数字实验平台在物理探究课中的应用＊——焦耳定律探究实例

张秋红

（保定市第十七中学 河北 保定 071000）

教科版义务教育课程标准实验教科书《物理》（九年级上）是通过一个实验设计，引出焦耳定律.教材提出将两条粗细一样，长度不同的镍镉合金电阻丝R1，R2串联在电路中，经过相同的时间，比较两条电阻丝产生热量的多少.设计方案如图1.

图1 原焦耳实验设计方案

方案（a）中，通过观察火柴被点燃的先后判断两电阻丝产生热量的多少.如果两个材料、粗细相同的电阻丝串联在电路中，其温度理应相同，不可能满足探究要求.

方案（b）中，通过观察气球膨胀的先后比较两电阻丝产生热量的多少.该实验通过研究空气介质的温度升高，比较烧瓶内部电阻丝产生热量的多少.由于温度变化不可能很大，也难于做出判断.

此外，焦耳定律既包含了产生的热量与电阻的关系，又包含了与电流和通电时间的关系.然而教材在这里的探究只涉及了与电阻的关系.针对以上问题，笔者经过多次实验，最终采用自制加热装置，并结合数字实验平台，取得了较好的效果.

1 主要器材

1.1 自制加热装置

如图2，取规格相同的试管（直径3cm，高10cm）若干支，并在各试管中用橡胶塞封住等量的空气.将电阻丝穿过橡胶塞置于试管中.

图2 自制加热装置

1.2 数字实验平台采集数据

将温度传感器的“温度探头”穿过橡胶塞插入试管内，把传感器另一端的接口和数字实验平台电脑相连接，通过温度传感器，实验数据会直接传入电脑并自动生成图像.

2 实验过程及结果分析

2.1 电热和电阻的关系

（1）取两个加热装置Ⅰ，Ⅱ，将R1＝5Ω和R2＝10Ω的电阻串联在电路中（图3）.如此通过R1，R2的电流相等，且能有效控制对两个电阻加热相等的时间.

图3 数字化焦耳实验设计方案

（2）将传感器一端的两个温度探头分别接入加热装置，另一端的接口与电脑相连接.

（3）闭合开关，电阻丝对空气加热，点击电脑屏幕上的数据“采集”，即可在电脑屏幕上观察到两个探头所探测到的温度升高.经过80s后，停止数据采集，断开开关.得到的两加热装置中空气的温度T随时间t的图线，如图4.

图4 电流相等时，装置T-t曲线

为了使比较更加明朗，笔者采集了图中足够的数据，计算出经过相等时间，两加热装置中空气的温度变化量，如表1.

表1 加热装置Ⅰ和Ⅱ内的温度及温升

（4）结论：从图像及采集的数据很容易看出，当通过电阻丝的电流相同时，经过相同的时间，电阻丝的阻值越大，气体温度升高越快，说明产生的热量越多.同时，从表1还可以很直观地看出，装置Ⅱ温度的变化量近似为装置Ⅰ的2倍.因此，可以推出电阻丝产生的热量与阻值的关系成正比.

2.2 电热和电流的关系

（1）取两个加热装置 Ⅰ′，Ⅱ′，R1＝5Ω，R2＝5 Ω，使R1与作为辅助的等阻值电阻R3（R3＝5Ω）串联组成的支路，与R2并联，如图5.由串、并联电路电流特点可知，通过R2的电流是R1的2倍.

实验步骤同上，得到如图6所示的图像及表2.

图5

图6 电阻相等时装置T-t曲线

表2 加热装置Ⅰ′和Ⅱ′内的温度及温升

（2）结论：从图6及表2可知，当电阻丝的电阻相等时，经过相等的时间，电流越大，气体温度升得越高，说明电阻丝产生的热量越多，且大于电流增大的倍数.产生的热量与电流之间已不再近似为正比关系.

2.3 电热和时间的关系

由以上任意T-t图像均可看出，空气的温度都是单调增加的，说明电阻丝产生的热量随着时间的增加而逐渐增加.从表1及表2的数据可以得到，产生的热量与经过的时间基本上是正比关系.

3 结束语

自制加热实验装置定性地研究了电热与电阻、电流以及时间的关系，实验原理科学，效果明显，所用时间短，操作方便、安全.

实验使用数字实验平台中的温度传感器可以在电脑屏幕上直接观察到温度的变化，突破教学重、难点，使实验结果更加直观形象；改变了以往纸上记录数据和手工绘图的方法.在实验探究过程中学生能把更多的注意力集中在采集、处理实验数据上，实验的目的性更加明确.