应用实验装置对焦耳定律进行定性定量验证.docx

应用实验装置对焦耳定律进行定性定量验证 关键词：应用实验焦耳定律电流电阻初中物理电学中的重要规律都设置了定量实验，如：欧姆定律，教材中不但设置了定量探究实验，还利用了图像定量分析了电流与电压的关系，为推导I=U/R提供了充分的数据支持，堪称初中物理探究性实验的完美案例但同为重要规律B的焦耳定律却没有同样待遇，焦耳定律实验只安排了定性实验，虽能说明问题，但对于逻辑严密的物理学还是显得有些苍白没有在焦耳定律中安排定量实验的主要原因是Q=I2Rt中存在平方正比关系，而该关系很难用实验表达,即使可以找到实验模型，较大的计算量也不适于初中物理课堂为把焦耳定律定性实验拓展为既可定性也可以定量的实验，进行了相应设计1、建立实验模型1.1 定实验介质焦耳定律=FRt,表达了电流产生的热量与电流II、电阻RR和通电时间tt的关系⑵要确立这个关系就必须找被电流加热的介质，通过Q=cm△t计算出导体放出的热量首先选择实验所用的介质理论上部分固体材料因其在加热过程中体积基本不变（温度变化不大时可忽略），由热力学定律可知，其吸收热量后体积不变，只有分子平均动能的增加，表现为温度的升高，因此只要在质量和加热时间一定时测出温度的变化，就能确定其内能改变的数量。

但要适用于课堂教学需保证实验时间短，故只能采用导热性能好的金属，而由于金属本身导电，所以不适合做焦耳定律验证实验的介质液体容易克服固体的缺点，但液体的比热容较大，加热后温度变化慢，不适合课堂教学气体中的空气是最容易获得的介质，空气的热传导能力不强，但它有极强的对流作用，又不导电，是理想的介质，但气体升温后体积膨胀会对外做功，这样就无法保证实验的科学性；如果将其封闭在容器内，受热时间较短，其体积膨胀不明显可忽略，则可以很好地满足实验的要求1.2 辨析实验原理将通电电阻放在密闭且绝热的容器内，加热密闭容器内的空气，其吸收的热量与升高的温度的关系可由=cmLt确定，由于气体密闭质量一定，在一定时间内吸收的热量只与升高的温度有关，只要测岀气体升高的温度就能确定其吸收热量的变化，从而确定电阻产生热量的变化理想情况下，在通电时间、电流一定时，只要电阻R成倍变化，测出的热量Q也成倍变化，则可说明电阻产生的热量Q与电阻R成正比；同理在电阻R与电流I一定时，成倍增加时间t如果测岀的热量Q成倍增加则U说明Q与t成正比；在通电时间与电阻一定时，使通过相等电阻的电流11=212,如果测出产生的热量Q成4倍变化,则可说明Q与I的平方成正比。

2、实验装置的制作2.1 实验材料较大的透明饮料瓶3个,10Ω的线绕电阻3个，5Ω的线绕电阻3个，带探头的数字温度计3只，“哥俩好”胶和双面胶各1组2.2 装置的制作1）用酒精灯将银子烧热，在饮料瓶的两侧各熔开1个小孔2）将螺丝穿过电阻两端的接线孔，用银子夹着螺丝从瓶内穿过小孔，在小孔的周围涂胶（防止漏气），拧上螺丝3）检查气密性，盖好瓶盖，置于水中，观察是否有气泡4）在瓶盖上穿一小孔，穿过温度计的探头，调整好导线长度，使探头不接触电阻线圈，之后用胶粘好小孔，最后用双面胶粘在饮料瓶上制作好的装置如图1所示5）用银子去掉“尖叫”饮料瓶瓶嘴内的结构，在瓶嘴上套小气球制作好的装置如图2所示图1定量验证焦耳定律的实验装置；图2定性验证焦耳定律的实验装置3、定量实验3.1 电路设计探究Q与R的关系，要保证电流I一定，所以用串联连接；探究Q与I的关系，要保证电阻R一定而电流I成倍变化，所以电路设计如图3所示其中R1=R3=5Ω, R 2=10Ω,即R2=2R，I2=2I1，R=R5电阻为0~20Ω,电源电压可以根据实验时的电流取值确定3.2 实验步骤a.按图3连接电路b.闭合开关S,调节滑动变阻器R使人=0.2A,调节滑动变阻器R,使I=0.4A,然后断开开关。

c.将穿有温度计探头的瓶盖盖好并旋紧d.闭合开关S,开启停表，每隔30s用拍照功能记录3个数字温度计示数e.分析数据，得岀结论3.3 实验数据处理a.由于实验要处理的数据量比较大，如果用手工计算，耗时长且容易岀错，因此采用了Excel协助分析b.选中Ai数据，选择插入图表中的柱状图和折线图，形成图像，如图4所示图4用Excel计算的实验结果c.让学生观察图像总结出△2=2Ati和At3=4M,而后引导学生思考并得岀电流产生的热量Q与尸,R,t成正比，即Q=I2Rt4、定性实验该装置稍加改动也可以用于定性实验，如图2所示，将实验装置中穿有温度探头的瓶盖拧下，换上带有气球的瓶盖4.1 定性演示电流的热效应与电阻的关系由于电流产生的热量可能与电阻R、电流I和通电时间t有关，按控制变量法的思路研究Q与R的关系，要保证电流I与通电时间t一定按原理设计实验电路如图5所示，通过观察发现R2电阻瓶盖上的气球先充满气鼓起来，由此可得出：在电流和通电时间一定时，导体的电阻越大产生的热量越多图5定性探究电流热效应与电阻关系的电路图4.2 定性演示电流的热效应与电流大小的关系由于电流产生的热量可能与电阻R、电流I以及通电时间t有关，按控制变量法的思路研究Q与I的关系，要保证电流R与通电时间t一定。

设计实验电路如图6所示图6定性探究电流热效应与电流关系的电路图将R和R封装在饮料瓶内，R放在瓶外，则R=R，而I>Ii满足实验原理通过观察发现，电阻瓶盖上的气球先充满气鼓起来，由此可知：在电阻通电时间一定时，导体中的电流越大产生的热量越多5、结束语经反复实验证实，实验装置可靠有效，适合课堂演示与分组实验教学，作为定性教学时，由于气球充气的动态效果优于U形管的液面变化，现象更有趣，更符合初中学生的审美，更容易被学生接受，教学效果也更好定量实验时引入Excel处理实验数据，用图形表达数量关系更加直观易懂，激发了学生做实验的热情，同时也促进了计算机教学由于实验装置的制作材料多数是生活中的废弃物，或廉价易购物品，容易获得且成本低廉易于实现参考文献：[1]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.物理九年级(全一册)(教师用书)[M].北京:人民教育出版社,2016:170.[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.物理九年级(全一册)[M].北京:人民教育出版社,2013:100.侯耀东.定性定量验证焦耳定律的实验装置[J].物理实验,2019,39(11):62-64.-全文完-。