丁良峰

（南京師范大學蘇州實驗學校，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

物理是一門基于實驗的學科，實驗不僅是手段，更是獲得真實體驗，掌握、認識學科價值的重要途徑.在《義務教育物理課程標準（2022年版）》中指出要“通過實驗，了解焦耳定律”.這表明學習焦耳定律內(nèi)容時需要通過實驗探究形成科學認知.人教版物理九年級第18章第4節(jié)焦耳定律和蘇教版物理九年級第15章第3節(jié)電流的熱效應中分別采用了不同的設(shè)計思路進行探究.

人教版教材通過如圖1所示的電路設(shè)計實驗器材進行探究，電熱絲加熱空氣，利用空氣膨脹程度的差異使U型管中液體液面上升產(chǎn)生的高度差來判斷哪個電阻產(chǎn)生的熱量多.在實驗過程中，通過以下兩點研究產(chǎn)生的熱量差異：①保持電流和通電時間相同，接入電阻R1、R2不同；② 保持電阻R1、R2和通電時間相同，在R2上并聯(lián)一個相同的電阻使得通過R1、R2電流不同.實驗中不直接測電阻產(chǎn)生的熱量，而是把電熱多少表征為與密閉容器相連接的U型管兩邊產(chǎn)生的液面髙度差大小，高度差越大，證明電阻產(chǎn)生的熱量越大.

圖1

蘇教版教材中的實驗為兩個錐形瓶裝有相同量的煤油，放置大小不同的電阻絲，通電后電阻絲產(chǎn)生的熱量不同，煤油升高的溫度不同.通過溫度變化量來反映產(chǎn)生熱量.讓學生在觀察現(xiàn)象的基礎(chǔ)上探究，形成對焦耳定律的科學認識.新課程標準倡導教學方式多樣化，鼓勵教師創(chuàng)新教學方式、實驗設(shè)計，引導學生不斷探索，提高分析問題、解決問題的能力和科學思維能力.

2 變通控制變量，培養(yǎng)科學思維能力

科學思維能力是物理教學實踐中培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力，科學方法的應用是科學思維提升的表現(xiàn).探究焦耳定律實驗過程中用轉(zhuǎn)化法體現(xiàn)電能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，用控制變量法來探究各個物理量之間關(guān)系，厘清內(nèi)在聯(lián)系.

焦耳定律實驗是探究“通電導體產(chǎn)生的熱量Q放與通電導體的電流I、導體的電阻R及通電時間t之間的關(guān)系”.從而形成對焦耳定律Q＝I2Rt的理解.通電導體產(chǎn)生的熱量是電能轉(zhuǎn)為內(nèi)能，在實驗時Q放無法直接測量，需要轉(zhuǎn)化成其他物理量或者可視化的形式，如被加熱物體的狀態(tài)、體積或顏色變化等.根據(jù)能量守恒定律Q放＝Q吸，吸熱過程中因此可以通過測量溫度變化表征產(chǎn)生熱量的多少.采取控制變量的方式探究通電導體產(chǎn)生的熱量Q放與通電導體的電流I、導體的電阻R及通電時間t之間的關(guān)系：① 控制變量R、t，探究Q放與I的關(guān)系；② 控制變量I、t，探究Q放與R的關(guān)系；③ 控制變量I、R，探究Q放與t的關(guān)系.通過科學的實驗探究，學生結(jié)合對現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)的分析，推理論證，厘清各物理量之間的關(guān)系，認識焦耳定律的科學本質(zhì).

3 定性定量分析，創(chuàng)新實驗探究方案

結(jié)合現(xiàn)有的實驗器材進行了研究和改進，設(shè)計制作從定性演示到定量實驗的裝置，并進行實驗探究.

3.1 創(chuàng)新定性研究實驗

實驗裝置設(shè)計.為能夠直觀觀察，設(shè)計了圖2所示的電路，電阻大小為R1＝R3＝20Ω，R2＝10Ω.將電熱絲按S形安裝在刻好的亞克力板板槽中，涂滿傳熱效果較好的導熱硅脂（如圖3所示），在上面粘貼3片厚度為1 mm的云母片，并涂上45度感溫變色粉.

圖2 定性實驗電路圖

圖3 定性實驗裝置

實驗探究.使用外接電流源與接線柱相連，同時閉合開關(guān)，電流開始做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，隨著時間的變化，感溫變色粉逐漸開始由褐色變成橙色（如圖4所示），最終都變?yōu)槌壬?

