探析有關焦耳定律實驗的五個問題

焦耳及焦耳定律簡介

焦耳簡介

英國物理學家焦耳做了大量實驗，於1840年最先精確地確定了電流產生的熱量跟電流、電阻和通電時間的關係電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。這個規律叫做焦耳定律( Joule law)

在物理實驗中，我們不僅要學會操作，而且還要學會實驗前的設計實驗和實驗後的交流評估這兩個環節。下面通過探討實驗中的一些問題，去感悟和領會怎樣去設計實驗和交流評估。

一、焦耳定律實驗的探究方法是控制變量法。

要設計實驗，就要知道研究物理問題的方法。在焦耳定律實驗中用到的方法就是控制變量法。

什麼是控制變量法呢？

物理學中對於多因素(多變量)的問題，常常採用控制因素(變量)的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題。每一次只改變其中的某一個因素，而控制其餘幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，分別加以研究，最後再綜合解決，這種方法叫控制變量法。它是科學探究中的重要思想方法，廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗研究之中。

在焦耳定律實驗中，要探究的是電流通過導體產生的熱量與電流、電阻和通電時間的關係。當我們研究熱量與電阻關係的時候，需要控制電流和通電時間是不變的。在實驗過程中，通過改變電阻的大小，觀察、分析熱量是如何變化的，從而找到熱量和電阻的關係。

探究電熱與電阻關係的實驗裝置

如圖所示，兩個透明容器中密封著等量的空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣溫度的變化。兩個密閉容器中都有一段電阻絲，右邊容器中的電阻比校大。兩容器中的電阻絲串聯起來接到電源兩端，通過兩段阻絲的電流相同。通電一定時間後，比教兩個U形管中液面高度的交化。

在如圖所示的裝置中，就是控制了電流和通電時間，只是改變了電阻。從實驗裝置就可以看出，這是一個探究電流通過導體產生的熱量與電阻關係的實驗裝置。

考考你，從下面的這個圖中可以看出，它是研究熱量和哪個因素的關係？控制了哪些因素是不變的？

探究電熱與電流關係的實驗裝置

在初中物理實驗的探究中，許多實驗都是運用了控制變量法。如：探究聲音的音調與頻率的關係；探究聲音的響度與振幅的關係；探究動能大小與哪些因素有關等等實驗。

二、在焦耳定律實驗中，也運用了轉換法

在焦耳定律實驗中，還用到了另外一種研究物理問題的方法----轉換法。在設計實驗之前，這些都是應該知道的。

所謂"轉換法"，主要是指在保證效果相同的前提下，將不可見、不易見的現象轉換成可見、易見的現象;將陌生、複雜的問題轉換成熟悉、簡單的問題;將難以測量或測準的物理量轉換為能夠測量或測準的物理量的方法。初中物理在研究概念規律和實驗中多處應用了這種方法。

在焦耳定律實驗中，電流通過導體產生熱量的多少，我們是看不見、摸不著，也是不便於測量的。那麼如何比較5歐的電阻和10歐的電阻哪個放出的熱量多呢？實驗中電流通過電阻絲放出熱量會使空氣受熱膨脹，放出的熱量越多，空氣膨脹得也越多，使U形玻璃管中的水柱升高的就越多。

在這個實驗中是通過比較U形玻璃管中的水面高低，間接比較哪個電阻絲產生的熱量多。這就是轉換法的應用。

初中物理實驗中，運用轉換法的實驗有，探究聲音產生的原因、探究液體壓強的特點、探究壓力的作用效果等等。

三、焦耳定律實驗中，空氣可以用煤油、水和沙子這些材料代替嗎？

在以前的教材中，這個實驗也是用煤油做的。如圖

探究焦耳定律

如果用煤油、水或者沙子代替空氣，那麼實驗現象不明顯，效果不太好。

理由如下，與空氣相比，電阻絲在加熱煤油的過程中，煤油需要吸收較多的熱量，溫度才會上升，做這個實驗需要的時間會變長。

由於水的比熱容比煤油大，相同質量的水和煤油吸收了相同的熱量後，水的溫度升高的少，所以實驗效果還不如煤油。

沙子與煤油和水相比，它的比熱容小，受熱後溫度會升高的快，但是用電阻絲加熱沙子的時候，沙子受熱不均勻，需要不停的攪拌，這樣的操作，在實驗過程中也是很不方便的。

所以空氣是最好的實驗材料。

類似的問題會在課堂的交流評估環節中，學生們常常會問到，也經常這樣分析實驗裝置的合理性，也分析實驗過程中不成功之處，這樣的交流可以培養學生的設計實驗的能力和思維能力，杜絕了實驗的生搬硬套。

四、本實驗中，U形玻璃管可以用溫度計代替嗎?

這個問題學生們會常常問到，覺得比較溫度的高低就應該用溫度計。

回答是：不可以代替。

空氣是裝在密閉的容器中，當插入溫度計以後，溫度計的玻璃泡也需要密封在容器中。這樣電阻在加熱的過程中，容器內的空氣受熱膨脹，熱空氣會漲破密閉的容器，導致實驗失敗。

如果插入溫度計，不密封溫度計的玻璃泡，那麼空氣受熱膨脹就會跑到容器的外面，並且帶走了熱量，這樣也不便於比較電阻絲產生熱量的多少。

即使沒有上述的原因，用溫度計代替U形玻璃管也是不可取的。因為電阻絲加熱容器內空氣的過程中，空氣溫度的變化，不足以使溫度計的示數較快的上升，觀察效果不明顯。

在日常生活中會經常用到溫度計，如圖

實驗用溫度計

五、本實驗中，並聯一個5歐電阻的作用是什麼？

如圖所示，兩個密閉容器中的電阻一樣大，在其中一個容器的外部，將一個電阻和這個容器內的電阻並聯，它的作用是改變通過右面容器中電阻的電流大小。

簡言之，並聯一個5歐電阻的作用就是改變通過右面容器內電阻的電流大小。

改變通過容器內電阻的電流大小，還有其它的辦法嗎？請說一說。

通過以上五個問題點點滴滴的剖析中，我們要知道設計實驗時，首先要知道探究物理問題的方法是什麼，然後從方法入手，設計實驗步驟；實驗後的交流評估也很重要，它是對實驗過程的反思、總結和延伸。主要從實驗設計、實驗過程以及實驗數據和現象等方面進行必要的交流和評估。

我認為，對待物理實驗，學生們應該尋找一切可以抓住的機會動手操作。在實驗的過程中盡情地體驗實驗過程。只有盡情地體驗，才能感悟到那些只有通過實驗才能得到的東西，那是課本上沒有的，老師也不一定能講到的東西。那些驚奇的發現，只有通過實驗才能獲得。

玩樂高，不如玩實驗器材，這些東西也是很有趣的。想要做實驗，器材是很容易得到的，不僅僅是只有學校裡才有。如圖

力學實驗器材

關於焦耳定律實驗，大家還有什麼需要交流的問題嗎？請分享。

大家在實驗過程中還有什麼感悟，請交流。