焦耳定律实验的创新设计与实验探究

丁良峰

（南京师范大学苏州实验学校，江苏 苏州 215021）

1 引言

物理是一门基于实验的学科，实验不仅是手段，更是获得真实体验，掌握、认识学科价值的重要途径.在《义务教育物理课程标准（2022年版）》中指出要“通过实验，了解焦耳定律”.这表明学习焦耳定律内容时需要通过实验探究形成科学认知.人教版物理九年级第18章第4节焦耳定律和苏教版物理九年级第15章第3节电流的热效应中分别采用了不同的设计思路进行探究.

人教版教材通过如图1所示的电路设计实验器材进行探究，电热丝加热空气，利用空气膨胀程度的差异使U型管中液体液面上升产生的高度差来判断哪个电阻产生的热量多.在实验过程中，通过以下两点研究产生的热量差异：①保持电流和通电时间相同，接入电阻R1、R2不同；② 保持电阻R1、R2和通电时间相同，在R2上并联一个相同的电阻使得通过R1、R2电流不同.实验中不直接测电阻产生的热量，而是把电热多少表征为与密闭容器相连接的U型管两边产生的液面髙度差大小，高度差越大，证明电阻产生的热量越大.

图1

苏教版教材中的实验为两个锥形瓶装有相同量的煤油，放置大小不同的电阻丝，通电后电阻丝产生的热量不同，煤油升高的温度不同.通过温度变化量来反映产生热量.让学生在观察现象的基础上探究，形成对焦耳定律的科学认识.新课程标准倡导教学方式多样化，鼓励教师创新教学方式、实验设计，引导学生不断探索，提高分析问题、解决问题的能力和科学思维能力.

2 变通控制变量，培养科学思维能力

科学思维能力是物理教学实践中培养学生核心素养的关键能力，科学方法的应用是科学思维提升的表现.探究焦耳定律实验过程中用转化法体现电能向内能的转化，用控制变量法来探究各个物理量之间关系，厘清内在联系.

焦耳定律实验是探究“通电导体产生的热量Q放与通电导体的电流I、导体的电阻R及通电时间t之间的关系”.从而形成对焦耳定律Q＝I2Rt的理解.通电导体产生的热量是电能转为内能，在实验时Q放无法直接测量，需要转化成其他物理量或者可视化的形式，如被加热物体的状态、体积或颜色变化等.根据能量守恒定律Q放＝Q吸，吸热过程中因此可以通过测量温度变化表征产生热量的多少.采取控制变量的方式探究通电导体产生的热量Q放与通电导体的电流I、导体的电阻R及通电时间t之间的关系：① 控制变量R、t，探究Q放与I的关系；② 控制变量I、t，探究Q放与R的关系；③ 控制变量I、R，探究Q放与t的关系.通过科学的实验探究，学生结合对现象和实验数据的分析，推理论证，厘清各物理量之间的关系，认识焦耳定律的科学本质.

3 定性定量分析，创新实验探究方案

结合现有的实验器材进行了研究和改进，设计制作从定性演示到定量实验的装置，并进行实验探究.

3.1 创新定性研究实验

实验装置设计.为能够直观观察，设计了图2所示的电路，电阻大小为R1＝R3＝20Ω，R2＝10Ω.将电热丝按S形安装在刻好的亚克力板板槽中，涂满传热效果较好的导热硅脂（如图3所示），在上面粘贴3片厚度为1 mm的云母片，并涂上45度感温变色粉.

图2 定性实验电路图

图3 定性实验装置

实验探究.使用外接电流源与接线柱相连，同时闭合开关，电流开始做功转化为内能，随着时间的变化，感温变色粉逐渐开始由褐色变成橙色（如图4所示），最终都变为橙色.

