初中焦耳定律教學(xué)的重要補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

陳青

(北京市朝陽區(qū)教育研究中心附屬學(xué)校北京100016)

楊雄生

(北京教育學(xué)院朝陽分院北京100026)

收稿日期：(2014-08-19)

大家知道，使用任何用電器，其發(fā)熱量只取決于其電流、電阻和通電時(shí)間，這就是焦耳定律.

在提倡“探究性教學(xué)” 的今天，初中焦耳定律的教學(xué)，通常在“引入新課實(shí)驗(yàn)”之后，教師引導(dǎo)學(xué)生猜想電流通過用電器產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān).

學(xué)生根據(jù)已有的知識一般會猜想并提出：與電流、電壓、電阻和通電時(shí)間有關(guān).

如何從上述4個(gè)因素引導(dǎo)學(xué)生歸納出：電流通過用電器產(chǎn)生的熱量只與電流、電阻和通電時(shí)間有關(guān)，而不考慮電壓這個(gè)因素呢.

有的教師說,“電流、電壓、電阻這3個(gè)物理量已經(jīng)被歐姆定律‘管住了’，因此我們只討論電熱與電流、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系就可以了，不用考慮電壓了.”

如果此說法成立，會引出兩個(gè)問題：

其一，既然電流、電壓、電阻這3個(gè)物理量已經(jīng)被歐姆定律“管住了”，因此我們只討論電熱與電壓、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系就可以了，不用考慮電流了，行嗎？答案顯然是否定的！

其二，初中學(xué)習(xí)的歐姆定律永遠(yuǎn)成立嗎？如果初中學(xué)習(xí)的歐姆定律不成立時(shí)，電流通過用電器產(chǎn)生的熱量取決于電流還是取決于電壓呢？

為解決上述問題，我們設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)1：認(rèn)識電動機(jī)電路——說明初中學(xué)習(xí)的歐姆定律有時(shí)會不成立.

將如圖1所示的小電動機(jī)接在電壓為3 V的穩(wěn)壓電源上，看到電動機(jī)轉(zhuǎn)動，說明電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.

圖1　用于演示的小電動機(jī)

提問：這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電源3 V，電動機(jī)的電阻大約6 Ω，請同學(xué)估算電路中的電流多大？

學(xué)生一般用歐姆定律估算出電路中的電流為0.5 A.

用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)估算是否正確，在電路中串聯(lián)電流表.

結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電動機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，電流只有0.05 A，不是0.5 A——學(xué)生很驚訝！

這時(shí)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：在含電動機(jī)的電路中，這種有電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的情況下，初中學(xué)習(xí)的歐姆定律不成立！

師：我們還可以用食指和拇指來影響電動機(jī)的轉(zhuǎn)動情況，來看看電流有何變化？

發(fā)現(xiàn)：電壓不變的情況下，通過電動機(jī)的電流大小和電動機(jī)轉(zhuǎn)動的情況有關(guān).

如果用食指和拇指將電動機(jī)捏死，不讓它轉(zhuǎn)動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這時(shí)電流倒是0.5 A.

奇怪！電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，這時(shí)歐姆定律反而成立了！為什么？

因?yàn)椋妱訖C(jī)不轉(zhuǎn)動，沒有機(jī)械能輸出，不成為電動機(jī)了，不轉(zhuǎn)動的電動機(jī)就相當(dāng)于導(dǎo)體，所以歐姆定律成立.

那么，電動機(jī)工作時(shí)，發(fā)熱量多少是和電流有關(guān)還是和電壓有關(guān)呢？

為此，再做兩個(gè)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)2:探究電動機(jī)工作時(shí)，發(fā)熱量和電流的關(guān)系——兩臺電動機(jī)并聯(lián)的實(shí)驗(yàn).

圖2　兩臺電動機(jī)并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)情況如圖2所示.圖2(a)為實(shí)驗(yàn)的電路圖.圖2(b)為實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖，其中電源為3 V的穩(wěn)壓電源；P,Q為兩個(gè)如圖1所示的電動機(jī)；M,N為測量電動機(jī)發(fā)熱量的數(shù)字溫度計(jì).發(fā)熱量的測量方法是，將數(shù)字溫度計(jì)的測溫泡用相同方式貼在電動機(jī)的外殼上(用透明膠帶捆上)，如圖2(c)所示，用溫度的升高量來表示電動機(jī)發(fā)熱量的多少.

