◎湖北省十堰市竹溪縣城關(guān)初級(jí)中學(xué) 劉永樹 徐光喜

焦耳定律是人教版九年級(jí)物理教材中的重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中演示焦耳定律的裝置存在漏氣、使用的電源電流較小等問(wèn)題，故絕大多數(shù)學(xué)校棄之不用，導(dǎo)致許多教師在教學(xué)焦耳定律時(shí)面臨無(wú)實(shí)驗(yàn)器材可用的情況，將鮮活的探究實(shí)驗(yàn)變成單純地講實(shí)驗(yàn)，課堂教學(xué)效果大打折扣。

如何改進(jìn)已有的焦耳定律演示裝置，使其“起死回生”呢？

教材中的焦耳定律實(shí)驗(yàn)

教材中焦耳定律演示裝置的電阻置于密閉容器內(nèi)，U形玻璃管連接密閉容器，如圖1所示?？諝馕鼰岷篌w積增大、壓強(qiáng)增大，從而推動(dòng)U形玻璃管中的指示液面上升，液面上升的高度反映電流通過(guò)電阻做功產(chǎn)生熱量的多少。

圖1 教材中的焦耳定律演示裝置

基于教材初次改進(jìn)裝置

1.加強(qiáng)裝置的氣密性

焦耳定律演示裝置對(duì)氣密性要求很高。我們用水檢查裝置的氣密性，對(duì)漏氣部位進(jìn)行密封處理：先卸下塑料盒面板上的螺釘，再卸下塑料盒與接線柱上的螺釘，然后在接線柱與塑料盒內(nèi)打上熱熔膠，迅速將接線柱和接線柱螺釘接上并旋緊，最后在接線柱與塑料盒相接處外面打上熱熔膠密封。

之后，我們又用水檢查裝置的氣密性，直到裝置不漏氣為止，確保裝置在焦耳定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)能正常使用。

2.選用優(yōu)質(zhì)發(fā)熱電阻

發(fā)熱電阻被密封在塑料盒內(nèi)，如果發(fā)熱電阻質(zhì)量不過(guò)關(guān)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很容易被燒毀，導(dǎo)致整個(gè)裝置報(bào)廢。因此，選用優(yōu)質(zhì)電阻是改進(jìn)裝置的關(guān)鍵。

我們購(gòu)買多個(gè)10 W水泥電阻，電阻為：R1＝5Ω，R2＝R3＝R4＝10Ω。將水泥電阻一一接入24 V電源，通電半分鐘后，觀察水泥電阻發(fā)熱情況。如果水泥電阻沒(méi)有裂開，也沒(méi)有任何液體滲出，人手靠近電阻時(shí)能感受到溫度，說(shuō)明這些水泥電阻是符合要求的優(yōu)質(zhì)電阻。如果在加熱時(shí)，電阻裂開或有油樣液體滲出，應(yīng)棄用這些水泥電阻，選擇優(yōu)質(zhì)水泥電阻。

3.改裝實(shí)驗(yàn)電路

如圖2所示，我們將兩個(gè)U形玻璃管、開關(guān)S2、電阻R4固定在塑料板上，用導(dǎo)線將各接線柱連接起來(lái)。用一個(gè)電路代替教材中的兩個(gè)電路，如圖3所示，讓實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單。

圖2 初次改進(jìn)后的焦耳定律演示裝置

圖3 焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)電路

4.增大電源電壓

教材中焦耳定律演示裝置使用的電源最高電壓僅為12 V。在冬天進(jìn)行焦耳定律演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果電阻發(fā)熱功率太小，熱輻射造成的熱損失很大，U形玻璃管內(nèi)液面幾乎不上升，實(shí)驗(yàn)就會(huì)失敗。

我們將12 V學(xué)生電源改為12 V蓄電池或24 V學(xué)生電源，完成探究實(shí)驗(yàn)只需1分鐘左右，大大縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。

