湖南省娄底市娄星区石井中学 邵琼瑶
【摘 要】 实验是学好物理的一个重要途径。“验证焦耳定律”原型实验装置只能定性地分析电流通过导体产生的热量(Q)与电流(I)、电阻(R)有关。本文在原实验思路和实验原理的基础上,深入剖析,并自制实验教具实现了焦耳定律的定量分析。
【关键词】 焦耳定律 自制教具 学科融合
验证焦耳定律实验,是新人教版九年级物理教科书中的演示实验。原实验没办法定量地分析电流通过导体产生的热量(Q)与电流(I)、电阻(R)的关系,且学生理解也很艰难,因此,本文对教科书中的实验装置进行分析,并自制教具解决实验过程中不能定量分析的问题。
一、原实验主要疑难点及原因分析
教科书中的原实验装置是在两个透明容器密封相同质量的空气,通过电热丝给空气加热,空气膨胀,使U型管中的液柱形成液面高度差,再通过观察两U型管中的液面高度差,来判断电流通过导体产生热量多与少。
原实验装置存在以下不足及疑难点:①用橡胶管连接U型管,对装置的气密性要求高,操作难度较大,效果也不明显;②实验时,电热丝产生的热量,通过对密封空气受热膨胀,促使U型管中两侧液面形成高度差,再通过两U型管中的液面高度差来比较两电阻产生热量的多与少——物理量转换较多,学生理解会比较困难;③U型管中液面高度的变化受其它因素影响较大,如装置的密封性能、容器的吸热散热等,且不容易准确读取U型管中的液面高度差,因此导致实验误差较大;④原实验装置不能定量地分析电热(Q)与电流(I)、电阻(R)的关系。
二、原实验疑难问题解决思路及处理方法
1、比较电热多少的改进思路
利用九年级学生已有知识——一般情况下,相同质量的同种物质,其升高的温度(Δt)与吸收的热量(Q吸)成正比。实验时,我们可以选择材料和质量都相同的电阻,通过比较各电阻升高的温度(Δt),就可以比较出电流通过各电阻产生热量(Q)的多与少。于是,本文中用带数显的温度传感器与发热电阻紧密贴合,通过直接测量发热电阻上升的温度(Δt)来比较电阻产生的热量(Q)。
2、定量验证电热与电阻关系实验
设计电路——将三只阻值分别为5Ω、10Ω、20Ω的R1、R2、R3串联,可以在电流和通电时间相同的情况下探究电热与电阻的关系。用数字温度计测量电阻表面的温度——将三个数字温度计探头分别紧贴在R1、R2、R3表面,并用保温隔热膜将三个电阻和探头分别严密包裹以减少热量的散失。自制实验示教板,并在示教板上连接好元件。
使用学生电源给示教板实验电路供电,并通电1分钟,分别记录通电前的初温和通电1分钟后,电阻表面的最高温度。
设计表一,记录实验数据。利用Excel图表功能——以电阻阻值为横坐标、升高的温度为纵坐标建立坐标系,在表一中填入记录的数据后,Excel会自动绘制出电阻升高的温度与电阻的关系图像。
由此得到结论:当电流(I)和通电时间(t)相同时,电流通过导体产生的热量(Q)与电阻(R)成正比。
3、定量验证电热与电流关系的实验
设计电路——在该电路中所有定值电阻的阻值均为10Ω,这样设计可以使通过R1的电流是R2的两倍,是R3的4倍。用数字温度计测量电阻表面的温度——将三个数字温度计探头分别紧贴在R1、R2、R3表面,并用保温隔热膜将三个电阻和探头分别严密包裹以减少热量的散失。自制实验示教板,并在示教板上连接好元件。
同样,使用学生电源给示教板实验电路供电并通电1分钟,分别记录通电前的初温和通电1分钟后,发热电阻表面的最高温度。同时记录实验过程中电流表的示数(撰写该文时所记录的干路电流为0.24A)。
设计表二,记录实验数据。利用Excel图表功能——以电流的二次方为横坐标、升高的温度为纵坐标建立坐标系,在表二中填入记录的数据后,Excel会自动绘制出电阻升高的温度与电流二次方的关系图像。
由此得到结论:当电阻(R)和通电时间(t)相同时,电流通过导体产生的热量(Q)与电流的二次方(I2)成正比。
4、定量验证电热与通电时间关系实验
利用实验示教板,断开分流电阻,在相同的条件下单独给R1、R2、R3通电1min、2min、3min,分别记录三只电阻的最高温度,即可验证导体产生的电热与通电时间成正比的关系。
鉴于学生能够根据生活经验理解电流通过导体产生的热量(Q)与通电时间(t)成正比,所以在本文中并未对电热与通电时间的关系进行深入研究。
三、改进后实验所需器材
学生电源(直流3A,2V-16V)1台、单刀开关2个、导线若干、5Ω(10W线绕)电阻1个、10Ω(10W线绕)电阻8个、20Ω(10W线绕)电阻1个、数字温度计(-40℃~110℃)6个、电源适配器1套(为数字温度计提供电源)、电流表(0~10A)2个、滑动变阻器(0~20 Ω)2个、计时器2个、导热胶适量、保温膜若干、计算机1台等。
四、改进后实验效果及误差分析
1、改进后实验效果
自制的实验教具,能够比较准确地得到电阻升高的温度与电阻、电流二次方成正比的坐标图像,从而验证了焦耳定律。改进后实验装置,简单直观,操作方便,示数清晰,可多次重复,可扩展实验(如改变通电时间,改变电阻阻值、改变电流大小等)。同时,利用Excel处理数据方便快捷,是物理与数学、信息技术深度融合的有益尝试,学生兴趣浓厚。
2、误差分析
实验过程中,发现电阻升高的温度与理论值对比会存在误差。
(1)误差产生的原因:①电阻、温度传感器存在差异性。如电阻的实际阻值与标称阻值不一致,电阻、数度温度计的探头质量及灵敏度的差异;②保温膜吸热、散热存在差异性。实验时用来包裹电阻和温度计探头的保温膜因升高的温度不同会导致其吸收热量会不同,同时包裹严密性不同,也会引起散失的热量也不同;③导体传热的滞后性和数字温度计示数的不稳定性影响。由于热传导有一个过程,数字温度计探头的温度与电阻发热体温度达到一致需要一定时间。
(2)减小误差的方法:①选择材料、质量相同,且实际阻值接近标称阻值(|R实-R标称|<0.01Ω)的电阻;②选择同规格型号、灵敏度高的数字温度计;③选择吸热系数小的保温膜,并紧密包裹数字温度计探头和电阻(可多包几层);④停止加热后,读取数字温度计的最大示数作为电阻的末温;⑤在相同条件下,重复实验,取多次实验数据的平均值。
参考文献:
[1] 孙晓兵.利用自制教具对焦耳定律实验的再研究.《中学物理·初中》2018年第10期
[2] 人民教育出版社.课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理九年级全一册﹝J﹞.第十八章《焦耳定律》,2013(6)