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[!--downpath--]探究焦耳定理的三種實(shí)驗(yàn)方法的比較與改進(jìn) 廣東省賈汪鎮(zhèn)中心小學(xué)張邦寶 摘要：如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究焦耳定理仍然是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 本文對(duì)煤油加熱法、火柴點(diǎn)火法、專用設(shè)備法三種常用的方法進(jìn)行了總結(jié)、比較和改進(jìn)，提供給廣大同仁參考。 希望對(duì)您的教學(xué)有所幫助。 關(guān)鍵詞：焦耳定理、實(shí)驗(yàn)探索、比較與改進(jìn) 焦耳定理是九年級(jí)化學(xué)中一個(gè)非常重要的定理。 它闡明了電壓通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量與通過(guò)導(dǎo)體的電壓、導(dǎo)體的電阻值和通電次數(shù)之間的關(guān)系。 Q=I2Rt 。 它既是中學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。 實(shí)際教學(xué)過(guò)程中最重要也是最困難的就是如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索舉一反三，讓中學(xué)生通過(guò)課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，進(jìn)一步理解焦耳定理。 焦耳定理共有三種常見(jiàn)且典型的實(shí)驗(yàn)探索方法，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 筆者在教學(xué)中均有所運(yùn)用，我將對(duì)其進(jìn)行比較和改進(jìn)，以供廣大同仁參考。 圖1 第一種方法，如圖1所示，可以稱為“煤油加熱法”，也是教材和教學(xué)參考資料中介紹的最經(jīng)典的技術(shù)。 筆者使用的設(shè)備如圖，煤油用量為200ml（太少，吞不下內(nèi)阻絲），兩根電阻絲阻值分別為5歐姆和15歐姆，使用電流為DC 12V （實(shí)驗(yàn)室配套中學(xué)生電源的最大直流輸出值）。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示： 表1（I=0.6A） 通電時(shí)間（分鐘） 煤油溫度（℃） 5歐姆 歐姆 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以定量檢測(cè)，缺點(diǎn)是設(shè)備組裝（包括膠塞沖孔）比較麻煩。 計(jì)劃時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)占用課堂時(shí)間過(guò)多。
如果用作演示實(shí)驗(yàn)，中學(xué)生看不到室溫表指示的變化，可視性不高。 同時(shí)，由于溫度下降，煤油與環(huán)境的溫差變大，煤油的散熱急劇增加，使得煤油的溫度下降與時(shí)間不成反比焦耳定律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由此推斷：通電內(nèi)阻所形成的熱量與通電時(shí)間成反比，無(wú)法獲得。 失去了定量檢測(cè)的意義。 在課堂上實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室中學(xué)生電源的輸出電流較小，可以通過(guò)減小電流來(lái)解決（注意電壓不要超過(guò)實(shí)驗(yàn)所允許的最大電壓值）內(nèi)阻）。 但限于農(nóng)村中學(xué)的條件，這一問(wèn)題在筆者所在的中學(xué)尚未得到解決。 煤油的溫度下降之所以與時(shí)間不成反比，是因?yàn)槊河偷纳嶙饔谩?在兩個(gè)錐形瓶上加裝隔熱材料的隔熱裝置，可以減少因散熱而產(chǎn)生的偏差。 作者用海綿包裹錐形瓶焦耳定律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并在相同溫度下重復(fù)實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果如表2所示： 表2（I=0.6A） 通電時(shí)間（分鐘） 煤油溫度（℃） 5歐姆 這樣做的用處是實(shí)驗(yàn)偏差小很多，但推論通電內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量與通電時(shí)間成反比，無(wú)法求出。 二是實(shí)驗(yàn)時(shí)間可以縮短，只測(cè)量前15分鐘煤油溫度的變化，時(shí)間間隔可以縮短到5分鐘，大大節(jié)省了課堂時(shí)間。 圖2 第二種方法如圖2所示：可稱為火柴點(diǎn)火法。 就是用一根火柴（有的用一張紙或布蘸上煤油）分別放在兩個(gè)通電的電阻上，使其達(dá)到燃點(diǎn)而燃燒。
