張運昌
【摘要】 “焦耳定律”是初中物理教學的重點和難點,是一項以實驗為基礎(chǔ)、以設計為綱領(lǐng)、以創(chuàng)新為基準的教學內(nèi)容。本文主要對“焦耳定律”的教學設計以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)進行探析,期望對以后的物理教學提供一定的參考依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】 焦耳定律 教學設計 創(chuàng)新能力
【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711(2018)11-250-01
焦耳定律是初中物理學習中的主要定律之一,它是英國科學教焦耳在1841年發(fā)現(xiàn)的,為了紀念這位偉大的科學家特將此定律命名為“焦耳定律”。焦耳定律是能量守恒定律中電能與內(nèi)能之間轉(zhuǎn)化的具體表現(xiàn),在實際教學中,要以電工及電功率為基礎(chǔ)進行教學,這樣學生會更加容易的理解焦耳定律的內(nèi)涵、作用及實驗應用。
一、學情分析
在生活中,我們隨時都會用到電器,如電飯鍋、電水壺、電熱毯等,這些電器的主要特點都是在通電后將電器加熱,這就表明電器工作過程中是將電能轉(zhuǎn)化成熱能的一個過程,熱能的產(chǎn)生是分子運動的結(jié)果,其通常也被成為內(nèi)能。焦耳定律主要是由實驗推斷出來的結(jié)論,是一項定量的、邏輯性很強的應用型物理定律,因此,在學習中,要以原理為基礎(chǔ)來引導學生對焦耳定律的理解,要多列舉一些實驗及生活中的實例,讓學生理解焦耳定律的原理。
二、通過理論教學理解焦耳定律及其應用
通過理論教學來引導學生理解焦耳定律及其應用是教學的必要手段,其教學內(nèi)容主要包括以下幾方面:一是結(jié)合實際生活來理解焦耳定律。在理論教學中,教師可以通過生活實例來啟發(fā)學生的焦耳定律的認識,例如電飯鍋在工作時產(chǎn)生的熱量與那些因素有關(guān)?電動機通電發(fā)熱、轉(zhuǎn)動與那些因素有關(guān)?這些因素與熱能分別是什么關(guān)系?弄懂了這些問題,也就理解了焦耳定律并且會實際運用。二是焦耳定律公式的推導。焦耳定律公式是電功公式和歐姆定律推導出來的,具體推導過程如下:Q=W=pt=UIt,其中歐姆定律U=IR,即Q=W=Pt=UIt=(IR)It=I2Rt,這個公式是計算焦耳熱的最基本的公式。由于電器產(chǎn)生熱能分為兩種方式,一種是純電阻電路,另一種是非純電阻電路,純電阻電路是能將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能的電路,比如電飯鍋、電磁爐、電燈等等,它們只發(fā)熱不運動,非純電阻電路是指那些通電后電能一部分轉(zhuǎn)化為電能,一部分轉(zhuǎn)化為機械能或其它形式能的電路,如電風扇、發(fā)動機等,焦耳定律的基本公式對于這兩種電路都適用,除此之外,對于純電阻電路還可用焦耳定律的基本公式Q=I2Rt和歐姆定律公式U=IR推出Q=IUt或Q=U2/R,但非純電阻電路由于能量的分化,電流與電阻的乘積不再是電壓的總和,而只是電壓的一部分,因此非純電阻電路不能由焦耳定律個歐姆定律推導出的公式進行計算,如果非電阻電路消耗的能量是熱能和其他能量的總和W,則W=IUt,表示電流做功。以上公式的推導及應用要求學生要理解掌握,根據(jù)不同的內(nèi)容運用不同的公式。三是在應用焦耳定律時要注意方法的靈活使用。例如在額定電壓、額定功率相同的電池、電磁爐、電風扇,在工作了相同時間后,哪一種電器產(chǎn)生的熱量最多?這就要求學生要靈活掌握焦耳定律的應用,電池在放電時是將化學能轉(zhuǎn)化為電能,在充電時是將電能轉(zhuǎn)化為化學能,電磁爐是將電能全部轉(zhuǎn)化成熱能,而電風扇在工作時電能一部分轉(zhuǎn)化為了熱能、一部分轉(zhuǎn)化成了機械能,因此電磁爐產(chǎn)生的熱能最多。這是最基礎(chǔ)的應用方法,要求學生在接觸復雜的問題時一定分清題目的原理,再進行解答。
三、焦耳定律的實驗教學
實驗教學是焦耳定律學習的重點,通過實驗演示,可以讓學生更直觀的探究出知識的原理,因此,對于實驗的設計要合理、嚴謹、全面。教材中的常規(guī)實驗方式是將兩個帶有一大一小兩個不同電阻絲的燒杯裝滿煤油并用膠塞密閉,并將兩個玻璃管插入膠塞中,再串聯(lián)上電源、開關(guān)、電流表和滑動電阻,具體步驟如下:第一步驗證I和t相同情況下,熱量和電阻的關(guān)系。將串聯(lián)電路的電源接通,比較二個燒杯中的煤油高度,實驗結(jié)果是電阻絲大的燒杯中煤油上升得快;第二步驗證R和t相同的情況下,熱量與電流的關(guān)系。將第一步中煤油高度降回原來的位置,再調(diào)節(jié)滑動電阻,通電時間相同,并加大電流,比較第一步中煤油上升快的燒杯和第二步中的同樣燒杯中的煤油高度,實驗結(jié)論表明同樣的燒杯中,第二次加大電流后,熱量產(chǎn)生的多。但這個基礎(chǔ)實驗由于存在裝置復雜、實驗過程慢,不能同時演示熱量與電阻、電流之間的關(guān)系等原因不斷的被改進,實驗改進方式如下:取2個相同的燒杯a、b分別放入一根小于10歐姆的電阻絲,且Ra>Rb,并在燒杯中密閉等量的空氣,把兩個U型管并排擺放,從a密閉的容器接出一根導管與左邊的U型管左邊口連接好并密封,從b密閉的容器接出一根導管與右邊的U型管右邊口連接好并密封,最后把兩個密封容器中的電阻串聯(lián)起來,組成一個簡單閉合的電路。實驗具體過程如下:觀察接通電路之前,水平面的高度差是一樣的。但是接通電源之后,密封容器與U型管相連的一端水平面會下降,而另一端水平面會上升,并隨著時間的增加水平面的高度差逐漸增大,這就驗證了R和I相同的情況下,熱量會隨著時間的增加而增加,因此時間與熱量成正比。同時在實驗過程中也能觀察到兩個U型管上升的水平面的高度也不一樣,實際情況與a密閉的容器相連的U型管水面上升的更快一些,這就證明I和t相同的情況下,熱量隨電阻的增加而增加,因此電阻與熱量也成正比。
總之,焦耳定律在生活中的應用非常廣泛,在教學過程中通過巧妙的教學設計以及嚴謹規(guī)范的實驗驗證,并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,將理論聯(lián)系實際,從多方面詮釋焦耳定律的實際意義,便于學生在以后學習中的靈活應用。
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