初中焦耳定律实验的改进

焦耳定律实验的改进

摘要：《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，其常规实验装置如图1、图2所示。该装置作为演示实验器材，能够在短时间内演示电热与电流、电阻的关系，而且现象明显、可见度高。可是也存在不能同时演示电热与电流、电阻的关系，要分两次实验完成，密闭要求高等不足。针对焦耳定律实验，本人对该实验进行了改进。

关键词：焦耳定律演示实验实验改进

《焦耳定律》这节课是电功率这一章节的重点，也是初中物理学的重点内容。它是欧姆定律的引申和发展，是能量守恒定律在电能和内能转化中的具体体现。而在焦耳定律教学中，做好实验及分析实验现象是关键，是教学的重点和难点。

焦耳定律的研究过程体现了研究物理问题的基本方法——控制变量法：控制电流不变，通电时间相同时，研究电流产生的热量与电阻大小的关系；控制电阻不变，通电时间相同时，研究电流产生的热量与电流大小的关系。

学生要通过实验，分析实验现象才能认识到电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系，而电热是看不见的，那如何让电流通过电阻产生的热量更直观地显示出来，这是实验的关键。教科书中的演示实验以空气作为吸热物质，电阻产生的热量被空气吸收，从空气的膨胀程度来判断其吸收热量是多少，将不易观察到的电流产生的热量的多少转换为观察空气膨胀的程度。而液体的高度变化可以显示空气膨胀的程度，即电阻放热使密闭容器内的空气吸热后体积增加、压强增大，从而推动U型管中的指示液面上升，液面上升高度的大小反映了电

流通过电阻做功产生热量的多少。

一、使用教科书中的演示实验器材设计的实验步骤如下：

1、探究电流通过导体产生热量的多少与电阻大小的关系（图1）

①检查装置仪器的气密性；

○2将阻值不同的两个电阻5Ω、10Ω串联；

○3接通电路一段时间，同时比较两U型管中液面高度差。

实验结果是：与10Ω电阻相连的U型管中液面高度差大。这表明在电流和

通电时间相同时，电阻越大，电流产生的热量越多。

2、探究电流通过导体产生热量的多少与电流大小的关系（图2）

○1在两U型管管中的液柱降回到原来的高度后，将3个阻值相同的电阻以右图

的连接方式连接；

○2通电一段时间，比较两U型管中液面高度差。

实验结果是：与通过电流大的电阻相连的U 型管中液面高度差大。这表明在电阻和通电时间相同时，电流越大，电流产生的热量越多。

根据上述步骤，演示两次实验，如果实验装置气密性好，则完成的时间很短，实验现象也很明显；若实验装置的气密性差，则不但实验时间长，而且实验效果也很差。学生也只能通过观察老师操作和最后得出的实验现象来分析现象得出结论。综上所述，该实验装置主要存在以下三点不足：第一、装置气密性要求高，器材存放时间长会导致装置里的橡胶管老化，会严重影响装置气密性；第二、不能同时演示热量跟电流、热量跟电阻的关系；第三、由于演示实验都由教师完成，学生参与实验程度低，而且演示实验时间较短，容易遗忘实验过程，不利于组织课堂教学 。

二、实验改进

1、当前提倡素质教育，提高物理课堂效率，需要充分发挥“双主学习”的作用，让学生最大限度地参与到课堂里面，在教师的主导下，以学生自主组织学习活动为核心，通过自主探究来主动寻求解决问题的方法和途径。因此，在条件允许的情况下，教师可以将演示实验下放成学生探究实验，促进学生积极主动地参与教学的过程，并依托这一形成过程，最终培养学生自主探究的意识和能力，增强对物理学科的学习兴趣。

本着这个理念以及针对教科书的演示实验装置存在的不足，我对焦耳定律实验进行了改进，采用了普通的感温片来比较电流产生热量的多少，具体改进如下：

本改进实验介绍一种新的测温手段--温敏变色测温。变色测温贴片是一种能够随物体温度的变化而改变颜色，并由此可掌握物体的温度变化的产品．

根据颜色变化分为单变色或多变色，可逆或不可逆。例如液晶变色产品，可在规定的一个较小温度区间内发生红、绿、黄等颜色变化，不同的颜色对应不同的温度。随着温度的复原，颜色也复原，属于可逆多变色系列。而只发生一种颜色变化的是单变色系列。颜色不可复原是不可逆系列，它的颜色起温后不复原，即把已经超温的颜色保留下来。

为了更好地在不同的室温下选用到适合自己的测温标准，

一般感温片的规格

有35℃、42℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、100℃、120℃各温度等级的测温贴片，还有更高或更低温度的贴片。可供选择的颜色不仅有白变红，还有自变黄、绿、黑等；如希望测温范围宽一些，或一时没有确定测温标准，可同时选用几种温度的测温贴片．为了相互区别不同温度，可采用大小不同的尺寸或不同颜色或不同的位置粘贴排列来表示变色温度的差异，也可以选用随意剪切型贴片，不同温度用剪刀剪成自己能识别的不同型式，来表示温度的区别。

从理论上讲，感温片贴到测温部位后，只要不超温，能用2～3年，甚至更长。

基于用于学生探究实验，所处的实验环境一般在15℃--35℃，以及实验时间、实验效果明显的因素，改进实验中使用42℃规格的感温片（图3），随着温度的升高感温片的颜色由红色逐渐变成黄色，电阻温度达到42℃以上感温片变成全黄色，颜色有渐变的过程，随着温度的复原，颜色也复原（如图4，图5所示），而且可以重复使用。学生在实验过程中，把规格相同的感温片贴在被研究的电阻表面，通电，学生可以清晰比较到通电相同时间，感温片颜色变化的快慢。

图4 测温前感温片颜色为红色

图3

图5 测温后感温片颜色逐渐变为黄色使用感温片来做学生实验的材料，不但能够满足每位学生都能亲身经历焦耳定律发现的过程，还能够同时完成两个探究实验：电热与电流、电阻的关系，缩短实验时间、实验现象明显。感温片还有几个突出的优点：体积小、价格便宜、使用寿命长、仪器要求简单、容易操作等。

学生实验的具体操作如下：

在教师的主导下，探究电热与电流、电阻的关系，教师与学生讨论确定如下电路图1，把规格相同的感温片分别贴在3个电阻的表面，然后学生根据电路图1连接电路，通电一段时间，观察3个电阻的感温片的颜色变化程度，比较不同情况下电热的多少，具体实验现象如下：