摘 要：九年義務(wù)教育教科書北師大版9年級《物理》，第十三章第四節(jié)《探究——電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》。按照教材中的實驗方案和裝置進行實驗只能得出定性結(jié)論，不能得出定量結(jié)論，效果一般。并且所用實驗器材多，操作不方便、難度大，費時、復(fù)雜、學(xué)生觀看不直觀；不能連續(xù)或重復(fù)進行實驗。加熱時間長，學(xué)生注意力容易分散，不利于組織課堂教學(xué)。我改進后的實驗方案和裝置所用電路簡單，實驗器材少，操作方便，實驗的難度小，省時、簡單、直觀明了、對比性好；能連續(xù)或重復(fù)進行實驗，有利于組織課堂教學(xué)，進行科學(xué)探究。改進后在允許的誤差范圍內(nèi)可以得出定量結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電流的熱效應(yīng)；實驗方案；改進

我改進的實驗是九年義務(wù)教育教科書北師大版9年級《物理》，第十三章第四節(jié)《探究：電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)》。

【實驗?zāi)康摹孔寣W(xué)生通過實驗探究，找出電流的熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)。

【教材中實驗方案】利用電流的熱效應(yīng)加熱質(zhì)量相同的同種液體，通過液體溫度的升高情況判斷通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少。

在多年的教學(xué)實踐過程中，此實驗只能得出定性結(jié)論，不能得出定量結(jié)論，效果一般。在實驗中還有以下問題和不足：

第一，上課時一般選用取材方便的水做實驗，由于水的比熱容較大，在吸收熱量時溫度升高十分緩慢，導(dǎo)致實驗時間較長。如果上課用比熱容較小的其他液體，如煤油、植物油、酒精等，不僅存在取材不方便、成本高，也同樣存在溫度升高慢、實驗耗時長的問題。實驗時間長容易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散，不利于組織課堂教學(xué)。

第二，為了探究電流的熱效應(yīng)與電阻以及電流的關(guān)系，實驗中采用控制變量法進行探究，需要分兩次進行實驗。在探究完電流的熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系后，如果不更換瓶中液體，要等待兩只燒瓶內(nèi)液體的溫度降到相同溫度，然后改變電流的大小才能繼續(xù)進行探究電流的熱效應(yīng)與電流的關(guān)系。但是燒瓶中的液體降溫過程相比升溫過程要更加緩慢，需要經(jīng)歷較長時間兩只燒瓶內(nèi)液體的溫度才能一致，不便于連續(xù)或重復(fù)進行實驗，并且在實驗過程中更換液體也比較麻煩。

第三，按照教材進行實驗探究所用電路復(fù)雜，實驗器材多，操作不方便，實驗的難度大。

針對以上問題，我對該實驗方案和裝置做了相應(yīng)的改進。

【實驗方案】利用電流的熱效應(yīng)加熱質(zhì)量相同的空氣，通過比較受熱膨脹的空氣使染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況，判斷通電導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少。改進后在允許的誤差范圍內(nèi)可以定量地得出：電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時間成正比，即焦耳定律。

【實驗設(shè)計思想】空氣的比熱容小，升溫、降溫快?？諝獾臒崤蛎浵禂?shù)大，靈敏度高，操作方便，實驗現(xiàn)象明顯，可見度大，效果好。實驗時染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況直觀、明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前，對比性好。