實(shí)驗(yàn)情況如下：

當(dāng)電源電壓保持3 V不變，兩部電動機(jī)都空轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)電流表的示數(shù)都是0.05 A，歷時(shí) 1.5 min左右，兩臺數(shù)字溫度計(jì)的溫升差異不大，說明兩臺電動機(jī)的發(fā)熱量差別不大.

當(dāng)電源電壓仍保持3 V不變，一部電動機(jī)空轉(zhuǎn)，另一部電動機(jī)用食指和拇指將其捏死，不讓它轉(zhuǎn)動，這時(shí)，連接空轉(zhuǎn)電動機(jī)的電流表示數(shù)仍為0.05 A，連接卡死電動機(jī)的電流表示數(shù)為0.5 A，也歷時(shí) 1.5 min左右，兩臺數(shù)字溫度計(jì)的溫升差異較大：空轉(zhuǎn)電動機(jī)的溫升約為18.8～18.1°C，卡死電動機(jī)的溫升為21.1～18.1°C.

第二次實(shí)驗(yàn)說明，并聯(lián)電壓相同，兩臺相同的電動機(jī)，電阻相同，通電時(shí)間也相同，電流大的電動機(jī)，發(fā)熱量也大.說明用電器工作時(shí)，發(fā)熱量和電流有關(guān).

能否再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，來說明電動機(jī)工作時(shí)，其發(fā)熱量和電壓有何關(guān)系？

實(shí)驗(yàn)3:探究電動機(jī)工作時(shí)，發(fā)熱量和電壓的關(guān)系——兩臺電動機(jī)串聯(lián)的實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3(a)，實(shí)物圖如圖3(b)所示，測量電動機(jī)溫升的方法和實(shí)驗(yàn)2相同.

圖3　兩臺電動機(jī)串聯(lián)的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)情況如下：

當(dāng)電源電壓保持6 V不變，兩部電動機(jī)都空轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)電壓表的示數(shù)都是3 V，歷時(shí) 1.5 min左右，兩臺數(shù)字溫度計(jì)的溫升差異不大，說明兩臺電動機(jī)的發(fā)熱量差別不大.

當(dāng)電源電壓仍保持6 V不變，一部電動機(jī)空轉(zhuǎn)，另一部電動機(jī)用食指和拇指將其捏死，不讓它轉(zhuǎn)動，這時(shí)，空轉(zhuǎn)電動機(jī)的電壓表示數(shù)為5.7 V，卡死電動機(jī)的電壓表示數(shù)為0.3 V.

實(shí)驗(yàn)證明，也歷時(shí) 1.5 min左右，兩臺數(shù)字溫度計(jì)的溫升差異不大，空轉(zhuǎn)電動機(jī)的溫升約為18.7～18.3°C，卡死電動機(jī)的溫升為18.8～18.5°C.

第二次實(shí)驗(yàn)說明，串聯(lián)電路中通過用電器的電流相同，兩臺相同的電動機(jī)，電阻相同，通電時(shí)間也相同，電壓雖然相差19倍，但發(fā)熱量相差不大.說明用電器工作時(shí)，發(fā)熱量和電壓關(guān)系不大.理論研究證明，含電動機(jī)電路發(fā)熱量與電壓無關(guān).

上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)說明，對于含電動機(jī)的電路，歐姆定律不成立！這時(shí)發(fā)熱量和電流有關(guān)，和電壓無關(guān).

因此，研究使用用電器的發(fā)熱量時(shí)，只討論和用電器的電阻、通過的電流和通電時(shí)間的關(guān)系，而不討論和電壓的關(guān)系.

幾點(diǎn)說明：

(1)上述實(shí)驗(yàn)整個(gè)展示過程，需要15 min.該實(shí)驗(yàn)可以拓寬學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生的思維，倡議作為可有可無的“零級教學(xué)目標(biāo)”，引入初中“焦耳定律”的教學(xué)之中.

初中焦耳定律的教學(xué)，沒有如此深入的要求，也可以不引入正課的教學(xué)中.但可以作為初中“研究性學(xué)習(xí)”的內(nèi)容，讓學(xué)生研究，以拓寬學(xué)生的視野，啟發(fā)學(xué)生的思維.

本文實(shí)驗(yàn)的電動機(jī)和溫度傳感器，我們在網(wǎng)上購買分別是5元和8元，將其作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，費(fèi)用并不高.