實(shí)驗(yàn)演示：

探究電熱與電阻的關(guān)系：

打開橡皮管上的止水夾，用注射器向U形玻璃管緩慢加水，使U形玻璃管兩液面齊平。

用止水夾將橡皮管夾住，閉合開關(guān)S1，斷開開關(guān)S2。在電流和通電時(shí)間一定時(shí)，R2所在的U形玻璃管兩液面高度差比R1所在的U形玻璃管兩液面高度差大，可見R2產(chǎn)生的熱量比R1產(chǎn)生的熱量多。這說(shuō)明在電流和通電時(shí)間一定時(shí)，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。

探究電熱與電流的關(guān)系：

打開橡皮管上的止水夾，斷開開關(guān)S1和S2，水位很快恢復(fù)至初始狀態(tài)。用R3換下R1，閉合開關(guān)S1和S2，將R4連入電路。在電阻和通電時(shí)間一定時(shí)，R3所在的U形玻璃管兩液面高度差比R2所在的U形玻璃管兩液面高度差大，說(shuō)明R3產(chǎn)生的熱量比R2產(chǎn)生的熱量多。

另辟蹊徑再次改進(jìn)裝置

Bcw1-678規(guī)格的測(cè)溫貼片在常溫下顏色均為白色；當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，左邊測(cè)溫貼片的顏色由白色變?yōu)辄S色；當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，中間測(cè)溫貼片的顏色變?yōu)辄S色；當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，右邊測(cè)溫貼片的顏色變?yōu)榧t色。

圖4 規(guī)格為Bcw1-678的測(cè)溫貼片

我們用導(dǎo)線將3個(gè)水泥定值電阻（2個(gè)10Ω電阻、1個(gè)5Ω電阻）、24 V學(xué)生電源、秒表、開關(guān)等混聯(lián)，把3張規(guī)格為Bcw1-678的測(cè)溫貼片分別貼在3個(gè)水泥定值電阻的表面，如圖5所示。

圖5 再次改進(jìn)后的焦耳定律演示裝置

電阻通電后電阻的溫度升高，電阻表面的測(cè)溫貼片會(huì)隨電阻溫度的變化而變色，從而判斷電阻溫度升高的幅度，推測(cè)出電阻通電產(chǎn)生熱量的多少。

實(shí)驗(yàn)演示：

探究電熱與電流的關(guān)系：

閉合開關(guān)通電，比較水泥電阻R2和R3上的測(cè)溫貼片顏色變化程度（R2＝R3＝10 Ω）。我們發(fā)現(xiàn)：R3上的測(cè)溫貼片顏色依次變?yōu)辄S、綠、紅；R2上的測(cè)溫貼片顏色幾乎沒(méi)有變化，仍為白色。

結(jié)論：在電阻和通電時(shí)間相同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)體的電流越大，產(chǎn)生的熱量越多。

探究電熱與電阻的關(guān)系：

閉合開關(guān)通電，比較R1和R2上的測(cè)溫貼片顏色變化程度（R1＝5 Ω，R2＝10 Ω）。我們發(fā)現(xiàn)：R2上的測(cè)溫貼片顏色變黃變綠；R1的測(cè)溫貼片顏色幾乎沒(méi)有變化，仍為白色。

結(jié)論：在電流和通電時(shí)間相同時(shí)，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。

麥克斯韋曾說(shuō)：“一項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)使用的材料越簡(jiǎn)單，學(xué)生就越熟悉，就越想徹底地獲得所驗(yàn)證的結(jié)果，這種實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值往往與儀器復(fù)雜程度成反比?！备倪M(jìn)后的焦耳定律實(shí)驗(yàn)裝置使實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)單，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，方便得出焦耳定律結(jié)論，有利于學(xué)生理解定律內(nèi)容。此外，實(shí)驗(yàn)器材也容易獲取，組裝也很簡(jiǎn)單，還可提高學(xué)生的實(shí)踐能力。