張秋紅

（保定市第十七中學(xué) 河北 保定 071000）

教科版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》（九年級(jí)上）是通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引出焦耳定律.教材提出將兩條粗細(xì)一樣，長(zhǎng)度不同的鎳鎘合金電阻絲R1，R2串聯(lián)在電路中，經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間，比較兩條電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.設(shè)計(jì)方案如圖1.

圖1 原焦耳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

方案（a）中，通過(guò)觀察火柴被點(diǎn)燃的先后判斷兩電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.如果兩個(gè)材料、粗細(xì)相同的電阻絲串聯(lián)在電路中，其溫度理應(yīng)相同，不可能滿足探究要求.

方案（b）中，通過(guò)觀察氣球膨脹的先后比較兩電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.該實(shí)驗(yàn)通過(guò)研究空氣介質(zhì)的溫度升高，比較燒瓶?jī)?nèi)部電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.由于溫度變化不可能很大，也難于做出判斷.

此外，焦耳定律既包含了產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系，又包含了與電流和通電時(shí)間的關(guān)系.然而教材在這里的探究只涉及了與電阻的關(guān)系.針對(duì)以上問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終采用自制加熱裝置，并結(jié)合數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取得了較好的效果.

1 主要器材

1.1 自制加熱裝置

如圖2，取規(guī)格相同的試管（直徑3cm，高10cm）若干支，并在各試管中用橡膠塞封住等量的空氣.將電阻絲穿過(guò)橡膠塞置于試管中.

圖2 自制加熱裝置

1.2 數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集數(shù)據(jù)

將溫度傳感器的“溫度探頭”穿過(guò)橡膠塞插入試管內(nèi)，把傳感器另一端的接口和數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電腦相連接，通過(guò)溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)直接傳入電腦并自動(dòng)生成圖像.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 電熱和電阻的關(guān)系

（1）取兩個(gè)加熱裝置Ⅰ，Ⅱ，將R1＝5Ω和R2＝10Ω的電阻串聯(lián)在電路中（圖3）.如此通過(guò)R1，R2的電流相等，且能有效控制對(duì)兩個(gè)電阻加熱相等的時(shí)間.

圖3 數(shù)字化焦耳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

（2）將傳感器一端的兩個(gè)溫度探頭分別接入加熱裝置，另一端的接口與電腦相連接.

（3）閉合開(kāi)關(guān)，電阻絲對(duì)空氣加熱，點(diǎn)擊電腦屏幕上的數(shù)據(jù)“采集”，即可在電腦屏幕上觀察到兩個(gè)探頭所探測(cè)到的溫度升高.經(jīng)過(guò)80s后，停止數(shù)據(jù)采集，斷開(kāi)開(kāi)關(guān).得到的兩加熱裝置中空氣的溫度T隨時(shí)間t的圖線，如圖4.

圖4 電流相等時(shí)，裝置T-t曲線

為了使比較更加明朗，筆者采集了圖中足夠的數(shù)據(jù)，計(jì)算出經(jīng)過(guò)相等時(shí)間，兩加熱裝置中空氣的溫度變化量，如表1.

表1 加熱裝置Ⅰ和Ⅱ內(nèi)的溫度及溫升

（4）結(jié)論：從圖像及采集的數(shù)據(jù)很容易看出，當(dāng)通過(guò)電阻絲的電流相同時(shí)，經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間，電阻絲的阻值越大，氣體溫度升高越快，說(shuō)明產(chǎn)生的熱量越多.同時(shí)，從表1還可以很直觀地看出，裝置Ⅱ溫度的變化量近似為裝置Ⅰ的2倍.因此，可以推出電阻絲產(chǎn)生的熱量與阻值的關(guān)系成正比.

2.2 電熱和電流的關(guān)系

（1）取兩個(gè)加熱裝置 Ⅰ′，Ⅱ′，R1＝5Ω，R2＝5 Ω，使R1與作為輔助的等阻值電阻R3（R3＝5Ω）串聯(lián)組成的支路，與R2并聯(lián)，如圖5.由串、并聯(lián)電路電流特點(diǎn)可知，通過(guò)R2的電流是R1的2倍.

實(shí)驗(yàn)步驟同上，得到如圖6所示的圖像及表2.

圖5

圖6 電阻相等時(shí)裝置T-t曲線

表2 加熱裝置Ⅰ′和Ⅱ′內(nèi)的溫度及溫升

（2）結(jié)論：從圖6及表2可知，當(dāng)電阻絲的電阻相等時(shí)，經(jīng)過(guò)相等的時(shí)間，電流越大，氣體溫度升得越高，說(shuō)明電阻絲產(chǎn)生的熱量越多，且大于電流增大的倍數(shù).產(chǎn)生的熱量與電流之間已不再近似為正比關(guān)系.

2.3 電熱和時(shí)間的關(guān)系

由以上任意T-t圖像均可看出，空氣的溫度都是單調(diào)增加的，說(shuō)明電阻絲產(chǎn)生的熱量隨著時(shí)間的增加而逐漸增加.從表1及表2的數(shù)據(jù)可以得到，產(chǎn)生的熱量與經(jīng)過(guò)的時(shí)間基本上是正比關(guān)系.

3 結(jié)束語(yǔ)

自制加熱實(shí)驗(yàn)裝置定性地研究了電熱與電阻、電流以及時(shí)間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)原理科學(xué)，效果明顯，所用時(shí)間短，操作方便、安全.

實(shí)驗(yàn)使用數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的溫度傳感器可以在電腦屏幕上直接觀察到溫度的變化，突破教學(xué)重、難點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀形象；改變了以往紙上記錄數(shù)據(jù)和手工繪圖的方法.在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中學(xué)生能把更多的注意力集中在采集、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上，實(shí)驗(yàn)的目的性更加明確.