對“電流的熱效應(yīng)和哪些因素有關(guān)”的探究

?訥河市同心中學(xué) 崔勝春

提出問題：

1.燈泡接入電路時(shí)，燈泡和連接燈泡的導(dǎo)線中電流是相同的，燈泡和導(dǎo)線都要發(fā)熱，可是實(shí)際上燈泡熱得發(fā)光，而導(dǎo)線上的熱卻覺察不出來，這是為什么？

2.近年來經(jīng)常發(fā)生重大的火災(zāi)，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，其中有許多重大火災(zāi)是因線路故障，主要是線路連接不良或線路嚴(yán)重老化兩種情況引起的，為什么這些問題能引起火災(zāi)呢？

設(shè)計(jì)并進(jìn)行探究：

根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)猜想電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量多少可能與導(dǎo)體的電阻、通過導(dǎo)體的電流大小以及通電時(shí)間有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法與轉(zhuǎn)換法、對比法。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟：

（方案一）：1.在兩個(gè)相同的燒瓶中裝滿煤油，瓶中接入兩根電阻絲，且讓其電阻R甲＞R乙，然后在瓶中分別插入兩支溫度計(jì)，如圖1所示。

圖1

（實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用的燒瓶要完全相同，煤油的質(zhì)量相同，這樣能保證兩瓶煤油吸收相同熱量時(shí)，升高的溫度不同；兩根電阻絲可以選用鎳鉻合金絲和銅絲，這樣在長度、橫截面積相同時(shí)，保證電阻不同）。

（選擇煤油而不選擇水，是因?yàn)槊河偷谋葻崛菪?，在吸收相同的熱量，溫度變化明顯，從而使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，另外，煤油不導(dǎo)電，可防止漏電）。

注意：（1）煤油不要裝得太滿，防止受熱膨脹溢出；（2）溫度計(jì)的玻璃泡不能與電阻絲接觸或離得太近，否則研究對象不同；（3）兩個(gè)電阻絲電阻相差大一些，這樣對比性更好。

2.按照圖1所示的實(shí)物圖連接好電路，讓兩個(gè)電阻絲串聯(lián)。（串聯(lián)的目的是保證通電時(shí)間和電流相同，這也體現(xiàn)了控制變量法的思想）。

3.檢查電路連接無誤后，接通電路一段時(shí)間，記錄兩瓶中煤油的溫度變化。（由于實(shí)驗(yàn)中電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量無法直接觀察，因此要把放出熱量的多少轉(zhuǎn)化為能直接觀察的溫度變化的多少，通電后電流在電阻絲產(chǎn)生的熱量越多，煤油上升的溫度越高，觀測溫度的變化情況，就可以定性地比較電流產(chǎn)生的熱量多少，這也體現(xiàn)了轉(zhuǎn)化法的思想）。

4.在兩瓶中的煤油溫度降低一些后，只把甲瓶接入電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變電路中電流，重做上述實(shí)驗(yàn)，通電時(shí)間保持相同。

保持電路中電流大小不變，再延長甲瓶電阻絲的通電時(shí)間，記錄溫度變化情況。整理好實(shí)驗(yàn)器材。

5.對數(shù)據(jù)分析、歸納得出結(jié)論。

電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻、通過導(dǎo)體的電流和通電時(shí)間都有關(guān)系，導(dǎo)體的電阻越大，通過導(dǎo)體的電流越大，通電時(shí)間越長時(shí)，產(chǎn)生的熱量越多。

交流與合作：

此實(shí)驗(yàn)可以設(shè)計(jì)成很多方案，可以把溫度計(jì)用氣球來代替，因?yàn)闅怏w熱脹冷縮效果比固液態(tài)更明顯，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，時(shí)間更短。

拓展問題：電流產(chǎn)生的熱量和電阻成正比還是成反比，條件是什么？你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證嗎？（通過新問題的產(chǎn)生，來驗(yàn)證電熱與電阻的關(guān)系，來解決學(xué)生平時(shí)出現(xiàn)的疑點(diǎn)和錯(cuò)點(diǎn)，這樣效果比直接給出答案更好）。

