电流的热效应实验与改进

电阻的热效应实验与改进
一、教材分析
电阻的热效应在粤教版九年级第十八章第三节中首先给出了电热器的定义，然后安排了“电流通过电热器所产生的热量的多少与哪些因素有关”的探究活动。

要求学生探讨电流通过导体产生的热量与电流、电阻以及通电时间的关系，教师可以引导学生用探究式实验的流程，结合生活经验得出电流产生的热量与电流、电阻等因素的定性关系，在此基础上用分析论证的方法得出热量与电流、电阻以及通电时间的定量关系，从而导出焦耳定律，再回到实际生活中解决实际生产问题等。

对于初三学生而言，焦耳定律是重点，更是难点，是整个电学的综合．教师在教学过程中感到实验难以施展，学生学的时候充满焦虑中的期待。

二、探究实验
教材中电阻的热效应实验仪器（一）如图一所示，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。

两个密闭容器中都有一段电阻丝，右边容器中的电阻比较大。

两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两段电阻丝的电流相同。

通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度的变化。

通过实验学生可以看到电阻大的那边的液面高度比电阻小的那边较高，也就是说明了在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。

图一
实验仪器（二），如图二所示，两个密闭容器中的电阻一样大，在其中一个容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，因此通过两容器中电阻的电流不同。

在通电时间相同的情况下，观察两个U形管中液面高度的变化。

通过
实验，学生们会发现，没有并联电阻的那一边的液面比并联了电阻的那一边的高一些。

也就是说明了在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。

图二
根据教材的实验探究过程，我也制作了类似的实验仪器。

如右图所示，仪器的制作原理与教材的一样，
两个瓶子里是密封的，里面放着阻值不一样的铜
线圈，然后用细铜线把两铜线圈串联在一起。

而
两个瓶子连出来是两根导管，导管中注入有色液
体。

当我们将两铜线圈接入电后，不用几分钟，
我们就可以很清楚的看到中间的两导管中的液面
高中度差产生的改变，当我们用手摸两个瓶子时，
我们也可以清楚感觉到两个瓶子都变热了，而且
中间导管比较高相连的那个瓶子的温度相对比较
高一点。

这个实验可以探究在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。

当我们将瓶子里的线圈换成阻值一样大，其中一边并联一个同样的线圈时，我们做同样的步骤，这时我们就可以探究在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。

三、实验存在的问题
“焦耳定律实验”是初中物理教材中非常重要的验证性演示实验，教材中的做法是在两个不同阻值的电阻分别两放到相同大小且密封的两个瓶子里使之串联起来，与瓶子相通的两条导管中注入相同量的有色液体，当我们使之通电后，温度将会升高、瓶子里的体积会膨胀，使导管中的液面上升，观察液的高度变化
来确定电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系。

以此验证:Q=I2Rt。

按课本上介绍的方法去演示，则明显地有3点不足：
1、不能同时演示热量跟电流、热量跟电阻的关系；在说明在相同电阻
大小的，电流越大，产生的热量越多时，和跟电流相同而电阻大小不同而产生的热量时是分两次实验进行的；不同的电流值时所产生的液体高度不能直接比较。

2、只能定性研究，不能定量研究，演示效果差。

在整个实验过程中，
我们只能判断出难一边的温度上升的比较快，因为液面高度越高只能说过瓶子里的温度上升得比较快，这样我能只能得出：（1）在电流大小相同时，电阻越大的，通电相同时间内产生的热量就越大；（2）在电阻大小一样时，电流越大，通电相同时间内产生的热量就越大。

这样的实验只能得出电流、电阻和热量之间的关系，而不能得出焦耳定律Q=I2Rt。

3、如果瓶子过大，我们需要通电使电阻加热时间过长，学生注意力容
易分散，这样比较难控制教学的顺利进行。

另外在说明电流越大、产生的热量越多时，要等两玻璃导管中的液柱降回到原来的高度后，改变电流再作一次，事实上瓶子里的电阻通电使之加热容易、降温难，而且还要等整个瓶子的温度都降下来。

要等很长时间液柱才能回到原来的高度，实验时间过长，更不能连续重复演示。

四、实验改进
在实际学习中，我对这个实验进行了改进和研究，现将具体作法介绍如下：
1、如下图所示，在一块木板中心树立一块上半部画有间隔1cm的水平线的
白色小木板或白色有机玻璃板，将装有电阻值分别为18、58、58的3支试管用铜皮固定在竖直薄木板的下半部，并在C管外部并联一个与C管内电阻值相同的电阻。

再将3根长约25cm、直径约017cm的U形玻璃管，将其一端上半部裁去，如图2所示安装在离试管上的玻管约5cm处，并用同等长度的橡胶管连接玻管与U形管，电源电压以6~8V为宜。

2、实验时,用注射器向U形管中注入少量相等的红液，闭合开关K,就可以看到3根玻璃管中的液面同时上升。

比较A、B管中的液面高度可知：电流相同、通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。

比较B、C管可知：二发热器内导体电阻相同，通电时间相同，但因C发热器外部并联了一个与C管内相同电阻值的电阻，所通过B发热器的电流应是C发热器的2倍。

而B中的液面的升高量是C中的液面的升高量的4倍，说明电阻相同、通电时间相同、电流越大，温升越高。

还能明确得出：电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比0。

另外，观察任意的发热器中的液体温度计可以看出:通电时间越长，温升越大，电流产生的热量越多。

使用该仪器进行实验有4个特点：
1、在相同条件下，利用气体的热膨胀比液体的热膨胀实验效果更加明
显；可将两次实验合为一次。

因而大大缩短了实验时间，提高了课堂效率。

2、B管中的电流强度明显是C管中的2倍，避免了用安培表测电流的
麻烦。

而且能使学生的注意力集中在观察玻璃管中的液面上升过程上。

3、具有连续、重复演示的功能。

第一次演示实验后，可以把连接胶管
取下，排除热空气后，胶管还原后可以立即做第二次试验。

4、有记忆功能。

断电后用止液夹止住空气温度计中的液面回落。

保存
记忆，以便重复观察进行定量分析。

参考文献：
1、《物理九年级全一册》人民教育出版社2013年6月第1版
2、《焦耳定律实验的改进》重庆市南坪中学陈晓伟
3、《焦耳定律实验的研究与改进》哈尔滨师范大学张起祥祖大鹏张晓英。