劉世水

摘? 要：針對(duì)現(xiàn)有教材在演示焦耳定律時(shí)設(shè)計(jì)方案存在不足，以及實(shí)驗(yàn)室配置的焦耳定律演示器存在缺陷，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)和自制，可大大增強(qiáng)可視性，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，滿足定性和定量探究要求，有效提高課堂演示和探究效率。

關(guān)鍵詞：焦耳定律演示器;器材改進(jìn);儀器制作

“焦耳定律實(shí)驗(yàn)”是初中物理驗(yàn)證性演示實(shí)驗(yàn)，目前教材設(shè)計(jì)方案存在不足，實(shí)驗(yàn)室配置的演示器也存在著一定缺陷。通過改進(jìn)和自制演示器，可以有效增強(qiáng)可視性，滿足定性和定量探究要求，有效提高課堂演示和探究效率。

1? ? 早期教材實(shí)驗(yàn)方案的不足和現(xiàn)有配置器材的缺陷

1.早期滬科版初中物理教材設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案存在以下不足：

（1）加熱煤油時(shí)間長(zhǎng)，散熱時(shí)間更長(zhǎng)，教師難以當(dāng)堂完成教學(xué)任務(wù);

（2）水銀溫度計(jì)溫度顯示可視性差;

（3）煤油不易購(gòu)買到。

2.實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有配置器材的缺陷

圖1為現(xiàn)今多數(shù)學(xué)校配置的焦耳定律演示器。該演示器通過空氣的熱膨脹推動(dòng)U型管中的液面上升，根據(jù)兩個(gè)U型管中的液面高度差大小來判斷哪個(gè)電阻產(chǎn)生的熱量多。該演示器雖然在加熱時(shí)間上有了較好的突破，但仍存在一些突出問題：①氣密性要求高，常常因膠管老化、密封性差等原因，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗;②散熱效果差;③可視效果不夠好;④只能進(jìn)行定性探究，無法進(jìn)行定量探究。

2? ? 器材的改進(jìn)和自制

針對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案的不足及配置器材存在的缺陷，筆者進(jìn)行以下幾點(diǎn)改進(jìn)：①采用一體化方式重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置;②改加熱煤油為加熱空氣;③儲(chǔ)氣盒的后蓋板采用活動(dòng)式;④采用大屏幕LED溫度計(jì)。

改進(jìn)的實(shí)物模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)裝置由儲(chǔ)氣盒（LED溫度計(jì)探頭放入儲(chǔ)氣盒內(nèi)）、電熱絲、LED溫度計(jì)、電流表、活動(dòng)式蓋板、隔熱棉、接線柱、電源插座和直流電源等組成。

改進(jìn)教具的底板和儲(chǔ)氣盒采用5 mm乳白色亞克力板制成，底板寬、高分別為30 cm和40 cm，儲(chǔ)氣盒長(zhǎng)、寬、高分別為9 cm、9 cm、6 cm，內(nèi)表面貼一層隔熱棉。儲(chǔ)氣盒的后蓋做成活動(dòng)式，蓋子通過強(qiáng)磁片吸附在儲(chǔ)氣盒上，可取下。加熱電阻用電爐絲制作， （6 V，2 A）直流電源插頭通過電源插座相連為演示器供電，溫度計(jì)采用帶感應(yīng)探頭的大屏幕LED溫度計(jì)，LED屏幕的尺寸為95 mm×30 mm。感應(yīng)探頭（內(nèi)含熱敏電阻）放入儲(chǔ)氣盒內(nèi)，電流表采用量程為1 A的指針式直流電流表。改進(jìn)后的裝置電路原理圖如圖3所示。

閉合電源開關(guān)K1，電子溫度計(jì)工作，測(cè)出儲(chǔ)氣盒內(nèi)空氣的初始溫度。再閉合加熱開關(guān)K2，電流通過加熱電阻產(chǎn)生熱量，加熱儲(chǔ)氣盒內(nèi)的空氣，可直觀顯示儲(chǔ)氣盒內(nèi)的空氣溫度。電阻產(chǎn)生的熱量越多，溫度計(jì)示數(shù)升得越高。完成一次實(shí)驗(yàn)步驟后，切斷電源，打開儲(chǔ)氣盒后蓋板，盒內(nèi)熱空氣可以迅速排出，盒內(nèi)空氣急劇降溫，方便完成下一實(shí)驗(yàn)。

3? ? 改進(jìn)裝置可完成的探究實(shí)驗(yàn)

在控制變量的前提下，可將研究電流產(chǎn)生熱量大小的問題，轉(zhuǎn)換為研究溫度計(jì)示數(shù)變化大小的問題，增強(qiáng)直觀性。

3.1? ? 探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系

儲(chǔ)氣盒內(nèi)電路如圖4所示，R1=2R2=10 Ω（R2由R'2、R''2并聯(lián)而成），將電阻R1、R2串聯(lián)后放入儲(chǔ)氣盒內(nèi)，閉合K1、K2，兩電阻分別加熱兩盒內(nèi)的空氣。

探究發(fā)現(xiàn)，加熱空氣升溫很快，加熱2分鐘，盒1、盒2內(nèi)的空氣溫度分別升高了10.0 ℃和19.7 ℃，電阻大的，電流產(chǎn)生的熱量多。升高相同溫度，加熱空氣與加熱200 g煤油相比，可節(jié)省加熱時(shí)間大約80%以上。

3.2? ? 探究電流產(chǎn)生的熱量與電流大小的關(guān)系

按圖3連接電路，R1=R2=R3=10 Ω，電阻R2與R3并聯(lián)后與R1串聯(lián)，將R1、R2分別放入儲(chǔ)氣盒1、2中（R3放在儲(chǔ)氣盒外），I1=2I2。

探究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成的折線圖如圖5所示，通電時(shí)間和電阻相同時(shí)，通過R1的電流大，盒1內(nèi)空氣溫度明顯比盒2內(nèi)空氣溫度升得高，且兩盒內(nèi)空氣溫度升高比值（△t1/△t2）約為3.7，接近理論值4（I1=2I2），說明隔熱效果良好，可滿足定量探究的需求。

3.3? ? 探究電流產(chǎn)生的熱量與通電時(shí)間的關(guān)系

通過前面的實(shí)驗(yàn)可得出相應(yīng)結(jié)論，在此不贅述。

4? ? 改進(jìn)裝置優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)裝置采用一體化和儲(chǔ)氣盒后蓋板活動(dòng)式設(shè)計(jì)，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，空氣加熱快，散熱也快（注：打開后蓋板，可讓盒內(nèi)空氣溫度短時(shí)間內(nèi)降低到室溫），可視性好，演示效果好，可附加進(jìn)行焦耳定律實(shí)驗(yàn)的定量探究。

（欄目編輯? ? 王柏廬）