1 原演示實驗方案(《科學》教材)
(1)實驗器材
如圖1所示,2只裝有煤油的燒瓶、瓶塞上各插1根玻璃管、燒瓶內(nèi)各裝1根阻值不同的電阻絲、滑動變阻器、電源、電流表、開關等。
(2)實驗步驟及現(xiàn)象
①將2根電阻絲串聯(lián)在電路中,標出2根玻璃管內(nèi)液面的位置。
②閉合開關,記下電流表的讀數(shù)。
③經(jīng)過一段時間后,標出2根玻璃管內(nèi)液面的位置。
④比較2根玻璃管內(nèi)液面變化的情況,可以推測得出:當電流相等時,電阻越大,電流產(chǎn)生的熱量越多。
⑤當2根玻璃管內(nèi)液面降回到原來的高度后,通過調(diào)節(jié)滑動變阻器,加大電流,再經(jīng)過與第一次相同時間的通電后標出2根玻璃管內(nèi)液面的新的位置。
⑥與上次該玻璃管內(nèi)液面上升的高度相比,可以推測得出:當電阻相等時,電流越大,電流產(chǎn)生的熱量越多。
⑦顯然,通電時間越長,電流所產(chǎn)生的熱量越多。
(3)存在的不足
①在實驗中未能充分體現(xiàn)電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比。
②第一次實驗后等液面降回到原來的位置需等待較長的時間。
③實驗分兩步進行時間較浪費。
④比較不同玻璃管內(nèi)液面的高低變化缺乏強烈的視覺效果,未能充分發(fā)揮通過演示實驗達到的輔助教學效果。
⑤實驗缺乏足夠的說服力,未能很好地激發(fā)學生學習的興趣。
2 改進的實驗方案
(1)實驗器材及制作方法
如圖2所示,取內(nèi)徑約4cm長約12cm的透明塑料管三段A、B、C(電工材料商店有售),上下均用鉆有3mm孔的膠塞塞緊,上塞孔內(nèi)各插入一個輸液管直通接頭,外端連接一段玻璃管,長約25cm;下塞孔內(nèi),A管也插入輸液管直通接頭,B、C二管各插入一個三通接頭。B管三通接頭的下端,用輸液管與A管的輸液管直通接頭相連。C管三通接頭的下端,用輸液管與軟滴瓶相連。未用管夾時,手捏滴瓶可以控制輸液管中液柱的高度。
截取約300W的電爐絲,取12Ω一段,6Ω三段,如圖2所示進行焊接安裝。各焊接點,應先把引線與電阻絲繞緊再點焊才能焊牢。由滴瓶口向A、B、C三管內(nèi)裝滿由紅墨水染紅的酒精(酒精比煤油易于清洗和染色)。整個裝置安裝在一面板上,面板尺寸為40×30cm2,用三合板漆成白底藍邊,豎立在底板上。在三根玻璃管的中間畫上若干條水平刻度線,以便觀察液柱上升情況。電源電壓約24V,交直流均可。
(2)實驗原理
液柱上升高度與吸收的熱量、電阻和通電時間之間的關系探討。
液體吸收的熱量Q=cmΔt, (1)
式中c為液體的比熱,m為液體的質(zhì)量,Δt為液體升高的溫度。
液體在加熱過程中體積膨脹
V=V0(1+αΔt), (2)式中V0為液體加熱前的體積,a為液體的體積膨脹系數(shù),Δt為液體的升高溫度。
由(2)式得V-V0=V0#8226;αΔt。
聯(lián)解得V-V0∝Δt∝Q。 (3)
(3)式表明,液體體積的變化與液體的升高溫度Δt成正比,又由(1)式,對于一定質(zhì)量的液體,m和c是一定的,所以液體體積的變化正比于液體所吸收的熱量。
另一方面,液體所吸收的熱量正是電流通過電阻絲所產(chǎn)生的熱量,忽略熱量損失后,可認為它們是相等的。因此,可根據(jù)液柱上升高度的變化(反映的是液體體積的變化),來研究電流通過電阻絲所產(chǎn)生的熱量與電阻絲的電阻、電路的電流、通電時間有什么關系,通過實驗總結(jié)出焦耳定律。
(3)使用方法
①輕捏軟滴瓶,使三液柱面同在最下一條刻線處,用管夾夾緊A、B、C三管下端。
②閉合開關,通過A、B二管內(nèi)電阻絲的電流相等,但因A管內(nèi)電阻為B管內(nèi)電阻的二倍,結(jié)果A管液柱升高為B管液柱升高的2倍。這說明電流產(chǎn)生的熱量,與電阻成正比。B、C二管內(nèi)電阻相等,但通過B管內(nèi)電阻絲的電流為通過C管內(nèi)電阻絲的電流的2倍,結(jié)果B管液柱的升高為C管液柱升高的4倍。這說明電流產(chǎn)生的熱量,與電流的平方成正比。
③觀察任一管液柱的升高,可看到在相等的時間內(nèi),升高的高度相等。這說明電流產(chǎn)生的熱量,與通電時間成正比。
④斷開電源后,松開管夾,則液柱下降,恢復等高。