图4 定性实验

实验分析.① 随着时间的增加，颜色逐渐变化；② 对比R1、R2构成的串联电路，电流和时间相同的情况下，R1＞R2，R1所对应的云母片上颜色变化快；③ 对比R1、R3构成的并联电路，电阻和时间相同的情况下，I2＞I1，R3所对应的云母片上颜色变化快.从3个角度可以得出结论：时间越长，产生的热量越多；电流越大，产生的热量越多；电阻越大，产生的热量越多.该装置操作简单，只需要连接电源调节电流即可进行实验；实验器材选用导热效果好的硅脂和云母片，感温变色粉颜色变化非常明显，具有直观可视的效果.

3.2 创新定量研究实验

科学思维能力的培养是运用实证数据分析实物内部结构或者问题的内在联系，领悟实验思想方法，技能与思维协同发展.在定性实验研究的基础上，优化实验设计，对影响电流热效应的因变量热量Q放，自变量电流I、电阻R和时间t进行数据采集，采用控制变量分方式实验、分析因变量和自变量之间的关系，可以对规律形成科学认知.

实验装置设计.电路原理图仍为图2，在器材设计上进行改进，测量电流、温度、时间均使用数码表；加热部分改为可以更换的电热丝（阻值为4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω）；被加热物选择比热小、导热效果好且绝缘的煤油，放置在塑料瓶中，中间插入的热敏电阻与数码温度计相连；所有器件安装在一块白色的亚克力板上，使用铜箔胶带连接电路（如图5所示）.

图5 定量实验装置

实验探究.定量实验装置将实验过程中的物理量以数据的形式来呈现，既可以让学生通过观察3个塑料瓶中煤油被加热时对应的温度变化，形成初步认识，也可以使用1个或2个串联的形式进行控制变量实验.下面以2个串联的方式进行实验.

（1）安装电热丝电阻为4Ω和10Ω的2个加热瓶，加热时间为50 s时，探究温度变化ΔT与电流（I2）的关系.实验研究的数据如表1，其关系图如图6.

表1 R＝4Ω和10Ω，t＝50 s ΔT与I 2的关系

图6 ΔT与电流（I 2）的关系

（2）分别安装电热丝电阻为4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω的加热瓶，通电电流1.0 A，加热时间为50 s时，温度变化ΔT与电热丝电阻R的关系。实验研究的数据如表2，其关系图如图7.

表2 I＝1.0 A，t＝50 s，ΔT与R的关系

图7 温度变化ΔT与电热丝电阻R的关系

（3）安装电热丝电阻为6Ω、8Ω的加热瓶，通电电流为1.0 A，探究温度T与加热时间t的关系.实验研究的数据如表3，其关系图如图8.

表3 I＝1.0 A，R＝6Ω和8Ω t与T的关系

图8 温度T与加热时间t的关系

实验分析.通过上述3组实验进行分析：① 电阻和加热时间不变时，温度变化量ΔT与电流I2成正比；② 电流I和时间t不变时，温度变化ΔT与电阻R成正比；③ 电阻和电流不变时，温度T与时间t成正比.根据Q放∝ΔT，可得出，Q放∝I2、Q放∝R、Q放∝t，从而验证Q＝I2Rt.该实验装置在忽略加热瓶对温度变化影响的情况下进行实验探究，使用温度传感器和数字电流表精度高、误差小，使实验更加严谨.从实验结果来看，所测得的数据符合线性关系.通过探究实践、数据分析可以让学生形成科学认识，充分理解焦耳定律.

物理的学习要注重科学探究，提高分析问题、解决问题的实践本领和科学思维能力.在教学实践过程中，教师以教材中的演示实验为基础进行创新设计，在潜意识中启发学生进行创新.定性分析是科学探究的前提和方向，定量研究可以验证物理规律归属，从定性研究到定量分析的过程是科学探究的过程.通过实验探究、分析论证、批判质疑、科学推理等过程.从实验现象到物理本质，从定性观察分析到定量研究分析，科学认识物理原理，理解科学本质.在实验探究过程中，培养学生的科学思维，切实提高学生物理学科的关键能力和核心素养.