探究焦耳定律的可行性实验设计

宋怀甫

江苏省无锡市刘潭实验学校(214046)

1 制作电热切割机，引入电流的热效应

引入新课时，为了让学生看到电流的热效应，同时为猜想电热与哪些因素有关做铺垫，笔者准备了1根直径0.41 mm、长21 cm、电阻约1.5 Ω的镍镉合金丝作为实验电路中的电阻丝；可以用做家庭电路短路实验的电源，电源电压12 V。利用铁架台和2根相同铜导线把这根电阻丝横架在讲台上，为了便于学生观察，把其中1根铜导线的绝缘皮剥掉。电阻丝没有通电时，让学生观察合金丝的状态，请1个学生用手摸一摸合金丝，问学生：感觉热不热？给电阻丝通小电流时，再让学生观察电阻丝的状态，请1个学生用手摸一摸电阻丝有何感觉？当较大的电流通过电阻丝时，再让学生观察电阻丝的状态。教师提出问题：你们看到了什么？学生回答：电阻丝热的发红。再让学生摸一摸与电阻丝串联的裸露铜导线热不热？在实验过程中，教师可以用手机对着电阻丝录像，通过西沃授课助手，发红的电阻丝的图像被清晰地传送到屏幕上。教师说明：现在的电阻丝就变成了1个电热切割机，可以切割海绵、泡沫板。教师可以演示用这根电阻丝切割泡沫板。教师说明：电流通过电阻时发热的现象叫做电流的热效应。利用电流的热效应工作的装置叫做电热器。本节课我们就来研究电流的热效应、电热器。

2 用锡箔纸做实验，为猜想电热的影响因素提供依据

为了给学生创设猜想的依据，我们还可以这样做实验。把香烟盒上或口香糖上的锡箔纸剪成如图2所示的形状，先用4节电池串联作电源，给锡箔纸通小电流，让学生观察锡箔纸的状态，用手摸一摸锡箔纸热不热；再用12 V的电源给锡箔纸供电，大电流通过锡箔纸,会看到：较细处的锡箔纸瞬间燃烧，如图3所示。教师提出问题：在该实验中，锡箔纸的细段与粗段长度相同，哪一段电阻大？细段与粗段，哪一段锡箔纸产生的热量多？学生回答：细段电阻大，细段锡箔纸产生的热量多。

在引入实验的基础上，教师提出问题：通电导体产生的热量多少与哪些因素有关？学生很容易提出猜想：通电导体产生热量的多少与导体的电流、电阻和通电时间都有关。教师说明：同学们有这样的生活经验，用电热水壶烧水时，电热水壶通电时间越长，产生的热量越多。通电导体产生热量的多少与时间的关系，本节课不再进行探究。教师提出问题：探究电热与电流和电阻的关系时，我们要用什么方法？学生回答：要用控制变量法。

3 设计实验，探究电热的影响因素

在学生设计实验环节，教师可以提出问题：探究电热与电阻的关系时，我们要选择怎样的2个电阻进行实验？这2个电阻怎么连接？学生回答：选择2个不同的电阻进行串联连接。教师追问：2个电阻为什么要串联？学生回答：是为了控制电流相同。教师说明：实验中要改变电阻的电流，还要测量电路中的电流不超过2 A，还需要什么器材？学生回答：还需要串联一个滑动变阻器来改变电阻的电流，用电流表来测量电路中的电流。请学生画出电路图，如图4所示。

教师利用图4提出问题：电阻丝产生热量的多少怎么比较？学生可能会回答：用温度计直接测量。教师提出问题：温度计的玻璃泡与电阻丝能充分接触吗？学生回答：不能。教师说明：用温度计直接测量电阻丝的温度方案不可行，能否考虑用转换法呢？教师启发：前面我们是怎样比较质量相等的不同燃料完全燃烧放出热量的多少的？学生回答：用燃料燃烧加热水，根据水升高的温度来比较燃料燃烧放出热量的多少。教师提问：现在你能比较电阻丝产生热量的多少吗？学生回答：用电阻丝加热水，根据水升高的温度来比较电阻丝产生热量的多少。教师追问：实验中为了使液体的温度迅速升高，用电阻丝加热比热容大的水还是比热容小的植物油？学生回答：植物油。教师提问：实验中要控制植物油的什么相同？学生回答：植物油的质量和初温要相同，装植物油的容器相同。教师说明：为了减少散热，我们把植物油放在保温容器中进行加热。

