对焦耳定律演示实验的再改进

2020-01-09湖北省十堰市竹溪县城关初级中学442300刘永树

中小学实验与装备 2019年6期

湖北省十堰市竹溪县城关初级中学(442300) 刘永树

焦耳定律是人民教育出版社9年级物理教材中的内容,研究了电热与电阻、电流、通电时间的定性关系。教材的实验设计思想是：将电阻放在密闭容器内,空气吸热后体积增加、压强增大,从而推动U 型管中的指示液面上升,液面上升高度的大小反映了电流通过电阻做功产生热量的多少。采用教材中实验的优点是加热空气的做法使实验效果更加明显,缺点是不能定量探究电热与电阻、通电时间和电流的关系,不能帮助学生更好的理解焦耳定律。为了帮助学生正确理解焦耳定律,笔者对实验装置进行一些改进,并借助电子表格和几何画板对实验数据进行处理,变定性探究为定量探究实验,学生顺利得出焦耳定律实验内容。

1 问题的提出

图1和图2是教材设计的“焦耳定律”实验装置图,3 个电阻额定功率均为5 W,电阻分别为R1＝5Ω,R2＝R3＝R4＝10Ω,分别将电阻丝R1、R2、R3密封在塑料盒内,外留2 个接线柱,使用6V直流(或交流)电作电源(可用J1202－1型学生电源)；在塑料盒的两端插入玻璃管,用橡皮管将玻璃管和U 型玻璃管连接起来。

图1 教材中的实验装置1

图2 教材中的实验装置2

以上实验装置存在主要的问题如下：①只能探究电热与电阻、电流和通电时间的定性关系,不能探究定量关系；②对实验装置的气密性要求高,稍有漏气就会造成实验失败,只有当电阻R2冷却后才能进行第二次实验；③U 型管内的液体,一不小心就会溢出或回流到容器内,导致实验不能再次进行；④作为演示实验,学生看不到温度的实时变化,演示效果不理想。

2 解决方案

把插在密闭容器中的U 型细玻璃管去掉,使用温度传感器直接测量密闭容器中的空气温度。这种实验设计体现如下功能。

(1)演示的可见度大大提高。通过大屏幕把电阻丝产生电热使空气的温度变化这一过程直观、动态、及时连续、准确地表现出来,给学生以深刻的印象。

(2)变间接测量为直接测量。用温度的变化比用液柱的高度差反映电热更直观,温度的变化与热量之间的定量关系比起液面差的变化与热量的关系在理论上更好解释。而且温度计传感器和数显电流表精度高、误差小,使实验结论更具严谨和可信度。

(3)将定性探究实验变为定量探究实验。通过对数据分析,得出把电热跟电阻成正比,跟电流的平方成正比的定量关系精确地展示出来,形成定量结论,增强学生对焦耳定律的理解。

(4)实验操作更简单。将教材中的2个电路整合为一个电路,通过操作开关完成2次实验,节约了连接电路的时间。

(5)将信息技术与物理学科进行融合,减轻学生的计算负担,节省课堂时间。

3 自制实验装置

3.1 实验器材

数显温度计、定值电阻(10 Ω、5 Ω 若干)、电源、数显电流表、滑动变阻器、秒表、开关、磁接头及导线若干。

3.2 实验装置的制作

(1)用螺丝钉将磁接头固定在木板上。

(2)选取用完的0.7 mm 中性笔笔芯,截取一半,然后穿过磁接头中间孔,再将数显温度计的探头穿过中性笔笔芯空管,用耐高温胶布将探头牢牢捆绑在发热电阻上,在胶布外面用细铜丝捆扎几圈,这样数显温度计可直接测量电阻的温度。

(3)将电阻的两端穿过磁接头另2个孔,调整好位置后,用螺丝钉将笔管固定在磁接头上。

(4)将电阻与滑动变阻器、数显电流表、开关连接起来,如图3所示。当开关S与触点1闭合时,探究电热与电阻和通电时间的关系；当开关S与触点2闭合时,探究电热与电流的关系。

图3 自制实验装置

4 设计实验

4.1 进行实验，收集证据

(1)学生将滑动变阻器滑片移到最左端,使开关与触点1闭合,探究电热与电阻和通电时间的关系。小组分工合作,调节滑动变阻器,使电流表的示数为0.5A 时,按下秒表开始计时。每隔30s记下数显温度计和秒表的示数,填入表1中。

表1 探究电热与电阻、通电时间的关系

(2)断开开关,秒表归零。将滑动变阻器滑片移到最左端,使开关与触点2闭合,可探究电热与电流的关系。调节滑动变阻器,使电流表的示数为0.4A 时,按下秒表开始计时,通电1 min,记下温度传感器、电流表和秒表的示数；再次调节滑动变阻器,使电流表的示数分别0.6 A、1.0 A,每隔1min,记录实验数据,填入表2中。

表2 探究电热与电流的关系

表3 探究电热与电流的平方关系

4.2 分析论证，得出结论

学生将表1至表3中的数据输入电子表格,利用电子表格的数据自动处理功能,生成图4至图7所示函数图像。为了更清楚观察电热与电流的关系,还可将表3中数据输入几何画板,利用几何画板绘图功能,可以看出电热与电流的关系类似于二次函数抛物线。学生以小组为单位,讨论交流,分析图像,归纳得出实验结论：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比,这个规律叫焦耳定律。