(2)本文作者陳青以這個(gè)實(shí)驗(yàn)參加北京市第三屆中學(xué)物理教師實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新大賽，獲得初中組的一等獎.

(3)北京物理學(xué)會高中物理教學(xué)專題組，曾對本文實(shí)驗(yàn)開展討論，有如下兩點(diǎn)意見：

其一，讓電動機(jī)不轉(zhuǎn)的卡死實(shí)驗(yàn)，是破壞性的實(shí)驗(yàn)，不宜在課堂上向?qū)W生展示.

我們認(rèn)為，在生產(chǎn)、生活中，為了深入研究某些問題，也專門做些破壞性的實(shí)驗(yàn)，例如高級小汽車的撞墻實(shí)驗(yàn).

還有，只有大型的電動機(jī)，其內(nèi)阻較小，卡死時(shí)，會燒壞電動機(jī)，我們實(shí)驗(yàn)中使用的小電動機(jī)，內(nèi)阻較大，不會燒壞電動機(jī).

由于空轉(zhuǎn)和卡死是電動機(jī)差別最大的工作狀態(tài)，而且最好操作，所以，我們采用這兩個(gè)狀態(tài)來做對比實(shí)驗(yàn).

但是，我們認(rèn)為，在本實(shí)驗(yàn)之后，應(yīng)該向?qū)W生特別地說明，電動機(jī)不轉(zhuǎn)的卡死實(shí)驗(yàn)是破壞性的實(shí)驗(yàn)，對于我們實(shí)驗(yàn)用的小電動機(jī)電流增大不會發(fā)生燒毀，如果是大型電動機(jī)，發(fā)生卡死不轉(zhuǎn)現(xiàn)象，會很快燒毀電動機(jī)，發(fā)生此現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該立即切斷電源保護(hù)電動機(jī)，對學(xué)生進(jìn)行安全教育.為節(jié)省篇幅，本文沒有闡述這個(gè)內(nèi)容，在此補(bǔ)充說明.

其二，用圖2(c)的方法，測量電動機(jī)的溫升，以此說明其發(fā)熱量，這個(gè)方法有問題！這里測量的是電動機(jī)總發(fā)熱量，除了轉(zhuǎn)子電阻的焦耳熱外，還有轉(zhuǎn)軸克服摩擦，由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱量.

我們承認(rèn)這是我們尚無法克服的問題.至今為止，尚無法找到只測量轉(zhuǎn)子的焦耳熱，而排除轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生熱量的簡易實(shí)驗(yàn)方法.

這個(gè)理論上的“缺陷”，對于兩臺電動機(jī)并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)不會成為問題，因?yàn)榭ㄋ啦晦D(zhuǎn)的電動機(jī)，沒有摩擦產(chǎn)生的熱量，它產(chǎn)生的熱量，反而比有空轉(zhuǎn)有摩擦熱量的電動機(jī)產(chǎn)生的熱量還多，所以，此實(shí)驗(yàn)沒有“致命傷”.

可是，對于兩臺電動機(jī)串聯(lián)的實(shí)驗(yàn)卻是有影響的，因?yàn)榭ㄋ啦晦D(zhuǎn)的電動機(jī)，沒有摩擦產(chǎn)生的熱量，它產(chǎn)生的熱量，比有空轉(zhuǎn)電動機(jī)(其中有摩擦產(chǎn)生的熱量)產(chǎn)生的熱量少.只是，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間不長的情況下，兩者相差不太大，將摩擦產(chǎn)生的熱量作為次要因素，不提出來而已.我們是用“理論研究證明，電動機(jī)電路發(fā)熱量與電壓無關(guān)”來過渡的.

對于生源較好的學(xué)校，可以將本實(shí)驗(yàn)作為“研究性學(xué)習(xí)”的素材開展仔細(xì)研究，在時(shí)間較短時(shí)，兩者產(chǎn)生的熱量相差不多；在時(shí)間較長時(shí)，實(shí)驗(yàn)會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)電動機(jī)發(fā)熱量比卡死電動機(jī)發(fā)熱量多，討論為什么，可以提出轉(zhuǎn)動軸摩擦產(chǎn)生的熱量，這樣使問題更為完善，不留缺陷.

本文僅是我們對初中焦耳定律教學(xué)的思考和建議，提出來和同行討論，不妥之處請斧正！