DIS实验在探究电流的热效应实验中的应用

杨桦　王宏

摘 要：DIS数字实验和传统物理实验在实验过程及其效果中各有优缺点，在培养学生能力上各有侧重，因此在物理教学中既要提倡运用DIS，又不能偏废对传统实验原理、实验手段和实验方法的学习。本文研究了DIS实验在探究电流的热效应实验中的应用，使DIS实验和传统实验相结合达到了很好的教学效果，提高了学生的综合素质。

关键词：DIS数字实验；传统实验；电流的热效应

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）7-0034-3

数字化实验系统（Digital Information System）被引入中学物理教学以来，对新课程的教学改革起到了很大的促进作用，但DIS实验的应用一直备受争议。DIS实验数据处理的更快、更准确、更直观，有助于培养学生在观察中思考探究的能力。而对于物理原理的理解、物理思维的培养和动手、作图能力的锻炼，与传统实验相比，DIS实验略显不足。因此，教师应根据教学内容的特点选择实验方式，也可以将二者结合起来。本文以“探究电流的热效应”实验为例，将传统实验和DIS实验结合起来，达到了很好的教学效果。

1 分析传统探究电流的热效应实验的优缺点

常见的探究电流的热效应实验方案有两个：第一个实验装置如图1所示。该实验利用电阻丝加热质量相同的煤油，使煤油的温度升高，煤油升高的温度即反映出电阻丝放出的热量的多少。第二个实验方案是目前很多学校采用的实验教具，如图2所示。实验利用电阻丝加热封闭在相同盒子里的空气，空气受热膨胀推动液柱上升，液柱上升的高度即代表电阻丝放出的热量多少。这两个实验方案各有优缺点，如表1所示。

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图1 加热物质为煤油的电流的热效应实验示意图

图2 加热物质为空气的电流的热效应实验示意图

表1 两个传统实验方案的优缺点

2 运用DIS实验进行探究

2.1 探究电流通过导体产生的热量与通电时间和电阻的关系

2.1.1 实验内容

用阻值分别为R1=2 Ω和R2=4 Ω的电阻丝加热质量相等的煤油，测温装置用温度传感器代替温度计进行数据采集，如图3所示。将两根电阻丝串联在电路中，电源电压为12 V。电流通过电阻丝放出的热量可分为三部分，电阻丝吸收的热量Q1、煤油吸收的热量Q2、散失的热量Q3，散失热量包括瓶子、空气吸收的热量。实验中被加热的煤油的质量为200 g，因此煤油的热容量（c2m2）远大于电阻丝的热容量（c1m1），Q1可被忽略不计，为了减小散失的热量，我们用保温板和脱脂棉制成保温套，将两个煤油瓶置于保温套中加热。若煤油在加热的初始阶段，散失的热量占的比重很小，可以认为煤油吸收的热量近似等于电阻丝放出的热量，Q放≈Q2，即I2Rt≈c2m2ΔT2，ΔT2 ≈■，可见煤油升高的温度与电流的平方、电阻丝的阻值和通电时间成正比。计算机将温度传感器采集的数据绘成温度随时间变化的图像，我们根据图像的特点可以分析得出电热与电流、电阻和通电时间的定量关系。

图3 温度传感器测温示意图

2.1.2 实验数据分析

图4 探究电热与电阻的关系时，煤油温度随时间的变化图像

2.2 探究电流通过导体产生的热量与电流的关系

2.2.1 实验内容

将两个阻值为2 Ω的电阻并联后与另一个阻值为2 Ω的电阻串联，使干路的电流为支路电流的2倍，电源电压为12 V。

2.2.2 实验数据分析

图5 探究电热与电流的关系时，煤油温度随时间的变化图像

2.3 将加热对象由煤油改为空气， 探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系

2.3.1 实验内容

用阻值分别为R1=2 Ω和R2=4 Ω的电阻丝加热相同容器内的空气。R1与R2串联，电源电压为6 V。

2.3.2 实验数据分析

实验3的数据图像如图6所示，温度1和温度2分别代表阻值为2 Ω和4 Ω的电阻丝加热的煤油温度随时间变化的关系。开始阶段，温度近似线性上升。这是因为容器内空气与外界空气的温差较小，散热较少，空气吸收的热量近似等于电阻丝放出的热量。随着温度的升高，散热加快，升温减缓，温度随时间的变化不再是线性关系。由初始阶段的数据拟合发现■=1.2，小于■。这是因为空气的热容量较小，温度的变化过程持续时间不长，当被大电阻加热的空气温度变化减缓时，被小电阻加热的空气还处于快速升温阶段，所以■<■。由此可见，利用加热空气得到电热与电流、电阻和通电时间的定量关系，效果并不理想。

图6探究电热与电阻的关系时，空气温度随时间的变化图像

3 总 结

由数据分析过程可以看出，学生利用计算机可以对图像中的任意一段区间的数据进行拟合分析，寻找规律，这种方式使数据处理更加灵活，既锻炼了学生的数学图形分析能力，又提高了学生对复杂物理问题的分析判断能力。由于计算机处理数据方便快捷，学生可以用节省的时间设计更多的实验进行探索研究，即使一些实验结果用现有的知识无法解释，但这恰恰为学生提供了拓展、联想的空间，培养了学生的自主探究能力和创新能力。综上所述，教师在教学中应该善于发现DIS实验和传统的物理实验的契合点，为学生创造实践机会，使学生从中受益。

参考文献：

[1]夏良英.DIS实验和传统物理实验在教学实践中的对比研究[J].物理教师，2014，（4）：42.

（栏目编辑 李富强）