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[!--downpath--]焦耳定理定性定量驗證的實驗裝置 侯耀東 出版物名稱】《物理實驗》年份（卷）第7期]2019（039）011 [總頁數]3頁（P62-64）關鍵詞]焦耳定理； 電壓; 內阻 作者]侯耀東 作者單位]廣東新鄉勝利34學校 文字語言]中文分類]G633.7 中學數學和熱學中的重要定律設置定量實驗，如：歐姆定理。 課本上不僅設置了定量探究實驗，還借助圖像定量分析了電壓和電流之間的關系，為推論I=U/R提供了充足的數據支持，可謂中學的完美案例數學探究實驗。 但焦耳定理，這也是一個重要的定律[1]，卻沒有得到同樣的待遇。 焦耳定理實驗只安排定性實驗。 雖然可以解釋問題，但是對于嚴謹的數學來說還是顯得有些蒼白。 焦耳定理中沒有安排定量實驗的主要原因是Q=I2Rt存在平方反比關系，而這種關系很難通過實驗來表達。 雖然可以找到實驗模型，但在中學數學課堂上要估算大量數據并不容易。 為了將焦耳定理的定性實驗拓展為既可以定性又可以定量的實驗，進行了相應的設計。 1 改進實驗模型，確定實驗介質焦耳定理Q=I2Rt，表達了電壓形成的熱量Q與電壓I、電阻R和通電時間t之間的關系[2]。 要建立這種關系，需要找到被電壓加熱的介質，并通過Q=cmAt估算導體釋放的熱量。 首先選擇實驗所用的介質。
理論上，由于某些固體材料在加熱過程中體積基本不變（溫度變化較小時可忽略不計），由熱力學定理可知，吸熱后體積保持不變，只有平均動能分子的數量減少，這表現為溫度的變化。 因此，只有在質量和加熱時間一定的情況下測量溫度變化，才能確定內能變化的數量。 但要適合課堂教學，實驗時間必須短，因此只能使用導熱性好的金屬，而且由于金屬本身導電，不適合作為焦耳定理驗證實驗的介質。 液體很容易克服固體的缺點，但液體的比熱容較大，加熱后溫度變化緩慢，不適合課堂教學。 空氣中的二氧化碳是最容易獲得的介質。 空氣的導熱能力不強，但有很強的對流作用，不導熱。 確保實驗的科學性； 如果密封在容器中，加熱時間短，其體積膨脹不顯著，可以忽略不計，可以很好地滿足實驗的要求。 分析實驗原理。 將電的內阻放入密閉絕緣的容器中，加熱密閉容器內的空氣，吸收的熱量與溫度下降的關系可由Q=cmAt確定，因為二氧化碳的密閉質量是固定的，且在一定時間內可以被吸收。 二氧化碳的熱量僅與溫度下降有關。 只有測量二氧化碳的溫度下降，才能確定其吸收熱量的變化，進而確定內阻形成的熱量的變化。 理想情況下，當通電時間和電流一定時，只要內阻R加倍，測得的熱量Q也加倍，這意味著內阻形成的熱量Q與電阻R成反比； 同樣，內阻R和電壓I定時，時間t加倍。 如果測得的熱量Q加倍，則表示Q與t成反比； 當通電時間和內阻一定時，通過等內阻的電壓為11=212，如果測得形成的熱量Q變化4倍，則可以說明Q與平方成反比我的。
