識、掌握實驗方法、提高操作能力、培養科學探究能力的重要手段.人教版的物理9年級第18章第4節，教師通常結合教材利用如圖1所示的焦耳定律實驗裝置進行演示.該實驗裝置根據左右兩個獨立的U 型管中的液面高度差大小定性判斷哪個電阻產生的熱量多.基本原理是兩個電阻通電加熱封閉空氣，空氣受熱膨脹推動U 型管中的液面上升，前后液面高度差越大，證明電阻產生的熱量也越大.在實驗中，可以控制變量觀察電阻阻值、接入電流、通電時間與U 型管中液面高度差變化的關系，從而判斷幾個物理量與產生熱量的關系.蘇教版的物理9年級第15章第3節，首先討論影響電流熱效應的因素，然后引入焦耳定律的探究，教材設計了如圖2的實驗裝置探究電阻絲中的電流大小和電阻阻值大小對產生熱量的影響.通電電阻加熱煤油，煤油中溫度計可以顯示煤油吸收熱量的多少.實驗中通過控制變量法觀察煤油的溫度變化與幾個物理量的關系探究焦耳定律.教材對焦耳定律實驗的研究一方面讓學生通過實驗現象了解定律，另一方面也進行了半定量的初探.在直觀的定性和半定量研究基礎上再進一步地實現定量實驗的改進，既可以提高實驗的科學性，也可以培養學生的科學探究能力.

圖1

圖2

2 焦耳定律實驗分析

作為初中物理中重要的探究實驗，人教版和蘇教版的焦耳定律實驗設計都有自己的優點，也有一些不足，列表進行比較可以看出實驗裝置定量化改進的方向，如表1.

表1

綜上對實驗裝置的分析，可以優化電路設計，采用數字儀器讀取數值，整合相關功能到一個實驗平臺上，增加開關完成對實驗中相關變量（電熱、電流、電阻、時間）的調節和讀數，最終實現對焦耳定律實驗裝置的定量化改進.

3 實驗裝置的改進

新的實驗裝置整體設計電路如圖3，使用煤油作為熱介質，通過按鍵操作實現電路切換改變各變量，用數字化儀表進行測量和顯示數據.

圖3

制作的實驗裝置如圖4，外置大功率電源供電，用大功率縮短加熱時間，提高實驗效率.平臺的主要材料有電熱絲、數碼溫度表、數字電流表、數字電阻表、電子計時器、可調電源、數字電壓表.4只20Ω 電阻串聯放入熱介質中，雙刀雙至開關實現接通電源或測量電阻阻值，雙刀雙至開關接通電源后分別單獨接通S1、S2、S3、S4，接入電路的電阻阻值可以是20Ω、40Ω、60Ω、80Ω，能夠實現熱介質加熱電阻的改變.為增加實驗可視性，在平臺裝置的上方排布相關顯示儀器，顯示接入的電阻數量、電流強度、溫度值、接通時間、電壓值，便于實驗觀察和讀數.調節外置大功率電源旋鈕可以調節輸入電壓和電流，從而實現電流的改變.

根據Q=cm（T2-T1）=cmΔT 知道相同液體溫度變化量與吸收的熱量成正比，即Q∝ΔT.因大功率電源加熱時間短，可忽略散熱，因此研究產生的電熱與各相關物理量的關系，可轉化成研究加熱前后熱介質溫度變化量ΔT 與通電電流I、電阻阻值R、通電時間t的關系.改進后的實驗裝置實現了由簡單的定性演示到全面的定量探究.

4 定量實驗

借助改進后的實驗裝置，采用控制變量的方式定量探究電熱與電阻中電流、電阻阻值、通電時間之間的關系.

（1）探究電阻中電流（I=1.0 A）相同的情況下，電阻阻值分別為20Ω、40Ω、60Ω、80Ω 時，溫度變化量ΔT 與電阻中接入電流時間之間的關系.實驗研究的數據及其關系如表2.

表2 溫度變化量與電阻中接入電流時間之間的關系

續表

研究結論：在電流I、電阻阻值R 一定的情況下，溫度變化量與加熱時間成正比（圖5）.

圖5 溫度變化量與時間之間的關系

（2）探究電流I=1.0 A 相同的情況下，加熱時間分別為30 s、60 s、90 s時，溫度變化量與電阻之間的關系.實驗研究的數據及其關系如表3.

表3 溫度變化量與電阻之間的關系

研究結論：在電流I、加熱時間t一定的情況下，溫度變化量與電阻阻值成正比（圖6）.

圖6 溫度變化量與電阻之間的關系

（3）探究電熱絲電阻阻值為40Ω，加熱時間為50 s時，溫度變化量與電流的關系，實驗研究的數據及其關系如表4.

表4 溫度變化量與電流的關系

研究結論：在電阻阻值R、加熱時間t一定的情況下，溫度變化量與電流的平方成正比（圖7）.

圖7 溫度變化量與電流平方的關系

綜合以上研究結論，可知在其他物理量保持不變的情況下，溫度變化量與電流的平方成正比ΔT∝I2；溫度變化量與加熱時間成正比ΔT∝t；溫度變化量與電阻阻值成正比ΔT∝R.最后可得，在其他物理量保持不變的情況下，電熱與電流的平方成正比Q∝I2；電熱與加熱時間成正比Q∝t；電熱與電阻阻值成正比Q∝R，即Q∝I2Rt.最后定量驗證焦耳定律的公式Q=I2Rt.通過探究實驗可以看出，定量化改進后的焦耳定律實驗平臺簡化了實驗過程.

在物理教學中，通過在定性探究的基礎上適當加入半定量、定量實驗探究可以很好地培養學生科學思維和科學探究能力，促進物理核心素養的形成.