圖4 定性實驗

實驗分析.① 隨著時間的增加，顏色逐漸變化；② 對比R1、R2構(gòu)成的串聯(lián)電路，電流和時間相同的情況下，R1＞R2，R1所對應的云母片上顏色變化快；③ 對比R1、R3構(gòu)成的并聯(lián)電路，電阻和時間相同的情況下，I2＞I1，R3所對應的云母片上顏色變化快.從3個角度可以得出結(jié)論：時間越長，產(chǎn)生的熱量越多；電流越大，產(chǎn)生的熱量越多；電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多.該裝置操作簡單，只需要連接電源調(diào)節(jié)電流即可進行實驗；實驗器材選用導熱效果好的硅脂和云母片，感溫變色粉顏色變化非常明顯，具有直觀可視的效果.

3.2 創(chuàng)新定量研究實驗

科學思維能力的培養(yǎng)是運用實證數(shù)據(jù)分析實物內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者問題的內(nèi)在聯(lián)系，領(lǐng)悟?qū)嶒炈枷敕椒?，技能與思維協(xié)同發(fā)展.在定性實驗研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化實驗設(shè)計，對影響電流熱效應的因變量熱量Q放，自變量電流I、電阻R和時間t進行數(shù)據(jù)采集，采用控制變量分方式實驗、分析因變量和自變量之間的關(guān)系，可以對規(guī)律形成科學認知.

實驗裝置設(shè)計.電路原理圖仍為圖2，在器材設(shè)計上進行改進，測量電流、溫度、時間均使用數(shù)碼表；加熱部分改為可以更換的電熱絲（阻值為4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω）；被加熱物選擇比熱小、導熱效果好且絕緣的煤油，放置在塑料瓶中，中間插入的熱敏電阻與數(shù)碼溫度計相連；所有器件安裝在一塊白色的亞克力板上，使用銅箔膠帶連接電路（如圖5所示）.

圖5 定量實驗裝置

實驗探究.定量實驗裝置將實驗過程中的物理量以數(shù)據(jù)的形式來呈現(xiàn)，既可以讓學生通過觀察3個塑料瓶中煤油被加熱時對應的溫度變化，形成初步認識，也可以使用1個或2個串聯(lián)的形式進行控制變量實驗.下面以2個串聯(lián)的方式進行實驗.

（1）安裝電熱絲電阻為4Ω和10Ω的2個加熱瓶，加熱時間為50 s時，探究溫度變化ΔT與電流（I2）的關(guān)系.實驗研究的數(shù)據(jù)如表1，其關(guān)系圖如圖6.

表1 R＝4Ω和10Ω，t＝50 s ΔT與I 2的關(guān)系

圖6 ΔT與電流（I 2）的關(guān)系

（2）分別安裝電熱絲電阻為4Ω、6Ω、8Ω、10Ω、12Ω、14Ω的加熱瓶，通電電流1.0 A，加熱時間為50 s時，溫度變化ΔT與電熱絲電阻R的關(guān)系。實驗研究的數(shù)據(jù)如表2，其關(guān)系圖如圖7.

表2 I＝1.0 A，t＝50 s，ΔT與R的關(guān)系

圖7 溫度變化ΔT與電熱絲電阻R的關(guān)系

（3）安裝電熱絲電阻為6Ω、8Ω的加熱瓶，通電電流為1.0 A，探究溫度T與加熱時間t的關(guān)系.實驗研究的數(shù)據(jù)如表3，其關(guān)系圖如圖8.

表3 I＝1.0 A，R＝6Ω和8Ω t與T的關(guān)系

圖8 溫度T與加熱時間t的關(guān)系

實驗分析.通過上述3組實驗進行分析：① 電阻和加熱時間不變時，溫度變化量ΔT與電流I2成正比；② 電流I和時間t不變時，溫度變化ΔT與電阻R成正比；③ 電阻和電流不變時，溫度T與時間t成正比.根據(jù)Q放∝ΔT，可得出，Q放∝I2、Q放∝R、Q放∝t，從而驗證Q＝I2Rt.該實驗裝置在忽略加熱瓶對溫度變化影響的情況下進行實驗探究，使用溫度傳感器和數(shù)字電流表精度高、誤差小，使實驗更加嚴謹.從實驗結(jié)果來看，所測得的數(shù)據(jù)符合線性關(guān)系.通過探究實踐、數(shù)據(jù)分析可以讓學生形成科學認識，充分理解焦耳定律.

物理的學習要注重科學探究，提高分析問題、解決問題的實踐本領(lǐng)和科學思維能力.在教學實踐過程中，教師以教材中的演示實驗為基礎(chǔ)進行創(chuàng)新設(shè)計，在潛意識中啟發(fā)學生進行創(chuàng)新.定性分析是科學探究的前提和方向，定量研究可以驗證物理規(guī)律歸屬，從定性研究到定量分析的過程是科學探究的過程.通過實驗探究、分析論證、批判質(zhì)疑、科學推理等過程.從實驗現(xiàn)象到物理本質(zhì)，從定性觀察分析到定量研究分析，科學認識物理原理，理解科學本質(zhì).在實驗探究過程中，培養(yǎng)學生的科學思維，切實提高學生物理學科的關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng).