熊建新

（武漢市楚才中學(xué) 湖北 武漢 430051）

焦耳定律是初中物理的重要定律，一直是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).通常用的焦耳定律實(shí)驗(yàn)器的原理是，給密閉容器中的電阻通電，產(chǎn)生的熱量使密閉容器中空氣的溫度升高，壓強(qiáng)增大，從而使與密閉容器相連的U型玻璃管中原來(lái)相平的水面產(chǎn)生高度差，高度差的大小反映了通電電阻產(chǎn)生熱量的多少.該儀器的優(yōu)點(diǎn)是，現(xiàn)象非常明顯，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短.缺點(diǎn)是，對(duì)密封性要求嚴(yán)，只能用來(lái)定性地演示.筆者嘗試用量熱器進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證焦耳定律，取得了好的教學(xué)效果，學(xué)生經(jīng)歷了規(guī)律發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，加深了對(duì)控制變量法、轉(zhuǎn)換法的理解，學(xué)會(huì)了一種定量分析處理數(shù)據(jù)的方法.該實(shí)驗(yàn)方案電路簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很有說(shuō)服力，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，能在一節(jié)課較快、較好地完成三個(gè)定量的演示.現(xiàn)詳述如下.

1 實(shí)驗(yàn)器材

教學(xué) 電 源 （1.5V，3V，4.5V，6V，9V，12V擋），停表（鐘），量熱器4個(gè)，精密玻璃棒水銀溫度計(jì)（量程0℃～50℃，分度值0.1℃）4支，導(dǎo)線若干，量筒（量程100ml，分度值1ml），煤油，放大鏡.

2 實(shí)驗(yàn)原理

將量熱器接上電源，加熱煤油.煤油吸收的熱量

其中c，m，Δt分別是煤油的比熱容、質(zhì)量、升高的溫度.量熱器的熱效率為

式中W電是電流通過(guò)量熱器電熱絲消耗的電能，Q放是電流通過(guò)量熱器電熱絲產(chǎn)生的熱量，c筒和m筒，c絲和m絲，c攪和m攪，c其他和m其他分別是內(nèi)筒、電熱絲、攪拌器、溫度計(jì)等其他吸熱介質(zhì)的比熱容、質(zhì)量.為簡(jiǎn)化問(wèn)題，這里假設(shè)各種吸熱介質(zhì)升高的溫度Δt相同.因此，量熱器的η是一定的，有

因此Δt與Q放成正比.分別研究Δt與時(shí)間、電流、電阻的關(guān)系，可以推導(dǎo)出Q放與時(shí)間、電流、電阻的關(guān)系.

3 探究電熱與時(shí)間的關(guān)系

3.1 實(shí)驗(yàn)電路及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)電路如圖1，實(shí)物連接如圖2.將量熱器接上電源，加熱煤油.電熱絲的電阻一定，電源的輸出電壓一定，則通過(guò)電熱絲的電流一定，每隔一定的時(shí)間測(cè)出煤油的溫度.研究煤油溫度升高的度數(shù)Δt與相應(yīng)通電時(shí)間的關(guān)系，可以推導(dǎo)出Q放與通電時(shí)間的關(guān)系.

圖1 實(shí)驗(yàn)電路圖

圖2 實(shí)物連接圖

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）向量熱器中注入100ml煤油，記下煤油的初始溫度.

（3）按電路圖連接電路，教學(xué)電源撥到6V擋.

（3）閉合教學(xué)電源的開(kāi)關(guān)，通電加熱，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，加熱過(guò)程中不斷輕輕攪拌，加熱30s，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，停止加熱，繼續(xù)輕輕攪拌，待溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定時(shí)讀數(shù)，記在表格中.

（4）重復(fù)上述步驟（3）做4次.

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，煤油溫度升高的值Δt與相應(yīng)通電時(shí)間t之間成正比令Δt＝K1t，又Δt與Q放成正比，令Δt＝K2Q放，則

式中K1，K2為常量.因此，可以得出結(jié)論，在導(dǎo)體的電阻、通過(guò)導(dǎo)體的電流一定時(shí)，電熱Q放與通電時(shí)間t成正比.

電熱Q放與通電時(shí)間t成正比的關(guān)系也可以從理論上證明，即Q放＝W電＝Pt，式中P是量熱器的電功率，P一定，因此，產(chǎn)生的電熱Q放與通電時(shí)間t成正比.

4 探究電熱與電流的關(guān)系

4.1 實(shí)驗(yàn)電路及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，實(shí)物連接如圖2所示.將量熱器接上電源，加熱煤油.電熱絲的電阻一定，改變電源的輸出電壓就改變了通過(guò)電熱絲的電流.多次測(cè)量算出電阻一定的電熱絲在通電時(shí)間相同而通過(guò)的電流不同的條件下加熱煤油時(shí)，煤油溫度升高Δt.研究Δt與電流的關(guān)系，可以推導(dǎo)出Q放與電流的關(guān)系.

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟（仍用圖2所示實(shí)驗(yàn)裝置繼續(xù)實(shí)驗(yàn)）

（1）記下煤油的初始溫度，教學(xué)電源撥到4.5V擋.

（3）閉合教學(xué)電源的開(kāi)關(guān)，通電加熱，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，加熱過(guò)程中不斷輕輕攪拌，加熱1min，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，停止加熱，繼續(xù)輕輕攪拌，待溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定時(shí)讀數(shù)，算出升高的溫度Δt，記入表格.

（3）教學(xué)電源撥到6V擋，重復(fù)步驟（3）.（4）教學(xué)電源撥到9V擋，重復(fù)步驟（3）.

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示.

表2 數(shù)據(jù)記錄

4.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

因此，可以得出結(jié)論，在導(dǎo)體的電阻、通電時(shí)間一定時(shí)，電熱Q放與電流I的平方成正比.

5 探究電熱與電阻的關(guān)系

5.1 實(shí)驗(yàn)電路及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前改裝兩個(gè)量熱器，將兩根相同的電熱絲并聯(lián)做為其中一個(gè)量熱器的發(fā)熱元件，將3根相同的電熱絲并聯(lián)做為另一個(gè)量熱器的發(fā)熱元件.經(jīng)測(cè)量單根電熱絲的電阻約2.5Ω.實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示.

圖3

實(shí)物連接如圖4所示.

圖4 實(shí)物連接圖

將3個(gè)量熱器串聯(lián)接上電源，加熱質(zhì)量和初溫相同的煤油.3個(gè)量熱器電熱絲的電阻值成倍數(shù)關(guān)系，通過(guò)的電流相同，測(cè)量算出在通電時(shí)間相同時(shí)各個(gè)量熱器中煤油升高的溫度Δt.研究Δt與電阻的關(guān)系，可以推導(dǎo)出Q放與電阻的關(guān)系.

5.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）3個(gè)量熱器中均加入100ml煤油，記下煤油的初始溫度.

（3）按電路圖連接電路，教學(xué)電源撥到9V擋.

（3）閉合教學(xué)電源的開(kāi)關(guān)，通電加熱，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，加熱過(guò)程中不斷輕輕攪拌，加熱1min，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，停止加熱，繼續(xù)輕輕攪拌，待溫度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定時(shí)讀數(shù)，分別算出3支溫度計(jì)升高的溫度Δt，記入表格.

5.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)記錄如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，Δt與R成正比，令Δt＝M1R，又令Δt＝M2Q放，其中M1，M2為常量.

因此，可以得出結(jié)論，在電流、通電時(shí)間一定時(shí)，電熱Q放與電阻R成正比.

6 注意事項(xiàng)

環(huán)境氣溫不同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有變化 .為減少誤差，要保證實(shí)驗(yàn)室不通風(fēng).電源電壓以不低于4.5V為宜，否則溫升不明顯.實(shí)驗(yàn)前要擰緊量熱器上緊固電熱絲的螺母.探究電熱與電阻的關(guān)系時(shí)，必須保證三個(gè)量熱器中煤油的質(zhì)量和初溫相同.為準(zhǔn)確讀數(shù)可通過(guò)放大鏡觀察溫度計(jì).