焦耳定律實驗的創新設計與實驗探究

丁良峰

（南京師范大學蘇州實驗學校，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

物理是一門基于實驗的學科，實驗不僅是手段，更是獲得真實體驗，掌握、認識學科價值的重要途徑.在《義務教育物理課程標準（2022年版）》中指出要“通過實驗，了解焦耳定律”.這表明學習焦耳定律內容時需要通過實驗探究形成科學認知.人教版物理九年級第18章第4節焦耳定律和蘇教版物理九年級第15章第3節電流的熱效應中分別采用了不同的設計思路進行探究.

人教版教材通過如圖1所示的電路設計實驗器材進行探究，電熱絲加熱空氣，利用空氣膨脹程度的差異使U型管中液體液面上升產生的高度差來判斷哪個電阻產生的熱量多.在實驗過程中，通過以下兩點研究產生的熱量差異：①保持電流和通電時間相同，接入電阻R1、R2不同；② 保持電阻R1、R2和通電時間相同，在R2上并聯一個相同的電阻使得通過R1、R2電流不同.實驗中不直接測電阻產生的熱量，而是把電熱多少表征為與密閉容器相連接的U型管兩邊產生的液面髙度差大小，高度差越大，證明電阻產生的熱量越大.

圖1

蘇教版教材中的實驗為兩個錐形瓶裝有相同量的煤油，放置大小不同的電阻絲，通電后電阻絲產生的熱量不同，煤油升高的溫度不同.通過溫度變化量來反映產生熱量.讓學生在觀察現象的基礎上探究，形成對焦耳定律的科學認識.新課程標準倡導教學方式多樣化，鼓勵教師創新教學方式、實驗設計，引導學生不斷探索，提高分析問題、解決問題的能力和科學思維能力.

2 變通控制變量，培養科學思維能力

科學思維能力是物理教學實踐中培養學生核心素養的關鍵能力，科學方法的應用是科學思維提升的表現.探究焦耳定律實驗過程中用轉化法體現電能向內能的轉化，用控制變量法來探究各個物理量之間關系，厘清內在聯系.

焦耳定律實驗是探究“通電導體產生的熱量Q放與通電導體的電流I、導體的電阻R及通電時間t之間的關系”.從而形成對焦耳定律Q＝I2Rt的理解.通電導體產生的熱量是電能轉為內能，在實驗時Q放無法直接測量，需要轉化成其他物理量或者可視化的形式，如被加熱物體的狀態、體積或顏色變化等.根據能量守恒定律Q放＝Q吸，吸熱過程中因此可以通過測量溫度變化表征產生熱量的多少.采取控制變量的方式探究通電導體產生的熱量Q放與通電導體的電流I、導體的電阻R及通電時間t之間的關系：① 控制變量R、t，探究Q放與I的關系；② 控制變量I、t，探究Q放與R的關系；③ 控制變量I、R，探究Q放與t的關系.通過科學的實驗探究，學生結合對現象和實驗數據的分析，推理論證，厘清各物理量之間的關系，認識焦耳定律的科學本質.

3 定性定量分析，創新實驗探究方案

結合現有的實驗器材進行了研究和改進，設計制作從定性演示到定量實驗的裝置，并進行實驗探究.

3.1 創新定性研究實驗

實驗裝置設計.為能夠直觀觀察，設計了圖2所示的電路，電阻大小為R1＝R3＝20Ω，R2＝10Ω.將電熱絲按S形安裝在刻好的亞克力板板槽中，涂滿傳熱效果較好的導熱硅脂（如圖3所示），在上面粘貼3片厚度為1 mm的云母片，并涂上45度感溫變色粉.

圖2 定性實驗電路圖

圖3 定性實驗裝置

實驗探究.使用外接電流源與接線柱相連，同時閉合開關，電流開始做功轉化為內能，隨著時間的變化，感溫變色粉逐漸開始由褐色變成橙色（如圖4所示），最終都變為橙色.

