焦耳定律演示器的改进与制作

刘世水

摘  要：针对现有教材在演示焦耳定律时设计方案存在不足，以及实验室配置的焦耳定律演示器存在缺陷，对实验器材进行改进和自制，可大大增强可视性，缩短实验时间，满足定性和定量探究要求，有效提高课堂演示和探究效率。

关键词：焦耳定律演示器;器材改进;仪器制作

“焦耳定律实验”是初中物理验证性演示实验，目前教材设计方案存在不足，实验室配置的演示器也存在着一定缺陷。通过改进和自制演示器，可以有效增强可视性，滿足定性和定量探究要求，有效提高课堂演示和探究效率。

1    早期教材实验方案的不足和现有配置器材的缺陷

1.早期沪科版初中物理教材设计的实验方案存在以下不足：

（1）加热煤油时间长，散热时间更长，教师难以当堂完成教学任务;

（2）水银温度计温度显示可视性差;

（3）煤油不易购买到。

2.实验室现有配置器材的缺陷

图1为现今多数学校配置的焦耳定律演示器。该演示器通过空气的热膨胀推动U型管中的液面上升，根据两个U型管中的液面高度差大小来判断哪个电阻产生的热量多。该演示器虽然在加热时间上有了较好的突破，但仍存在一些突出问题：①气密性要求高，常常因胶管老化、密封性差等原因，导致实验失败;②散热效果差;③可视效果不够好;④只能进行定性探究，无法进行定量探究。

2    器材的改进和自制

针对原实验方案的不足及配置器材存在的缺陷，笔者进行以下几点改进：①采用一体化方式重新设计实验装置;②改加热煤油为加热空气;③储气盒的后盖板采用活动式;④采用大屏幕LED温度计。

改进的实物模型结构如图2所示。整个装置由储气盒（LED温度计探头放入储气盒内）、电热丝、LED温度计、电流表、活动式盖板、隔热棉、接线柱、电源插座和直流电源等组成。

改进教具的底板和储气盒采用5 mm乳白色亚克力板制成，底板宽、高分别为30 cm和40 cm，储气盒长、宽、高分别为9 cm、9 cm、6 cm，内表面贴一层隔热棉。储气盒的后盖做成活动式，盖子通过强磁片吸附在储气盒上，可取下。加热电阻用电炉丝制作， （6 V，2 A）直流电源插头通过电源插座相连为演示器供电，温度计采用带感应探头的大屏幕LED温度计，LED屏幕的尺寸为95 mm×30 mm。感应探头（内含热敏电阻）放入储气盒内，电流表采用量程为1 A的指针式直流电流表。改进后的装置电路原理图如图3所示。

闭合电源开关K1，电子温度计工作，测出储气盒内空气的初始温度。再闭合加热开关K2，电流通过加热电阻产生热量，加热储气盒内的空气，可直观显示储气盒内的空气温度。电阻产生的热量越多，温度计示数升得越高。完成一次实验步骤后，切断电源，打开储气盒后盖板，盒内热空气可以迅速排出，盒内空气急剧降温，方便完成下一实验。

3    改进装置可完成的探究实验

在控制变量的前提下，可将研究电流产生热量大小的问题，转换为研究温度计示数变化大小的问题，增强直观性。

3.1    探究电流产生的热量与电阻的关系

储气盒内电路如图4所示，R1=2R2=10 Ω（R2由R'2、R''2并联而成），将电阻R1、R2串联后放入储气盒内，闭合K1、K2，两电阻分别加热两盒内的空气。

探究发现，加热空气升温很快，加热2分钟，盒1、盒2内的空气温度分别升高了10.0 ℃和19.7 ℃，电阻大的，电流产生的热量多。升高相同温度，加热空气与加热200 g煤油相比，可节省加热时间大约80%以上。

3.2    探究电流产生的热量与电流大小的关系

按图3连接电路，R1=R2=R3=10 Ω，电阻R2与R3并联后与R1串联，将R1、R2分别放入储气盒1、2中（R3放在储气盒外），I1=2I2。

探究发现，实验数据绘成的折线图如图5所示，通电时间和电阻相同时，通过R1的电流大，盒1内空气温度明显比盒2内空气温度升得高，且两盒内空气温度升高比值（△t1/△t2）约为3.7，接近理论值4（I1=2I2），说明隔热效果良好，可满足定量探究的需求。

3.3    探究电流产生的热量与通电时间的关系

通过前面的实验可得出相应结论，在此不赘述。

4    改进装置优点

改进装置采用一体化和储气盒后盖板活动式设计，安装简单，使用方便，空气加热快，散热也快（注：打开后盖板，可让盒内空气温度短时间内降低到室温），可视性好，演示效果好，可附加进行焦耳定律实验的定量探究。

（栏目编辑    王柏庐）