运用自制教具定量探究焦耳定律

(江苏省南京市第一中学马群分校，江苏 南京 210049)

物理课程是一门注重实验的科学课程，义务教育物理课程应注意让学生经历实验探究的过程,提高分析问题和解决问题的能力。“焦耳定律”的教学是初中物理典型的规律探究教学，为体现实验的严谨性,促进初高中物理课程的衔接,笔者自制教具,设计了定量实验方案,借助DIS实验系统进行数据处理,有效培养了学生的核心素养。

1 实验设计

苏科版初中物理教材的探究实验活动仅从定性的角度进行，在探究影响电流热效应因素的基础上归纳出结论：导体的电阻越大，通过的电流越大，通电时间越长,它产生的热量就越多。学生在学习过程中，并不能获得通过导体的电阻、电流、通电时间与发热量的定量关系，无法对焦耳定律有深刻的理解。为此，在上述探究活动的基础上,本实验设计借助DIS中的温度传感器,得到电流不同或电阻不同时煤油温度与时间的关系图像。

根据Q=cmΔt，在忽略热量损失的情况下,煤油吸收的热量等于电热丝放出的热量,煤油的温度变化量Δt即可间接表示电热丝产生的热量Q,从而得出不同电流情况下电热丝产生的热量与电流的定量关系。同理,也可以得出热量与电阻的定量关系。运用DIS实验系统，实验数据处理更快、更准确、更直观,有助于培养学生的实验能力。

2 实验方法

《义务教育物理课程标准(2011年版)》提出：要让学生经历设计实验与制定计划的过程,并尝试选择科学探究方法。笔者自制的实验教具主要是为了解决以下两个问题。

(1)用转换法解决电热丝产生热量的显示

以教材中的实验装置图为模板,将其进行改进,用有盖的透明塑料瓶代替玻璃锥形瓶,既简化了装置又节约了实验成本。选择电炉中使用的电热丝,其规格为“220V 300W”,将其浸泡在40mL的煤油中,用温度传感器代替温度计(图1)，将不易测量的电热丝所产生的热量转化为煤油吸热升温后温度的变化量。

图1

(2)用控制变量法解决混联电路问题

在实验前学生设计了图2和图3所示的电路图,分别控制电阻和电流相同，得出定性结论:导体中流过的电流越大，电阻越大，通电时间越长,所产生的热量越多。

图2

图3

为了更加科学地得出焦耳定律的内容表述,让学生知道电热与电流的定量关系,采用图2所示电路,保持电阻不变,通过改变滑动变阻器电阻来改变电流,多次尝试发现：由于前后两次实验中电阻变化较大,且煤油中途需降温,耗时较长,很难达到预期的效果。借助混联电路,可实现另一种形式的变量控制。

将三个阻值相等的电热丝连接成图4所示的电路,控制电阻相同,研究电流为原来的两倍时电热丝产生热量的倍数关系。利用图5探究电流为原来的三倍时电热丝产生热量的倍数关系。

图4

图5

为控制电流相同，依然采取两电热丝串联的方式,选择电阻值不同且大小关系分别为两倍、三倍的电热丝,如图6和图7连接电路,研究电流一定时,电阻为原来的两倍或三倍时电热丝产生的热量的倍数关系。

图6

图7

3 教学过程

图8

实验操作前,通过师生互动,将设计的实验电路图显示在屏幕上,让学生理解实验的原理和目的。先研究电流之比为2∶1的情况，图8为实物图，通过数据采集器将温度值导出并进行处理,绘制成图9所示的图像，实验表明:电阻和通电时间相同,当流过电阻的电流之比为2∶1时,产生的热量之比约为4∶1。

图9

再研究电流之比为3∶1的情况，重复以上操作,得到图10所示的温度变化图像，分析数据得出:电阻和通电时间相同,当流过电阻的电流之比为3∶1时,产生的热量之比约为9∶1。

图10

综合以上两个实验结果，总结出:当电阻和通电时间相同时,导体产生的热量与电流的二次方成正比。

将两个电阻值之比为2∶1的电热丝串联在电路中,保证电流相同,探究热量与电阻之间的定量关系，结果显示：当电阻为两倍关系时,导体产生的热量也为两倍关系(图11)。

图11

再将两个电阻值之比为3∶1的电热丝串联在电路中,重复以上操作,得到温度变化情况如图12所示，结果显示：当电阻为3倍关系时,产生的热量也为3倍关系。

请学生总结并完整表述焦耳定律的内容:电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比,与导体的电阻成正比,与通电时间成正比,用公式表示为：Q=I2Rt。

在纯电阻电路中,电热器产生的热量等于电流所做的功,Q=W=UIt，再根据欧姆定律U=IR,可以得到Q=I2Rt,与实验结论相符。

4 结语

实验中选用了透明塑料瓶、电热丝和煤油,成本低廉,达到了预期的教学效果。在控制电阻相同时,采用的混联电路对学生的理解提出了较高的要求。当然,由于器材的限制,选取的两个阻值相同的电阻在实验的过程中由于温度变化不同,导致电阻变化也不同,在控制电阻一定时存在系统误差。为进一步提高实验的精确度,应寻找阻值随温度变化更小的电阻来进行实验。