焦耳定律实验

《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，其常规实验装置及实验操作如下：

（一）探究电流产生的热量与通电时间

是否有关

图1和图2分别是实验电路和实物图。

进行试验时，按图1连接电路，检查无误后接通电源，按下计时器并同时记录温度计的示数。保持电流的大小不变，每隔一定时间记录一次温度计的示数，并填写到设计好的表格中。

实验结果显示：

对同一电阻丝，在电流大小不变的情况下，

通电时间越长，煤油的温度越高，表

明电流产生的热量越多。

（二）探究电流产生的热量与电流大小是否有关

取质量、温度均与上述实验初始状态相同的煤油，仍按上图方式连接电路。闭合开关，调节滑动变阻器，增大通过电阻丝的电流，通电时间与前次相同，记录玻璃瓶内煤油的温度。

将此次测量的温度与上次温度相比，可知：

对同一电阻丝，在通电时间相同的情况下，通电电流越大，煤油的温度越高，表明电流越大，电流产生的热量越多。

（三）探究电流产生的热量与电阻大小是否有关

选取两根阻值不一样的电阻丝，两个装有初始温度相同（记为t0）、等质量（记为m0）煤油的玻璃瓶，按如图所示的电路将实验器

材连接起来

检查无误后

接通电源，

通电一定时

间后，记录两个玻璃瓶内煤油的温度。

实验结果显示：

在通电电流大小不变，通电时间相同的情况下，电阻越大，煤油的温度越高，表明电阻越大，电流产生的热量越多。

我根据上述步骤，利用课余时间做过多次实验，发现实验中温度计上升很慢，在课堂上要完成上述步骤（一），（二）还勉强能完成，但要完成步骤（三），让升上的温度计示数降下来再上升进行观察比较，一节课难以完成任务。所以很多教师为了完成教学任务，常常是变做实验为讲实验，或利用多媒体课件演示，实验配置成为摆设。

综上所述，该实验装置比较复杂，密闭要求高，显示速度慢，可见度小，耗时长。主要存在以下三点不足：

第一，不能同时演示热量跟电流、热量跟电阻的关系；在说明电流越大，产生的热量越多的原理时，要分两次实验进行，不同的电流值所产生的液体高度不能直接比较；另外要待两只烧瓶内的温度计降到原来的示数并改变电流后才能做第二次，事实上烧瓶中的煤油加热容易，降温难，需很长时间温度计才能回到原来的示数。

第二，只能定性研究，不能定量研究，演示效果差。

第三，加热时间长，学生注意力容易分散，并且不能连续重复演

示，不利于组织课堂教学。

鉴此，本人对实验进行如下的改进，收到了良好的课堂效果。

改进后的实验装置如图所示。

甲乙丙在一块木板上，固定三个完全相同的锥形瓶(或烧瓶)。在瓶中各放一根电阻丝，且R甲> R乙=R丙(R甲、R乙、R丙均小于10欧)，并在瓶中封闭一定量的空气。瓶中的玻璃管均与气压计连通。为了便于学生观察，可在气压计的水中滴入红墨水。在通电前，气庄计的液面保持相平，电源用两节干电池即可。

通电1分钟左右，因瓶中气体受热膨胀，使得气压计的液面产生高度差，且温度越高，液面高度差越大。

实验具体操作如下：

（一）在电阻和电流相同情况下，探究电流产生的热量跟通电时间的关系。如图：先将甲瓶连入电路，通电

前，保持气压

中的液面相

平，通电后，

气压计的液面

产生高度差，通电时间越长，液面高度差越大。这表明在电阻和电流相同情况下，通电时间越长，电流产生的热量越多。

（二）在电流和通电时间相同的情况下，探究热量跟电阻的关系。如图：将甲、乙两瓶中电阻丝串联，通电

1分钟左右，观察到与甲瓶相连的气压计

的液面高度差大于

与乙瓶相连的气压

计的液面高度差。

这表明在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多。

（三）在电阻和通电时间相同的情况下，探究热量跟电流的关系。如图：将甲、乙两瓶中电阻丝串联后再与丙瓶中电阻丝并联，通电1分钟左右，观察到与丙瓶相连的气压计的液面高度差大于与乙瓶相连

的气压计的液面高度差。这表明在电阻和通电时间相同的情况下，电流越大，产生的热量越多。

使用改进后的实验装置进行实验有以下特点：

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，大大缩短了实验时间，有效地提高了课堂效率。

②避免了用电流表测电流的麻烦，而且能使学生的注意力集中在观察气压计中的液面高度差的变化过程。

③该实验仪器具有连续性重复演示的功能。第一次实验后，可以把连接胶管取下，排出热空气，胶管还原后，可以立即进行第二次实验。

经过上述的改进后，可在很短的时间内完成实验，并且实验直观、形象，学生可以通过观察、比较红色水柱的高低来比较电流产生热量的多少。实验改进是转换法思想的典型应用。在固体、液体、气体中，相同条件下，气体膨胀最快、最大，当电阻丝中有电流时，电阻丝的温度升高，使锥形瓶内的空气受热膨胀，气体的膨胀又使得U形管内的水位发生了变化，正是这种转换，使我们在短时间内取得了良好的实验效果。改进后的实验装置操作方便，便于控制。