圖4 定性實驗

實驗分析.① 隨著時間的增加，顏色逐漸變化；② 對比R1、R2構成的串聯電路，電流和時間相同的情況下，R1＞R2，R1所對應的云母片上顏色變化快；③ 對比R1、R3構成的并聯電路，電阻和時間相同的情況下，I2＞I1，R3所對應的云母片上顏色變化快.從3個角度可以得出結論：時間越長，產生的熱量越多；電流越大，產生的熱量越多；電阻越大，產生的熱量越多.該裝置操作簡單，只需要連接電源調節電流即可進行實驗；實驗器材選用導熱效果好的硅脂和云母片，感溫變色粉顏色變化非常明顯，具有直觀可視的效果.

3.2 創新定量研究實驗

科學思維能力的培養是運用實證數據分析實物內部結構或者問題的內在聯系，領悟實驗思想方法，技能與思維協同發展.在定性實驗研究的基礎上，優化實驗設計，對影響電流熱效應的因變量熱量Q放，自變量電流I、電阻R和時間t進行數據采集，采用控制變量分方式實驗、分析因變量和自變量之間的關系，可以對規律形成科學認知.

實驗裝置設計.電路原理圖仍為圖2，在器材設計上進行改進，測量電流、溫度、時間均使用數碼表；加熱部分改為可以更換的電熱絲（阻值為4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω）；被加熱物選擇比熱小、導熱效果好且絕緣的煤油，放置在塑料瓶中，中間插入的熱敏電阻與數碼溫度計相連；所有器件安裝在一塊白色的亞克力板上，使用銅箔膠帶連接電路（如圖5所示）.

圖5 定量實驗裝置

實驗探究.定量實驗裝置將實驗過程中的物理量以數據的形式來呈現，既可以讓學生通過觀察3個塑料瓶中煤油被加熱時對應的溫度變化，形成初步認識，也可以使用1個或2個串聯的形式進行控制變量實驗.下面以2個串聯的方式進行實驗.

（1）安裝電熱絲電阻為4Ω和10Ω的2個加熱瓶，加熱時間為50 s時，探究溫度變化ΔT與電流（I2）的關系.實驗研究的數據如表1，其關系圖如圖6.

表1 R＝4Ω和10Ω，t＝50 s ΔT與I 2的關系

圖6 ΔT與電流（I 2）的關系

（2）分別安裝電熱絲電阻為4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω的加熱瓶，通電電流1.0 A，加熱時間為50 s時，溫度變化ΔT與電熱絲電阻R的關系。實驗研究的數據如表2，其關系圖如圖7.

表2 I＝1.0 A，t＝50 s，ΔT與R的關系

圖7 溫度變化ΔT與電熱絲電阻R的關系

（3）安裝電熱絲電阻為6Ω、8Ω的加熱瓶，通電電流為1.0 A，探究溫度T與加熱時間t的關系.實驗研究的數據如表3，其關系圖如圖8.

表3 I＝1.0 A，R＝6Ω和8Ω t與T的關系

圖8 溫度T與加熱時間t的關系

實驗分析.通過上述3組實驗進行分析：① 電阻和加熱時間不變時，溫度變化量ΔT與電流I2成正比；② 電流I和時間t不變時，溫度變化ΔT與電阻R成正比；③ 電阻和電流不變時，溫度T與時間t成正比.根據Q放∝ΔT，可得出，Q放∝I2、Q放∝R、Q放∝t，從而驗證Q＝I2Rt.該實驗裝置在忽略加熱瓶對溫度變化影響的情況下進行實驗探究，使用溫度傳感器和數字電流表精度高、誤差小，使實驗更加嚴謹.從實驗結果來看，所測得的數據符合線性關系.通過探究實踐、數據分析可以讓學生形成科學認識，充分理解焦耳定律.

物理的學習要注重科學探究，提高分析問題、解決問題的實踐本領和科學思維能力.在教學實踐過程中，教師以教材中的演示實驗為基礎進行創新設計，在潛意識中啟發學生進行創新.定性分析是科學探究的前提和方向，定量研究可以驗證物理規律歸屬，從定性研究到定量分析的過程是科學探究的過程.通過實驗探究、分析論證、批判質疑、科學推理等過程.從實驗現象到物理本質，從定性觀察分析到定量研究分析，科學認識物理原理，理解科學本質.在實驗探究過程中，培養學生的科學思維，切實提高學生物理學科的關鍵能力和核心素養.