焦耳定理是通過(guò)達(dá)到燃點(diǎn)的長(zhǎng)度和順序來(lái)定性驗(yàn)證的。 在課堂演示中，作者修改了演示電壓表以顯示電壓值，并修改了滑動(dòng)變阻器以改變電壓。 因此，不僅表現(xiàn)出在相同電壓下不同阻值因內(nèi)阻大而產(chǎn)生更多熱量，而且在不同電壓值下表現(xiàn)出相同阻值。 高電壓產(chǎn)生更多的熱量，這定性地說(shuō)明了焦耳定理的正確性。 這些方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備組裝方便、占用課堂時(shí)間少、現(xiàn)象明顯、可視性高。 缺點(diǎn)是難以進(jìn)行定量檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。 只適合演示，不適合分組。 非常需要注意的是，先演示不同阻值在相同電壓下發(fā)熱不同的實(shí)驗(yàn)，再演示相同阻值在不同電壓下發(fā)熱不同的實(shí)驗(yàn)后，內(nèi)阻必須冷卻至一定溫度或更換。 使用相同尺寸溫度下的電阻值，使得檢測(cè)火柴燃點(diǎn)的時(shí)間具有可比性。 圖3中的第三種方式是一套完整的專用設(shè)備。 可以稱為特種設(shè)備法。 所使用的“焦耳定理演示器”如圖3所示，邯鄲市其他專用演示設(shè)備的結(jié)構(gòu)和使用也略有不同。 實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)兩個(gè)內(nèi)阻盒上的通氣孔，將少量染有紅色墨水的水注入兩個(gè)U型管中，使兩管內(nèi)液面水平，將兩個(gè)內(nèi)阻盒連接起來(lái)與帶橡膠管的 U 形管。 一端擰緊通氣孔上的螺母，使兩個(gè)內(nèi)阻盒密閉。 連接電路，使兩個(gè)內(nèi)阻盒內(nèi)阻值不同的兩個(gè)內(nèi)阻串聯(lián)。 通電后可以看到與大阻力電阻箱相連的U型管內(nèi)液位下降較快。 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變電路中的電壓。 可見(jiàn)，在內(nèi)阻相同、電壓不同的情況下，高壓U型管內(nèi)液位下降較快，這定性地證明了焦耳定理的正確性。
這些方法的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)可視性高，將測(cè)溫物質(zhì)制成空氣后，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，安全方便。 缺點(diǎn)是U形管內(nèi)很難充滿紅墨水染色的水。 由于U型管很細(xì)，一不小心就會(huì)產(chǎn)生氣泡。 填充時(shí)最好將設(shè)備平放，并用注射器逐漸注射。 如果希望兩側(cè)海面高度相同，可以用注射器在左側(cè)分別注射時(shí)吸取相同體積的水，注射后反復(fù)調(diào)整。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)及時(shí)切斷電源，避免U型管內(nèi)噴水。 同時(shí)，該裝置只能用于定性驗(yàn)證，難以進(jìn)行定量檢測(cè)。 操作的復(fù)雜性決定了它只適合演示，不適合分組。 演示時(shí)，設(shè)備自帶的電壓表可視性不高，可通過(guò)使用演示電壓表來(lái)解決。 比較這三種方法，可以說(shuō)各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。 如果中學(xué)生進(jìn)行小組研究，建議采用方法一，即小學(xué)數(shù)學(xué)課本上介紹的技巧。 雖然教材沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和數(shù)據(jù)提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)解釋，使得實(shí)驗(yàn)成為教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)，另外實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備種類和數(shù)量較多，操作流程冗長(zhǎng)。 、電路復(fù)雜、視覺(jué)療效不理想，給班主任有效利用課堂時(shí)間帶來(lái)了很大困難。 并且可以定量檢測(cè)和比較，適合分組，適合中學(xué)生探索。 如果為了節(jié)省時(shí)間改成演示，我們更傾向于使用第二種方法，以便中學(xué)生能夠理解。 第三種方法其實(shí)并不難演示，但是從中學(xué)生的角度來(lái)看，要真正理解這些方法需要更高的知識(shí)水平。
首先，他們需要了解，通電的內(nèi)電阻絲釋放的熱量被二氧化碳吸收，從而降低二氧化碳的溫度。 其次，他們需要了解二氧化碳熱膨脹的知識(shí)。 第三，他們需要了解加熱二氧化碳的熱膨脹與吸收的熱量之間的關(guān)系。 當(dāng)這些條件一一滿足后，他們就能明白：在二氧化碳的種類、質(zhì)量、初始溫度都相同的條件下，二氧化碳的體積變化反映了濁體釋放的熱量。 當(dāng)上述知識(shí)準(zhǔn)備和整理完畢后，我們就進(jìn)入探索和發(fā)現(xiàn)焦耳定理內(nèi)容的過(guò)程了。 這無(wú)疑淡化了課堂上的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，不利于中學(xué)生對(duì)光度計(jì)定理的理解。