對(duì)課本焦耳定律引入過程的思考和建議

趙梁震

濮陽市第一高級(jí)中學(xué) 河南 濮陽 457000

摘 要：本文對(duì)人教版物理選修3-1教材中引入焦耳定律的方式提出了質(zhì)疑，指出了其不利影響，同時(shí)提出了自己的方案并分析了這樣引入的好處。

關(guān)鍵詞：物理選修3-1；焦耳定律；歐姆定律；純電阻電路

人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1課本對(duì)焦耳定律的引入過程如下：

電流通過白熾燈、電爐等電熱元件做功時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能，電流在這段電路中做的功W等于這段電路發(fā)出的熱量Q，即

Q=W=UIt

由歐姆定律

U=IR

代入上式后可得熱量Q的表達(dá)式

Q=I2Rt

即電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比，這個(gè)關(guān)系最初是焦耳用實(shí)驗(yàn)直接得到的，我們把它叫做焦耳定律。

這里用公式推導(dǎo)的方式得出了焦耳定律的公式和內(nèi)容，筆者認(rèn)為不太恰當(dāng)，理由如下：

第一，焦耳定律是焦耳通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的規(guī)律，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是自然規(guī)律最直接的反映，科學(xué)理論正確與否必須接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，正如課本上所說焦耳定律是焦耳用實(shí)驗(yàn)直接得到的，焦耳定律本身就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，這是焦耳通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到并經(jīng)過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們不應(yīng)該淡化科學(xué)實(shí)驗(yàn)在焦耳定律建立過程中所起的巨大作用，公式推導(dǎo)的方式掩蓋了焦耳定律的真實(shí)面目。

第二，這里Q=W應(yīng)用了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律來推導(dǎo)焦耳定律，而實(shí)際情況是焦耳本人是在得出焦耳定律后，又進(jìn)行了長(zhǎng)期的、大量的、精確的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前焦耳提出了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律.并且電流通過導(dǎo)體時(shí)所做的電功和導(dǎo)體發(fā)出的電熱相等是焦耳得出能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).由此看來，用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律來推導(dǎo)焦耳定律是不符合科學(xué)發(fā)展的實(shí)際歷程的。

第三，上述推導(dǎo)過程用到了歐姆定律，歐姆定律的表達(dá)式應(yīng)該為[I=UR]，不應(yīng)該用U=IR，另外，歐姆定律是只能在純電阻電路中才適用的規(guī)律，用歐姆定律來推導(dǎo)焦耳定律會(huì)使學(xué)生認(rèn)為焦耳定律也只適用于純電阻電路，對(duì)電動(dòng)機(jī)等非純電阻元件求電熱不適用的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí).學(xué)生一旦建立這樣的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)再來糾正是比較困難的.

基于以上考慮，筆者認(rèn)為引入焦耳定律的過程可以做一些調(diào)整.建議設(shè)計(jì)“電流通過電學(xué)元件時(shí)產(chǎn)生的電熱與誰有關(guān)？”的探究實(shí)驗(yàn)（或者介紹焦耳所做的實(shí)驗(yàn)）.通過探究實(shí)驗(yàn)得出Q=I2Rt，即焦耳定律.然后結(jié)合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在純電阻電路中電流做功全部轉(zhuǎn)化為電熱W=Q，即UIt=I2Rt，可以得到[I=UR]。由此可見歐姆定律是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在純電阻電路中的具體反映和內(nèi)在要求.

這樣設(shè)計(jì)的好處是還原了人們認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的實(shí)際歷程，體現(xiàn)出了科學(xué)實(shí)驗(yàn)在科學(xué)理論建立過程中的巨大作用，使人們認(rèn)識(shí)到焦耳定律是一條實(shí)驗(yàn)規(guī)律，物理學(xué)科是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，能真實(shí)反映自然規(guī)律.通過探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)我們可以引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究、總結(jié)得出規(guī)律，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)自然科學(xué)的重要意義，也能使學(xué)生獲得科學(xué)研究的方法.

我們又利用焦耳定律和能量守恒定律反過來得出了歐姆定律，說明歐姆定律、焦耳定律雖說是在實(shí)驗(yàn)中得出的，同時(shí)它們也是物理理論大廈的有機(jī)組成部分，可以反映出焦耳定律在物理理論體系中的地位和物理理論的完備性，在理論層面上證明焦耳定律可以納入已有的物理理論當(dāng)中，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論和理論框架得到完美融合.更重要的是我們能夠得到歐姆定律的適用條件——純電阻電路，如果不是純電阻電路，電流做功沒有全部轉(zhuǎn)化為電熱則不能得出W=Q即UIt=I2Rt，歐姆定律也就不適用.另外我們還能體會(huì)到能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在自然界中的普適性，歐姆定律是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在純電阻電路中的必然要求.

作者簡(jiǎn)介：

趙良震（1979—），男，中教一級(jí)，主要從事高中物理教學(xué)工作，曾獲河南省優(yōu)質(zhì)課教師，省實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)。