探究“影響電流熱效應(yīng)因素”的實(shí)驗(yàn)裝置制作及使用

繆躍林 陳 鈺

（1.如東縣新店鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)，江蘇 如東 226432；2.南通市海門(mén)市東洲中學(xué)，江蘇 海門(mén) 226100）

1 問(wèn)題的提出

“電流的熱效應(yīng)”又通常稱(chēng)為“焦耳定律”，是蘇科版物理教材9年級(jí)第15章“電功與電熱”的重點(diǎn)內(nèi)容，它是電功與電功率的具體應(yīng)用之一，是電能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的具體體現(xiàn)，也為下一節(jié)“安全用電”的學(xué)習(xí)做了知識(shí)準(zhǔn)備.因此，本節(jié)課在全章中起著承上啟下的作用.教學(xué)中，做好“探究影響電流熱效應(yīng)的因素”的實(shí)驗(yàn)以及分析數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，這也是教學(xué)的重難點(diǎn).

如圖1是蘇科版教材中給出的“探究影響電流熱效應(yīng)的因素”的實(shí)驗(yàn)裝置.該裝置的原理是將一段電阻絲浸沒(méi)在一定質(zhì)量的煤油中，通電時(shí)電阻絲產(chǎn)生的熱量被煤油吸收，煤油溫度就會(huì)升高.因此，我們可以通過(guò)煤油溫度的變化來(lái)比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.采用該裝置以及煤油做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過(guò)程穩(wěn)定、成功率較高.缺點(diǎn)是煤油獲取不方便；加熱時(shí)間較長(zhǎng)散熱時(shí)間更長(zhǎng)，難以當(dāng)堂課完成所有探究任務(wù)；電阻絲隨著煤油升溫阻值會(huì)變大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)失真從而導(dǎo)致定量分析困難.

圖1 教材裝置

2 自制教具改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

在薄木板上打孔裝上接線柱，將長(zhǎng)約為100 mm內(nèi)徑為13 mm下端垂直穿孔的玻璃管黏在木板上.然后將兩根直徑約為0.3 mm的相同長(zhǎng)度的電阻絲R1、R2（R1、R2阻值之比約為3∶2）穿過(guò)玻璃管下端的孔中（如圖2所示）.實(shí)驗(yàn)時(shí)，將長(zhǎng)為150 mm直徑為11 mm的熱熔膠棒豎直插入玻璃管中，使其下端壓在電阻絲上，玻璃管內(nèi)的一段電阻絲為實(shí)際研究對(duì)象，并在旁邊平行放好刻度尺（如圖3所示）.

圖2 裝置制作

圖3 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄分析數(shù)據(jù)

將自制裝置豎直架在鐵架臺(tái)上，與學(xué)生電源、電流表、滑動(dòng)變阻器等串聯(lián)接入電路（如圖4所示）.在保證熱熔膠棒對(duì)電阻絲壓強(qiáng)一定的情況下，通電時(shí)電阻絲發(fā)熱產(chǎn)生的熱量被熱熔膠棒吸收后熔化下降.發(fā)熱越多，下降越快，下降高度越高.因此，我們可以通過(guò)測(cè)量其下降高度來(lái)比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少.下面是實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程.

圖4 R1中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

（1）只將R1單獨(dú)接入電路，在玻璃管中插入熱熔膠棒.閉合開(kāi)關(guān)，保持電流不變，改變通電時(shí)間，觀察熔膠棒下降高度.多次實(shí)驗(yàn)記錄如表1所示，并將數(shù)據(jù)插入Excel表格繪制圖像如圖5.可以發(fā)現(xiàn)電阻、電流一定時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量與時(shí)間成正比.

表1 電熱與通電時(shí)間的關(guān)系

圖5 電阻、電流一定時(shí)，下降高度與時(shí)間關(guān)系

（2）繼續(xù)在R1中實(shí)驗(yàn).保持時(shí)間一定，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變通過(guò)電阻絲的電流，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)如表2所示，并將數(shù)據(jù)插入Excel表格繪制圖像如圖6.可以發(fā)現(xiàn)電阻、時(shí)間一定時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量與電流大小有關(guān)，電流越大熱量越多.

表2 電熱與電流的關(guān)系

圖6 電阻、時(shí)間一定，下降高度與電流關(guān)系

（3）將兩個(gè)熱熔膠棒分別插入串聯(lián)的電阻絲R1、R2玻璃管中（如圖7所示）.通電一定的時(shí)間，觀察熱熔膠棒下降的高度如表3，繪制圖像如圖8.可以發(fā)現(xiàn)電流、時(shí)間相同時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量與電阻成正比.

圖7 R1、R2 中實(shí)驗(yàn)

表3 電熱與電阻的關(guān)系

圖8 電流、時(shí)間一定時(shí)，下降高度與電阻的關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新后的反思

4.1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)裝置易操作，可控性強(qiáng)，器材故障率低，操作方便，成功率高.另外，該裝置制作完成能反復(fù)長(zhǎng)時(shí)間使用、成本低.

（2）實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，學(xué)生容易接受.直接從刻度尺上讀出熱熔膠棒下降高度，就可以知道熱量多少.

（3）演示實(shí)驗(yàn)可視性大大提高，學(xué)生參與感強(qiáng).觀察下降高度比溫度計(jì)更容易、更直觀.可全員參與，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

（4）把定性觀察改為部分定量實(shí)驗(yàn).通過(guò)比較熔膠棒下降高度，能粗略比較電流產(chǎn)生的熱量與時(shí)間和電阻的比例關(guān)系；能發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生的熱量與電流的定性關(guān)系.在初中對(duì)精確度要求不特別高的情況下，使實(shí)驗(yàn)具有更強(qiáng)的可信性.

4.2 實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)

（1）兩個(gè)電阻絲的阻值用歐姆表和伏安法測(cè)量有差距，只能大致知道一個(gè)比值.且實(shí)驗(yàn)中隨著電流的增大，溫度升高，阻值會(huì)略有變化；實(shí)驗(yàn)時(shí)要微調(diào)滑動(dòng)變阻器保障電流一定.

（2）電流為0.4 A以下時(shí)，熱熔膠棒不易熔化，實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行.