用量热器定量实验验证焦耳定律

熊建新

（武汉市楚才中学 湖北 武汉 430051）

焦耳定律是初中物理的重要定律，一直是教学的重点和难点.通常用的焦耳定律实验器的原理是，给密闭容器中的电阻通电，产生的热量使密闭容器中空气的温度升高，压强增大，从而使与密闭容器相连的U型玻璃管中原来相平的水面产生高度差，高度差的大小反映了通电电阻产生热量的多少.该仪器的优点是，现象非常明显，实验时间短.缺点是，对密封性要求严，只能用来定性地演示.笔者尝试用量热器进行定量实验来验证焦耳定律，取得了好的教学效果，学生经历了规律发现的过程，加深了对控制变量法、转换法的理解，学会了一种定量分析处理数据的方法.该实验方案电路简单，操作简便，实验数据很有说服力，实验时间短，能在一节课较快、较好地完成三个定量的演示.现详述如下.

1 实验器材

教学 电 源 （1.5V，3V，4.5V，6V，9V，12V挡），停表（钟），量热器4个，精密玻璃棒水银温度计（量程0℃～50℃，分度值0.1℃）4支，导线若干，量筒（量程100ml，分度值1ml），煤油，放大镜.

2 实验原理

将量热器接上电源，加热煤油.煤油吸收的热量

其中c，m，Δt分别是煤油的比热容、质量、升高的温度.量热器的热效率为

式中W电是电流通过量热器电热丝消耗的电能，Q放是电流通过量热器电热丝产生的热量，c筒和m筒，c丝和m丝，c搅和m搅，c其他和m其他分别是内筒、电热丝、搅拌器、温度计等其他吸热介质的比热容、质量.为简化问题，这里假设各种吸热介质升高的温度Δt相同.因此，量热器的η是一定的，有

因此Δt与Q放成正比.分别研究Δt与时间、电流、电阻的关系，可以推导出Q放与时间、电流、电阻的关系.

3 探究电热与时间的关系

3.1 实验电路及实验方法

实验电路如图1，实物连接如图2.将量热器接上电源，加热煤油.电热丝的电阻一定，电源的输出电压一定，则通过电热丝的电流一定，每隔一定的时间测出煤油的温度.研究煤油温度升高的度数Δt与相应通电时间的关系，可以推导出Q放与通电时间的关系.

图1 实验电路图

图2 实物连接图

3.2 实验步骤

（1）向量热器中注入100ml煤油，记下煤油的初始温度.

（3）按电路图连接电路，教学电源拨到6V挡.

（3）闭合教学电源的开关，通电加热，同时开始计时，加热过程中不断轻轻搅拌，加热30s，断开开关，停止加热，继续轻轻搅拌，待温度计示数稳定时读数，记在表格中.

（4）重复上述步骤（3）做4次.

3.3 实验数据

实验数据记录如表1所示.

表1 实验数据

3.4 实验数据分析及结论

由表1的实验数据可知，在误差允许的范围内，煤油温度升高的值Δt与相应通电时间t之间成正比令Δt＝K1t，又Δt与Q放成正比，令Δt＝K2Q放，则

式中K1，K2为常量.因此，可以得出结论，在导体的电阻、通过导体的电流一定时，电热Q放与通电时间t成正比.

电热Q放与通电时间t成正比的关系也可以从理论上证明，即Q放＝W电＝Pt，式中P是量热器的电功率，P一定，因此，产生的电热Q放与通电时间t成正比.

4 探究电热与电流的关系

4.1 实验电路及实验方法

实验电路如图1所示，实物连接如图2所示.将量热器接上电源，加热煤油.电热丝的电阻一定，改变电源的输出电压就改变了通过电热丝的电流.多次测量算出电阻一定的电热丝在通电时间相同而通过的电流不同的条件下加热煤油时，煤油温度升高Δt.研究Δt与电流的关系，可以推导出Q放与电流的关系.

4.2 实验步骤（仍用图2所示实验装置继续实验）

（1）记下煤油的初始温度，教学电源拨到4.5V挡.

（3）闭合教学电源的开关，通电加热，同时开始计时，加热过程中不断轻轻搅拌，加热1min，断开开关，停止加热，继续轻轻搅拌，待温度计示数稳定时读数，算出升高的温度Δt，记入表格.

（3）教学电源拨到6V挡，重复步骤（3）.（4）教学电源拨到9V挡，重复步骤（3）.

4.3 实验数据

实验数据记录如表2所示.

表2 数据记录

4.4 实验数据分析及结论

因此，可以得出结论，在导体的电阻、通电时间一定时，电热Q放与电流I的平方成正比.

5 探究电热与电阻的关系

5.1 实验电路及实验方法

实验前改装两个量热器，将两根相同的电热丝并联做为其中一个量热器的发热元件，将3根相同的电热丝并联做为另一个量热器的发热元件.经测量单根电热丝的电阻约2.5Ω.实验电路如图3所示.

图3

实物连接如图4所示.

图4 实物连接图

将3个量热器串联接上电源，加热质量和初温相同的煤油.3个量热器电热丝的电阻值成倍数关系，通过的电流相同，测量算出在通电时间相同时各个量热器中煤油升高的温度Δt.研究Δt与电阻的关系，可以推导出Q放与电阻的关系.

5.2 实验步骤

（1）3个量热器中均加入100ml煤油，记下煤油的初始温度.

（3）按电路图连接电路，教学电源拨到9V挡.

（3）闭合教学电源的开关，通电加热，同时开始计时，加热过程中不断轻轻搅拌，加热1min，断开开关，停止加热，继续轻轻搅拌，待温度计示数稳定时读数，分别算出3支温度计升高的温度Δt，记入表格.

5.3 实验数据

实验记录如表3所示.

表3 实验数据

5.4 实验数据分析及结论

分析实验数据可知，在误差允许的范围内，Δt与R成正比，令Δt＝M1R，又令Δt＝M2Q放，其中M1，M2为常量.

因此，可以得出结论，在电流、通电时间一定时，电热Q放与电阻R成正比.

6 注意事项

环境气温不同，实验数据会有变化 .为减少误差，要保证实验室不通风.电源电压以不低于4.5V为宜，否则温升不明显.实验前要拧紧量热器上紧固电热丝的螺母.探究电热与电阻的关系时，必须保证三个量热器中煤油的质量和初温相同.为准确读数可通过放大镜观察温度计.