焦耳及焦耳定理簡介
焦耳簡介
日本化學(xué)學(xué)家焦耳做了大量實(shí)驗(yàn)，于1840年最先精確地確定了電壓形成的熱量跟電壓、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系電壓通過導(dǎo)體形成的熱量跟電壓的二次方成反比，跟導(dǎo)體的阻值成反比，跟通電時(shí)間成反比。這個(gè)規(guī)律稱作焦耳定理(Joulelaw)
在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們除了要學(xué)會(huì)操作，并且還要學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)前的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)后的交流評估這兩個(gè)環(huán)節(jié)。下邊通過闡述實(shí)驗(yàn)中的一些問題，去感受和領(lǐng)會(huì)如何去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和交流評估。
一、焦耳定理實(shí)驗(yàn)的探究方式是控制變量法。
要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)物理焦耳定律實(shí)驗(yàn)做法，就要曉得研究化學(xué)問題的方式。在焦耳定理實(shí)驗(yàn)中用到的方式就是控制變量法。
哪些是控制變量法呢？
化學(xué)學(xué)中對于多誘因(多變量)的問題，往往采用控制誘因(變量)的方式，把多誘因的問題弄成多個(gè)單誘因的問題。每一次只改變其中的某一個(gè)誘因，而控制其余幾個(gè)誘因不變，因而研究被改變的這個(gè)誘因?qū)κ挛锏挠绊懀謩e加以研究，最后再綜合解決，這些方式叫控制變量法。它是科學(xué)探究中的重要思想方式，廣泛地運(yùn)用在各類科學(xué)探求和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中。
在焦耳定理實(shí)驗(yàn)中，要探究的是電壓通過導(dǎo)體形成的熱量與電壓、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)我們研究熱量與內(nèi)阻關(guān)系的時(shí)侯，須要控制電壓和通電時(shí)間是不變的。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變阻值的大小，觀察、分析熱量是怎樣變化的，因而找到熱量和內(nèi)阻的關(guān)系。
探究電熱與內(nèi)阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置
如圖所示，兩個(gè)透明容器中密封著等量的空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣濕度的變化。兩個(gè)密閉容器中都有一段內(nèi)阻絲，右側(cè)容器中的內(nèi)阻比校大。兩容器中的內(nèi)阻絲串聯(lián)上去接到電源兩端，通過兩段阻絲的電壓相同。通電一定時(shí)間后，比教兩個(gè)U形管中液面高度的交化。
在如圖所示的裝置中，就是控制了電壓和通電時(shí)間，只是改變了內(nèi)阻。從實(shí)驗(yàn)裝置就可以看出，這是一個(gè)探究電壓通過導(dǎo)體形成的熱量與內(nèi)阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置。
考考你，從下邊的這個(gè)圖中可以看出，它是研究熱量和那個(gè)誘因的關(guān)系？控制了什么誘因是不變的？
探究電熱與電壓關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置
在中學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究中，許多實(shí)驗(yàn)都是運(yùn)用了控制變量法。如：探究聲音的響度與頻度的關(guān)系；探究聲音的音調(diào)與振幅的關(guān)系；探究動(dòng)能大小與什么誘因有關(guān)等等實(shí)驗(yàn)。
二、在焦耳定理實(shí)驗(yàn)中，也運(yùn)用了轉(zhuǎn)換法
在焦耳定理實(shí)驗(yàn)中，還用到了另外一種研究化學(xué)問題的方式----轉(zhuǎn)換法。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)之前，這種都是應(yīng)當(dāng)曉得的。
所謂"轉(zhuǎn)換法"，主要是指在保證療效相同的前提下，將不可見、不易見的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成可見、易見的現(xiàn)象;將陌生、復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)換成熟悉、簡單的問題;將無法檢測或測準(zhǔn)的化學(xué)量轉(zhuǎn)換為才能檢測或測準(zhǔn)的化學(xué)量的方式。中學(xué)數(shù)學(xué)在研究概念規(guī)律和實(shí)驗(yàn)中多處應(yīng)用了這些技巧。
在焦耳定理實(shí)驗(yàn)中，電壓通過導(dǎo)體形成熱量的多少，我們是看不見、摸不著，也是不易于檢測的。這么怎樣比較5歐的內(nèi)阻和10歐的阻值那個(gè)放出的熱量多呢？實(shí)驗(yàn)中電流通過內(nèi)阻絲放出熱量會(huì)使空氣受熱膨脹，放出的熱量越多，空氣膨脹得也越多，使U形玻璃管中的火柱下降的就越多。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中是通過比較U形玻璃管中的海面高低，間接比較那個(gè)內(nèi)阻絲形成的熱量多。這就是轉(zhuǎn)換法的應(yīng)用。