【實驗裝置】如下圖所示。

【實驗操作步驟】

a. 先利用投影或輔助黑板介紹改進后的裝置，說明實驗?zāi)康募把芯繉ο蟆?/p>

b. 用量筒向形狀、規(guī)格相同的兩瓶中分別加入適量的等體積的染成紅色的水，電阻絲不接觸水，保證吸熱物質(zhì)主要是空氣。

c. 探究電流的熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系：按圖甲組裝、連接實物并檢查線路。引導(dǎo)學(xué)生分析，左邊瓶中電阻絲電阻為nR，右邊瓶中電阻絲電阻為R。整個電路串聯(lián)保證了電路中電流相等，通電時間相等。閉合開關(guān)給空氣加熱，指導(dǎo)學(xué)生觀察染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況（在細(xì)玻璃管側(cè)粘貼有帶刻度的紙標(biāo)尺），可以看到，當(dāng)電路中的電流及通電時間相同時，左邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升的高度是右邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升高度的n倍，即左邊瓶中電流產(chǎn)生的熱量是右邊瓶中的n倍，表明在電流大小和通電時間相同的條件下，電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟導(dǎo)體的電阻成正比。

d. 探究電流的熱效應(yīng)與電流的關(guān)系：按圖乙組裝、連接實物并檢查線路。引導(dǎo)學(xué)生分析，右邊瓶里與瓶外n個等值電阻絲（R，n個R）并聯(lián)后與左邊瓶中電阻絲（R）串聯(lián)，根據(jù)串并聯(lián)電路特點可知，通過右邊瓶中電阻絲的電流是通過左邊瓶中電阻絲電流的1/（n+1）。閉合開關(guān)給空氣加熱，指導(dǎo)學(xué)生觀察染成紅色的水在細(xì)玻璃管中升高的情況，可以看到，當(dāng)電阻相等、通電時間相同時，右邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升的高度是左邊瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升高度的1/（n+1）2，即左邊瓶中電流產(chǎn)生的熱量是右邊瓶中的（n+1）2倍，表明在電阻和通電時間相同的條件下，電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比。

在做甲、乙兩次實驗過程中，分析其中任意一瓶中染成紅色的水在細(xì)玻璃管中上升的情況，都可以看出通電時間越長，液柱上升越高，因此可以得知電流熱效應(yīng)與通電時間成正比。通過上述多次實驗，在允許的誤差范圍內(nèi)便可以定量地得出焦耳定律。

【實驗的優(yōu)點】

1. 用空氣作為吸熱物質(zhì)，空氣的比熱容小，升溫、降溫快。加熱時間短，實驗時間短。能連續(xù)或重復(fù)進行實驗，有利于組織課堂教學(xué)。

2. 空氣的熱膨脹系數(shù)大，靈敏度高，實驗現(xiàn)象更為明顯。

3. 實驗過程中，染成紅色的水在玻璃管中上升的情況，直觀、明了地展現(xiàn)在學(xué)生面前，增大了可見度，對比性好，能吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生進行科學(xué)探究的興趣。

4. 所用電路簡單，實驗器材少，操作方便，降低了實驗的難度。

5. 在允許的誤差范圍內(nèi)可以定量地得出焦耳定律的具體內(nèi)容。

【注意事項】

1. 橡膠塞要塞緊，玻璃管管口要插入液面下一定深度，確保良好的氣密性。

塞緊橡膠塞時，瓶內(nèi)氣體壓強會大于外面大氣壓強，氣壓差會使染成紅色的水在細(xì)玻璃管內(nèi)上升到一定的高度?？稍谙鹉z塞上多打個孔，并插上帶半截橡膠管的細(xì)玻璃管，橡膠管用夾子夾住，實驗前打開夾子，使瓶內(nèi)外氣體壓強相等，消除實驗前瓶內(nèi)外氣體壓強差對實驗的影響，然后用夾子夾住橡膠管保證裝置的氣密性。這時玻璃管里的液面在同一水平線上。燒瓶內(nèi)作為吸熱物質(zhì)的空氣的體積、質(zhì)量也是相等的。

2. 電阻絲不要觸及染成紅色的水，保證吸熱物質(zhì)主要是空氣。

3. 要注意避免電阻絲觸及燒瓶及玻璃管，在制作穿孔時，孔的尺寸要適中，以保證良好的氣密性。

作者簡介：

郭秉柏，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣第六中學(xué)。