免費下載！
[!--downpath--]探究焦耳定理的三種實驗方法的比較與改進 廣東省賈汪鎮中心小學張邦寶 摘要：如何通過實驗探究焦耳定理仍然是教學中的重點和難點。 本文對煤油加熱法、火柴點火法、專用設備法三種常用的方法進行了總結、比較和改進，提供給廣大同仁參考。 希望對您的教學有所幫助。 關鍵詞：焦耳定理、實驗探索、比較與改進 焦耳定理是九年級化學中一個非常重要的定理。 它闡明了電壓通過導體時產生的熱量與通過導體的電壓、導體的電阻值和通電次數之間的關系。 Q=I2Rt 。 它既是中學生學習的重點，也是難點。 實際教學過程中最重要也是最困難的就是如何通過實驗探索舉一反三，讓中學生通過課堂學習體驗科學規律的發現過程，進一步理解焦耳定理。 焦耳定理共有三種常見且典型的實驗探索方法，每種方法都有各自的優點和缺點。 筆者在教學中均有所運用，我將對其進行比較和改進，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”，也是教材和教學參考資料中介紹的最經典的技術。 筆者使用的設備如圖，煤油用量為200ml（太少，吞不下內阻絲），兩根電阻絲阻值分別為5歐姆和15歐姆，使用電流為DC 12V （實驗室配套中學生電源的最大直流輸出值）。 實驗數據如表1所示： 表1（I=0.6A） 通電時間（分鐘） 煤油溫度（℃） 5歐姆 歐姆 這種方法的優點是可以定量檢測，缺點是設備組裝（包括膠塞沖孔）比較麻煩。 計劃時間長，實驗占用課堂時間過多。
如果用作演示實驗，中學生看不到室溫表指示的變化，可視性不高。 同時，由于溫度下降，煤油與環境的溫差變大，煤油的散熱急劇增加，使得煤油的溫度下降與時間不成反比焦耳定律的實驗驗證，由此推斷：通電內阻所形成的熱量與通電時間成反比，無法獲得。 失去了定量檢測的意義。 在課堂上實驗時間太長，主要是因為實驗室中學生電源的輸出電流較小，可以通過減小電流來解決（注意電壓不要超過實驗所允許的最大電壓值）內阻）。 但限于農村中學的條件，這一問題在筆者所在的中學尚未得到解決。 煤油的溫度下降之所以與時間不成反比，是因為煤油的散熱作用。 在兩個錐形瓶上加裝隔熱材料的隔熱裝置，可以減少因散熱而產生的偏差。 作者用海綿包裹錐形瓶焦耳定律的實驗驗證，并在相同溫度下重復實驗。 結果如表2所示： 表2（I=0.6A） 通電時間（分鐘） 煤油溫度（℃） 5歐姆 這樣做的用處是實驗偏差小很多，但推論通電內阻產生的熱量與通電時間成反比，無法求出。 二是實驗時間可以縮短，只測量前15分鐘煤油溫度的變化，時間間隔可以縮短到5分鐘，大大節省了課堂時間。 圖2 第二種方法如圖2所示：可稱為火柴點火法。 就是用一根火柴（有的用一張紙或布蘸上煤油）分別放在兩個通電的電阻上，使其達到燃點而燃燒。
焦耳定理是通過達到燃點的長度和順序來定性驗證的。 在課堂演示中，作者修改了演示電壓表以顯示電壓值，并修改了滑動變阻器以改變電壓。 因此，不僅表現出在相同電壓下不同阻值因內阻大而產生更多熱量，而且在不同電壓值下表現出相同阻值。 高電壓產生更多的熱量，這定性地說明了焦耳定理的正確性。 這些方法的優點是設備組裝方便、占用課堂時間少、現象明顯、可視性高。 缺點是難以進行定量檢測，實驗存在一定風險。 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熱不同的實驗，再演示相同阻值在不同電壓下發熱不同的實驗后，內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，使得檢測火柴燃點的時間具有可比性。 圖3中的第三種方式是一套完整的專用設備。 可以稱為特種設備法。 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備的結構和使用也略有不同。 實驗前，打開兩個內阻盒上的通氣孔，將少量染有紅色墨水的水注入兩個U型管中，使兩管內液面水平，將兩個內阻盒連接起來與帶橡膠管的 U 形管。 一端擰緊通氣孔上的螺母，使兩個內阻盒密閉。 連接電路，使兩個內阻盒內阻值不同的兩個內阻串聯。 通電后可以看到與大阻力電阻箱相連的U型管內液位下降較快。 調節滑動變阻器來改變電路中的電壓。 可見，在內阻相同、電壓不同的情況下，高壓U型管內液位下降較快，這定性地證明了焦耳定理的正確性。
這些方法的優點是現象明顯，實驗可視性高，將測溫物質制成空氣后，實驗時間短，安全方便。 缺點是U形管內很難充滿紅墨水染色的水。 由于U型管很細，一不小心就會產生氣泡。 填充時最好將設備平放，并用注射器逐漸注射。 如果希望兩側海面高度相同，可以用注射器在左側分別注射時吸取相同體積的水，注射后反復調整。 實驗結束后應及時切斷電源，避免U型管內噴水。 同時，該裝置只能用于定性驗證，難以進行定量檢測。 操作的復雜性決定了它只適合演示，不適合分組。 演示時，設備自帶的電壓表可視性不高，可通過使用演示電壓表來解決。 比較這三種方法，可以說各有各的優缺點。 如果中學生進行小組研究，建議采用方法一，即小學數學課本上介紹的技巧。 雖然教材沒有對實驗的實驗點和數據提供較為準確的數據解釋，使得實驗成為教學過程中的難點，另外實驗所需的設備種類和數量較多，操作流程冗長。 、電路復雜、視覺療效不理想，給班主任有效利用課堂時間帶來了很大困難。 并且可以定量檢測和比較，適合分組，適合中學生探索。 如果為了節省時間改成演示，我們更傾向于使用第二種方法，以便中學生能夠理解。 第三種方法其實并不難演示，但是從中學生的角度來看，要真正理解這些方法需要更高的知識水平。
首先，他們需要了解，通電的內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。 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系。 當這些條件一一滿足后，他們就能明白：在二氧化碳的種類、質量、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。 當上述知識準備和整理完畢后，我們就進入探索和發現焦耳定理內容的過程了。 這無疑淡化了課堂上的主要學習內容，不利于中學生對光度計定理的理解。