焦耳定律演示裝置改進

劉永樹 徐光喜

焦耳定律是人教版九年級物理教材中的重要內容。現階段學校實驗室中演示焦耳定律的裝置存在漏氣、使用的電源電流較小等問題，故絕大多數學校棄之不用，導致許多教師在教學焦耳定律時面臨無實驗器材可用的情況，將鮮活的探究實驗變成單純地講實驗，課堂教學效果大打折扣。

如何改進已有的焦耳定律演示裝置，使其“起死回生”呢？

教材中的焦耳定律實驗

教材中焦耳定律演示裝置的電阻置于密閉容器內，U形玻璃管連接密閉容器，如圖1所示。空氣吸熱后體積增大、壓強增大，從而推動U形玻璃管中的指示液面上升，液面上升的高度反映電流通過電阻做功產生熱量的多少。

基于教程初次改進裝置

1.加強裝置的氣密性

焦耳定律演示裝置對氣密性要求很高。我們用水檢查裝置的氣密性，對漏氣部位進行密封處理：先卸下塑料盒面板上的螺釘，再卸下塑料盒與接線柱上的螺釘，然后在接線柱與塑料盒內打上熱熔膠，迅速將接線柱和接線柱螺釘接上并旋緊，最后在接線柱與塑料盒相接處外面打上熱熔膠密封。

之后，我們又用水檢查裝置的氣密性，直到裝置不漏氣為止，確保裝置在焦耳定律實驗教學時能正常使用。

2.選用優質發熱電阻

發熱電阻被密封在塑料盒內，如果發熱電阻質量不過關，在實驗過程中很容易被燒毀，導致整個裝置報廢。因此，選用優質電阻是改進裝置的關鍵。

我們購買多個10 W水泥電阻，電阻為：R1＝5Ω，R2＝R3＝R4＝10Ω。將水泥電阻一一接入24 V電源，通電半分鐘后，觀察水泥電阻發熱情況。如果水泥電阻沒有裂開，也沒有任何液體滲出，人手靠近電阻時能感受到溫度，說明這些水泥電阻是符合要求的優質電阻。如果在加熱時，電阻裂開或有油樣液體滲出，應棄用這些水泥電阻，選擇優質水泥電阻。

3.改裝實驗電路

如圖2所示，我們將兩個U形玻璃管、開關S2、電阻R4固定在塑料板上，用導線將各接線柱連接起來。用一個電路代替教材中的兩個電路，如圖3所示，讓實驗操作更簡單。

4.增大電源電壓

教材中焦耳定律演示裝置使用的電源最高電壓僅為12 V。在冬天進行焦耳定律演示實驗時，如果電阻發熱功率太小，熱輻射造成的熱損失很大，U形玻璃管內液面幾乎不上升，實驗就會失敗。

我們將12 V學生電源改為12 V蓄電池或24 V學生電源，完成探究實驗只需1分鐘左右，大大縮短實驗時間，實驗效果非常明顯。

實驗演示：

探究電熱與電阻的關系：

打開橡皮管上的止水夾，用注射器向U形玻璃管緩慢加水，使U形玻璃管兩液面齊平。

用止水夾將橡皮管夾住，閉合開關S1，斷開開關S2。在電流和通電時間一定時，R2所在的U形玻璃管兩液面高度差比R1所在的U形玻璃管兩液面高度差大，可見R2產生的熱量比R1產生的熱量多。這說明在電流和通電時間一定時，電阻越大，電流產生的熱量越多。

探究電熱與電流的關系：

打開橡皮管上的止水夾，斷開開關S1和S2，水位很快恢復至初始狀態。用R3換下R1，閉合開關S1和S2，將R4連入電路。在電阻和通電時間一定時，R3所在的U形玻璃管兩液面高度差比R2所在的U形玻璃管兩液面高度差大，說明R3產生的熱量比R2產生的熱量多。

另辟蹊徑再次改進裝置

Bcw1-678規格的測溫貼片在常溫下顏色均為白色；當溫度達到60 ℃時，左邊測溫貼片的顏色由白色變為黃色；當溫度達到70 ℃時，中間測溫貼片的顏色變為黃色；當溫度達到80 ℃時，右邊測溫貼片的顏色變為紅色。

我們用導線將3個水泥定值電阻（2個10Ω電阻、1個5Ω電阻）、24 V學生電源、秒表、開關等混聯，把3張規格為Bcw1-678的測溫貼片分別貼在3個水泥定值電阻的表面，如圖5所示。

電阻通電后電阻的溫度升高，電阻表面的測溫貼片會隨電阻溫度的變化而變色，從而判斷電阻溫度升高的幅度，推測出電阻通電產生熱量的多少。

實驗演示：

探究電熱與電流的關系：

閉合開關通電，比較水泥電阻R2和R3上的測溫貼片顏色變化程度（R2＝R3＝10 Ω）。我們發現：R3上的測溫貼片顏色依次變為黃、綠、紅；R2上的測溫貼片顏色幾乎沒有變化，仍為白色。

結論：在電阻和通電時間相同時，通過導體的電流越大，產生的熱量越多。

探究電熱與電阻的關系：

閉合開關通電，比較R1和R2上的測溫貼片顏色變化程度（R1＝5 Ω，R2＝10 Ω）。我們發現：R2上的測溫貼片顏色變黃變綠；R1的測溫貼片顏色幾乎沒有變化，仍為白色。

結論：在電流和通電時間相同時，電阻越大，產生的熱量越多。

麥克斯韋曾說：“一項演示實驗使用的材料越簡單，學生就越熟悉，就越想徹底地獲得所驗證的結果，這種實驗的教育價值往往與儀器復雜程度成反比。”改進后的焦耳定律實驗裝置使實驗操作更加簡單，縮短了實驗時間，實驗現象更加明顯，方便得出焦耳定律結論，有利于學生理解定律內容。此外，實驗器材也容易獲取，組裝也很簡單，還可提高學生的實踐能力。