定性定量验证焦耳定律的实验装置

侯耀东

(胜利第三十四中学，山东 东营 257064)

初中物理电学中的重要规律都设置了定量实验，如：欧姆定律，教材中不但设置了定量探究实验，还利用了图像定量分析了电流与电压的关系，为推导I=U/R提供了充分的数据支持，堪称初中物理探究性实验的完美案例. 但同为重要规律[1]的焦耳定律却没有同样待遇，焦耳定律实验只安排了定性实验，虽能说明问题，但对于逻辑严密的物理学还是显得有些苍白. 没有在焦耳定律中安排定量实验的主要原因是Q=I2Rt中存在平方正比关系，而该关系很难用实验表达，即使可以找到实验模型，较大的计算量也不适于初中物理课堂. 为把焦耳定律定性实验拓展为既可定性也可以定量的实验，进行了相应设计.

1 建立实验模型

1.1 确定实验介质

焦耳定律Q=I2Rt，表达了电流产生的热量Q与电流I、电阻R和通电时间t的关系[2]. 要确立这个关系就必须找被电流加热的介质，通过Q=cmΔt计算出导体放出的热量.

首先选择实验所用的介质. 理论上部分固体材料因其在加热过程中体积基本不变(温度变化不大时可忽略)，由热力学定律可知，其吸收热量后体积不变，只有分子平均动能的增加，表现为温度的升高，因此只要在质量和加热时间一定时测出温度的变化，就能确定其内能改变的数量. 但要适用于课堂教学需保证实验时间短，故只能采用导热性能好的金属，而由于金属本身导电，所以不适合做焦耳定律验证实验的介质. 液体容易克服固体的缺点，但液体的比热容较大，加热后温度变化慢，不适合课堂教学. 气体中的空气是最容易获得的介质，空气的热传导能力不强，但它有极强的对流作用，又不导电，是理想的介质，但气体升温后体积膨胀会对外做功，这样就无法保证实验的科学性；如果将其封闭在容器内，受热时间较短，其体积膨胀不明显可忽略，则可以很好地满足实验的要求.

1.2 辨析实验原理

将通电电阻放在密闭且绝热的容器内，加热密闭容器内的空气，其吸收的热量与升高的温度的关系可由Q=cmΔt确定，由于气体密闭质量一定，在一定时间内吸收的热量只与升高的温度有关，只要测出气体升高的温度就能确定其吸收热量的变化，从而确定电阻产生热量的变化.

理想情况下，在通电时间、电流一定时，只要电阻R成倍变化，测出的热量Q也成倍变化，则可说明电阻产生的热量Q与电阻R成正比；同理在电阻R与电流I一定时，成倍增加时间t如果测出的热量Q成倍增加，则说明Q与t成正比；在通电时间与电阻一定时，使通过相等电阻的电流I1=2I2，如果测出产生的热量Q成4倍变化，则可说明Q与I的平方成正比.

2 实验装置的制作

2.1 实验材料

较大的透明饮料瓶3个，10 Ω的线绕电阻3个，5 Ω的线绕电阻3个，带探头的数字温度计3只，“哥俩好”胶和双面胶各1组.

2.2 装置的制作

1)用酒精灯将镊子烧热，在饮料瓶的两侧各熔开1个小孔.

2)将螺丝穿过电阻两端的接线孔，用镊子夹着螺丝从瓶内穿过小孔，在小孔的周围涂胶(防止漏气)，拧上螺丝.

3)检查气密性，盖好瓶盖，置于水中，观察是否有气泡.

4)在瓶盖上穿一小孔，穿过温度计的探头，调整好导线长度，使探头不接触电阻线圈，之后用胶粘好小孔，最后用双面胶粘在饮料瓶上. 制作好的装置如图1所示.

5)用镊子去掉“尖叫”饮料瓶瓶嘴内的结构，在瓶嘴上套小气球. 制作好的装置如图2所示.

图1 定量验证焦耳定律的实验装置 图2 定性验证焦耳定律的实验装置

3 定量实验

3.1 电路设计

图3 定量验证焦耳定律的电路图

探究Q与R的关系，要保证电流I一定，所以用串联连接；探究Q与I的关系，要保证电阻R一定而电流I成倍变化，所以电路设计如图3所示. 其中R1=R3=5 Ω,R2=10 Ω,即R2=2R1，I2=2I1，R4=R5电阻为0～20 Ω，电源电压可以根据实验时的电流取值确定.

3.2 实验步骤

a.按图3连接电路.

b.闭合开关S，调节滑动变阻器R4使I1=0.2 A，调节滑动变阻器R5,使I2=0.4 A，然后断开开关.

c.将穿有温度计探头的瓶盖盖好并旋紧.

d.闭合开关S,开启停表，每隔30 s用手机拍照功能记录3个数字温度计示数.

e.分析数据，得出结论.

3.3 实验数据处理

a.由于实验要处理的数据量比较大，如果用手工计算，耗时长且容易出错，因此采用了Excel协助分析.

b.选中Δt数据，选择插入图表中的柱状图和折线图，形成图像，如图4所示.

图4 用Excel计算的实验结果

c.让学生观察图像总结出Δt2=2Δt1和Δt3=4Δt2,而后引导学生思考并得出电流产生的热量Q与I2,R,t成正比,即Q=I2Rt.

4 定性实验

该装置稍加改动也可以用于定性实验，如图2所示，将实验装置中穿有温度探头的瓶盖拧下，换上带有气球的瓶盖.

4.1 定性演示电流的热效应与电阻的关系

由于电流产生的热量可能与电阻R、电流I和通电时间t有关，按控制变量法的思路研究Q与R的关系，要保证电流I与通电时间t一定. 按原理设计实验电路如图5所示，通过观察发现R2电阻瓶盖上的气球先充满气鼓起来，由此可得出：在电流和通电时间一定时，导体的电阻越大产生的热量越多.

图5 定性探究电流热效应与电阻关系的电路图

4.2 定性演示电流的热效应与电流大小的关系

由于电流产生的热量可能与电阻R、电流I以及通电时间t有关，按控制变量法的思路研究Q与I的关系，要保证电流R与通电时间t一定. 设计实验电路如图6所示. 使R1=R2=R3=5 Ω，将R1和R2封装在饮料瓶内，R3放在瓶外，则R1=R2， 而I>I1满足实验原理. 通过观察发现，R1电阻瓶盖上的气球先充满气鼓起来，由此可知：在电阻通电时间一定时，导体中的电流越大产生的热量越多.

图6 定性探究电流热效应与电流关系的电路图

5 结束语

经反复实验证实，实验装置可靠有效，适合课堂演示与分组实验教学，作为定性教学时，由于气球充气的动态效果优于U形管的液面变化，现象更有趣，更符合初中学生的审美，更容易被学生接受，教学效果也更好. 定量实验时引入Excel处理实验数据，用图形表达数量关系更加直观易懂，激发了学生做实验的热情，同时也促进了计算机教学. 由于实验装置的制作材料多数是生活中的废弃物，或廉价易购物品，容易获得且成本低廉易于实现.