中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用轉(zhuǎn)換法的實(shí)驗(yàn)有，探究聲音形成的緣由、探究液體浮力的特性、探究壓力的作用療效等等。
三、焦耳定理實(shí)驗(yàn)中，空氣可以用煤油、水和石子這種材料取代嗎？
在先前的教材中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也是用煤油做的。如圖
探究焦耳定理
假如用煤油、水或則石子取代空氣，這么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不顯著，療效不太好。
理由如下，與空氣相比，內(nèi)阻絲在加熱煤油的過程中，煤油須要吸收較多的熱量，氣溫就會(huì)上升，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)須要的時(shí)間會(huì)變長。
因?yàn)樗谋葻崛荼让河痛螅嗤|(zhì)量的水和煤油吸收了相同的熱量后，水的氣溫下降的少，所以實(shí)驗(yàn)療效還不如煤油。
石子與煤油和水相比，它的比熱容小，受熱后氣溫會(huì)下降的快，并且用內(nèi)阻絲加熱石子的時(shí)侯，石子受熱不均勻物理焦耳定律實(shí)驗(yàn)做法，須要不停的攪拌，這樣的操作，在實(shí)驗(yàn)過程中也是很不便捷的。
所以空氣是最好的實(shí)驗(yàn)材料。
類似的問題會(huì)在課堂的交流評估環(huán)節(jié)中，中學(xué)生們經(jīng)常會(huì)問到，也常常這樣剖析實(shí)驗(yàn)裝置的合理智，也剖析實(shí)驗(yàn)過程中不成功之處，這樣的交流可以培養(yǎng)中學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力和思維能力，避免了實(shí)驗(yàn)的生搬硬套。
四、本實(shí)驗(yàn)中，U形玻璃管可以用體溫計(jì)取代嗎?
這個(gè)問題中學(xué)生們會(huì)經(jīng)常問到，認(rèn)為比較體溫的高低就應(yīng)當(dāng)用體溫計(jì)。
回答是：不可以替代。
空氣是裝在密閉的容器中，當(dāng)插入體溫計(jì)之后，濕度計(jì)的玻璃泡也須要密封在容器中。這樣內(nèi)阻在加熱的過程中，容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，熱空氣會(huì)漲破密閉的容器，造成實(shí)驗(yàn)失敗。
假如插入濕度計(jì)，不密封濕度計(jì)的玻璃泡，這么空氣受熱膨脹還會(huì)挪到容器的外邊，但是帶走了熱量，這樣也不易于比較內(nèi)阻絲形成熱量的多少。
雖然沒有上述的緣由，用體溫計(jì)取代U形玻璃管也是不可取的。由于內(nèi)阻絲加熱容器內(nèi)空氣的過程中，空氣濕度的變化，不足以使體溫計(jì)的示數(shù)較快的上升，觀察療效不顯著。
在日常生活中會(huì)常常用到體溫計(jì)，如圖
實(shí)驗(yàn)用體溫計(jì)
五、本實(shí)驗(yàn)中，并聯(lián)一個(gè)5歐阻值的作用是哪些？
如圖所示，兩個(gè)密閉容器中的阻值一樣大，在其中一個(gè)容器的外部，將一個(gè)內(nèi)阻和這個(gè)容器內(nèi)的內(nèi)阻并聯(lián)，它的作用是改變通過右側(cè)容器中電阻的電壓大小。
簡言之，并聯(lián)一個(gè)5歐內(nèi)阻的作用就是改變通過右側(cè)容器內(nèi)內(nèi)阻的電壓大小。
改變通過容器內(nèi)內(nèi)阻的電壓大小，還有其它的辦法嗎？請說一說。
通過以上五個(gè)問題點(diǎn)點(diǎn)嘀嘀的分析中，我們要曉得設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要曉得探究化學(xué)問題的方式是哪些，之后從方式入手，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟；實(shí)驗(yàn)后的交流評估也很重要，它是對實(shí)驗(yàn)過程的反省、總結(jié)和延展。主要從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象等方面進(jìn)行必要的交流和評估。
我覺得，對待化學(xué)實(shí)驗(yàn)，中學(xué)生們應(yīng)當(dāng)找尋一切可以抓牢的機(jī)會(huì)動(dòng)手操作。在實(shí)驗(yàn)的過程中恣意地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程。只有恣意地體驗(yàn)，能夠體會(huì)到這些只有通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫降臇|西，那是課本上沒有的，老師也不一定能提到的東西。這些驚奇的發(fā)覺，只有通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得。
玩樂高，不如玩實(shí)驗(yàn)器材，這種東西也是很有趣的。想要做實(shí)驗(yàn)，器材是很容易得到的，不僅僅是只有中學(xué)里才有。如圖
熱學(xué)實(shí)驗(yàn)器材
關(guān)于焦耳定理實(shí)驗(yàn)，你們還有哪些須要交流的問題嗎？請分享。
你們在實(shí)驗(yàn)過程中還有哪些感受，請交流。