（方案二）：設(shè)計(jì)了如圖2所示的裝置，他們將兩段阻值不同的電阻絲（R1＜R2）分別密封在兩個(gè)完全相同的燒杯中，并通過短玻璃管與相同的氣球相連，兩次實(shí)驗(yàn)電源電壓不變。此裝置是采用兩電阻并聯(lián)，控制兩電阻兩端電壓相同，從而得出在電壓一定時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量與電阻成反比。

圖2

（通過方案二的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案一的對比，讓學(xué)生明白了電熱與電阻的關(guān)系是有條件的，而不是單純的正比關(guān)系，這樣解決了教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)）。

還能設(shè)計(jì)成哪些方案來完成此探究實(shí)驗(yàn)？（以此來培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和變通思維的能力。）

（方案三）：設(shè)計(jì)了如圖3所示的裝置，他們設(shè)計(jì)的正確方案是:選擇兩個(gè)阻值不等的電阻絲，控制通過兩個(gè)電阻絲的電流相等，通電時(shí)間相等，比較產(chǎn)生的熱量多少。于是找來兩段材料、粗細(xì)相同，長短不同的電阻絲分別繞制成兩個(gè)外形相同，長度不同的電阻圈串聯(lián)在電路中，同時(shí)將火柴棒分別插入兩個(gè)電阻圈中，如圖3所示，他想通過火柴被點(diǎn)燃的先后來比較產(chǎn)生熱量的多少。當(dāng)電路接通后，他發(fā)現(xiàn)兩根火柴幾乎同時(shí)被點(diǎn)燃，于是得到電阻大小對產(chǎn)生熱量多少沒有影響的結(jié)論。

圖3

（方案四）：設(shè)計(jì)了如圖4所示的裝置。他們將兩段阻值不同的電阻絲（R1＜R2）分別密封在兩個(gè)完全相同的燒杯中，并通過短玻璃管與相同的氣球相連，兩次實(shí)驗(yàn)電源電壓不變。此裝置是采用兩電阻串聯(lián)，目的是控制電流相同，即可探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻是否有關(guān)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電流產(chǎn)生熱量的多少是通過氣球脹程度體現(xiàn)出來的。

圖4

結(jié)論：在電流和通電時(shí)間相同時(shí)，電流產(chǎn)生熱量與電阻成正比。

評價(jià)：選擇煤油為被加熱液體，是因?yàn)橄嗤|(zhì)量的水和煤油相比，吸收相同的熱時(shí)，水升溫不明顯。選取電阻時(shí)，盡可能選用合金類的電阻，效果更好，更明顯。選用圖2和圖4氣體熱脹冷縮效果比固液態(tài)更明顯，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，時(shí)間更短。若選圖1，理由是：用溫度計(jì)能較準(zhǔn)確地測出煤油的溫度變化，便于定量研究。方案3的結(jié)論是錯(cuò)誤的，因?yàn)殡娮杞z與火柴接觸點(diǎn)處產(chǎn)生的電熱相同（或相同長度電阻絲產(chǎn)生的電熱相同；或電阻絲與火柴接觸點(diǎn)處溫度相同；或整個(gè)電阻絲產(chǎn)生的電熱沒有全部給火柴加熱）。

反思：通過對電流熱效應(yīng)的影響因素實(shí)驗(yàn)的探究，進(jìn)一步了解了科學(xué)方法思想的重要性，通過親歷探究過程，培養(yǎng)學(xué)生用探究的方法解決問題的能力，通過探究實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作精神及用語言表達(dá)思想的能力。探究式教學(xué)，從教學(xué)目標(biāo)看，它著重于全面提高學(xué)生的素質(zhì)，尊重學(xué)生的主動精神，充分開發(fā)每個(gè)學(xué)生的智慧潛能，培養(yǎng)學(xué)生的能力；從方法上看，它以探究為主，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的參與性，主動性等，從形式上看，它采用的是開放式教學(xué)，它讓學(xué)生動起來，可以用各種各樣的方法來解決實(shí)際問題；從學(xué)生角度看，它更能使學(xué)生在受教育的過程中，視學(xué)習(xí)為樂趣，更富有創(chuàng)新力。