4 制作器材，探究电热的影响因素

教师在课前准备好实验器材：直径0.2 mm的镍镉电阻丝，测量出电阻丝的电阻率，截取合适长度。考虑到要把电阻丝固定在金属杆上，实验中把电阻丝截成9 cm(约2 Ω)、16 cm(约4 Ω)、 11 cm(约2.5 Ω)、21 cm(约5 Ω)4种长度，紧密地绕在圆珠笔芯上，两端做成圆弧形。然后固定在金属杆的底端，如图5所示。电阻丝、温度计、底端为圆形的搅拌器固定在盒盖上，在保温容器内倒入质量相等的植物油(液面高度均为9 cm)，这样实验仪器就制作好了，如图6所示。

教师请1个学生在PPT上把电路实物图连接好。然后让学生根据实物图连接好电路(建议连接电路时两端用带有鳄鱼夹的导线进行连接，这样不会损坏自制的电阻丝)，教师把实验步骤用PPT呈现出来。探究电热与电阻的关系的实验步骤如下：

(1)连接好电路，读出2个容器中液体的温度t1，闭合开关，电流调为2 A，开始计时；

(2)加热2 min后，同时读出2个容器中液体的温度t2,算出液体升高的温度Δt。

(1)假设一栋楼一共有n层(n=10,20,30...)，每层楼有m户人居住，每户每天平均乘坐电梯的人数是3个人，每人平均每天乘坐2次，则每层乘坐电梯的人数为6m；

分组实验前，教师一定要给组内学生分好任务：1个学生负责计时，2个学生各负责观察1个温度计，并用搅拌器上下轻轻地搅拌；还有1个学生负责调节电流和记录数据。学生进行实验时，教师可以巡视并进行指导。用西沃授课助手的手机拍照上传功能，将实验数据拍照并上传。表1是笔者在课堂上获取的实验数据。

表1 实验数据1

然后请学生分析数据，归纳并交流实验结论：电流和通电时间相同时，电阻越大，通电导体产生的热量越多。

探究电热与电流的关系时，教师提问：怎样设计实验探究电热与电流的关系？学生回答：保持电阻一定，可以用1个电阻丝加热液体，用滑动变阻器改变电阻中的电流，只要在刚才的电路中拆下1个电阻丝即可。教师说明：为了缩短实验时间，拆下1个小电阻。探究电热与电流的关系的实验步骤如下：

(1)连接好电路，闭合开关，电流调为1 A，然后开始计时，并读出初温t1，加热1 min，读出末温t2；

(2)再把电流调为2 A，然后开始计时，并读出初温t1，加热1 min，读出末温t2；

(3)分别计算出植物油升高的温度。

表2是笔者在课堂上获取的学生实验数据。

表2 实验数据2

教师让学生分析实验数据，归纳并交流实验结论：电阻和通电时间相同时，电流越大，通电导体产生的热量越多。

5 探究电热的影响因素深度思维

实验结束后，可以引导学生进行深度思维：探究电热与电流的关系时，用2个相同的电阻同时加热植物油，要使2个相同的电阻中通过的电流不同，你准备怎样设计电路？学生设计电路如图7所示。

教师提出问题：用该实验方案探究电热与电流的关系比用1个电阻探究电热与电阻的关系有什么优点？学生回答：用2个电阻同时加热液体，便于观察比较液体温度的变化，可以节省实验时间。

课后根据电路图7，连接好电路。闭合开关，电流调到2 A，加热1 min，测量了一组数据，实验数据记录如表3所示。

表3 实验数据3

课堂教学中，实验给学生提供了动手、体验、探究、推理的机会，教师要千方百计地设计实验，吃苦耐劳地准备实验，尽管这个过程很艰辛，然而只有这样，学生才能深入学习情境，理解学习内容，促进深度学习。