2、實驗設備制作：大型透明啤酒瓶3個、10Q線繞內阻3個、5Q線繞內阻3個、帶探頭數字溫度計3個、“兄弟好”膠水和雙面膠1套磁帶。 裝置制作 1）用酒精燈加熱鉗子，在啤酒瓶左側熔化一個小孔。 2）將螺母穿過內電阻兩端的接線孔，用鉗子將螺栓穿過瓶子上的小孔，在小孔周圍涂上一層（避免漏油），擰上螺母。 3）檢查氣密性，蓋上蓋子，放在水底，觀察是否有氣泡。 4）在蓋子上扎一個小孔，穿過濕度計的探頭，調整導線的粗細，使探頭不碰到內阻線圈，然后用膠水把小孔粘上，最后粘在帶雙面膠帶的啤酒瓶。 制作的裝置如圖1所示。 5）用鉗子將“尖叫”飲料瓶口內的結構拆掉，并在瓶口上放一個吝嗇球。 成品裝置如圖2所示。 圖1 定量驗證焦耳定理的實驗裝置 圖2 定性驗證焦耳定理的實驗裝置 3 定量實驗電路設計 圖3 定量驗證焦耳定理的電路圖探索Q和R之間的關系，為保證電壓I恒定，所以采用串聯； 要探究Q與I的關系，需要保證內阻R恒定，電壓I呈指數變化，因此電路設計如圖3所示。其中，R1=R3=5Q，R2=10Q ，即R2=2R1、12=211、R4=R5，內阻為0~20Q，實驗時可根據電壓值確定供電電流。 實驗步驟 按圖3連接電路，閉合開關S，調節滑動變阻器R4，使11=0。
2A，調節滑動變阻器R5，使12=0。 4A，然后關閉開關。 C。 蓋上帶有溫度計探頭的蓋子并擰緊。 閉合開關S，打開秒表，利用手機拍照功能，每隔30s記錄3次數字溫度計讀數。 分析數據以得出推論。 實驗數據處理由于實驗中需要處理的數據量比較大，如果手工估算的話會花費很長時間并且容易出錯，所以采用Excel來輔助分析。 選擇M數據焦耳定律的實驗驗證，選擇圖表中插入的柱狀圖和折線圖，生成圖像，如圖4所示。 圖4 Excel估計的實驗結果 讓中學生觀察圖像并總結“2=221和》3=422，然后引導中學生思考并得到電壓形成的熱量Q與I2、R、t成反比焦耳定律的實驗驗證，即Q=I2Rt。 4、定性實驗 該裝置稍作修改也可用于定性實驗。 如圖2所示，擰下實驗裝置中溫度探頭的蓋子，換上裝有氣球的蓋子。 定性論證電壓與電阻值的熱效應關系，因為電壓產生的熱量可能與內阻R、電流I和通電時間t有關，根據控制的思想研究Q與R的關系變法，并保證電壓I和通電時間t-當然。 根據該原理設計的實驗電路如圖5所示。通過觀察發現，R2內阻瓶塞上的氣球充滿了空氣，首先膨脹起來。 由此可以得出，導體的內阻越大，導體的內阻也越大。 熱量越多。 圖5是定性探討電壓熱效應與內阻關系的電路圖。 定性地證明了電壓的熱效應與電壓大小之間的關系。 由于電壓產生的熱量可能與內阻R、電流I、通電時間t有關，因此按照控制變量法的思想研究Q與電壓的關系。 I關系，保證電壓R和通電時間t固定。
設計如圖6所示的實驗電路，使R1=R2=R3=5Q，R1和R2封裝在啤酒瓶內，R3放在瓶外，則R1=R2，I>11滿足實驗原理。 通過觀察發現，R1內阻瓶塞上的氣球充滿了空氣，先吹了起來。 可見：當內阻通電一定時間后，導體中的電壓越大，形成的熱量就越多。 圖6 定性探索電壓熱效應與電壓關系的電路 圖5 結論 經過反復實驗，該實驗裝置可靠有效，適合課堂演示和小組實驗教學。 作為定性教學時，氣球充氣的動態效果優于U型管。 現象更有趣，更符合中學生的審美，更容易被中學生接受，教學效果更好。 在定量實驗中，使用Excel來處理實驗數據，用圖形更直觀、更容易理解數字之間的關系，這對中學生做實驗產生了啟發。 熱情，也帶動了計算機教學。 因為實驗裝置的制造材料大多是日常生活中的廢棄物，或者是廉價易購的物品，容易獲得且成本低廉，易于實施。 【相關文獻】人民教育出版社、課程教材研究所、化學課程教材研究開發中心。 九年級物理（全一冊）（班主任用書）[M]． 上海：人民教育出版社，2016：170。 人民教育出版社、課程教材研究所、化學課程教材研究開發中心。 化學九年級（全一卷）[M]． 上海：人民教育出版社，2013：100。