焦耳定律实验「焦耳定律演示实验最新改进」

本发明属于演示仪基于领域,特别涉及一种焦耳定律实验演示仪及实验方法。 背景技术: 传统的焦耳定律演示仪,用电阻丝加热液体,通过观察煤油柱的上升得出结论。 由...

焦耳及焦耳定律简介

探析焦耳定律实验的五个问题

英国物理学家焦耳做了大量实验,于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系,电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律( Joule law)

在初中物理教学中,焦耳定律及其实验这一部分教学内容,属于重要的内容,他在中考中也占有很重要的地位。

学生在实验教学中会遇到许多问题,经常会讨论。下面挑选几个代表性的问题一些交流与探讨,便于对焦耳定律的实验有一个深刻的印象和进一步的了解。

一、焦耳定理实验的探究方法是控制变量法。

什么是控制变量法呢?

物理学中对于多因素(多变量)的问题,常常采用控制因素(变量)的方法,把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素,而控制其余几个因素不变,从而研究被改变的这个因素对事物的影响,分别加以研究,最后再综合解决,这种方法叫控制变量法。它是科学探究中的重要思想方法,广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。

在焦耳定律实验中,要探究的是电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。当我们研究热量与电阻关系的时候,需要控制电流和通电时间是不变的。在实验过程中,改变电阻的大小,观察、分析热量是如何变化的,从而找到热量和电阻的关系。

如图所示,

探析焦耳定律实验的五个问题

两个透明容器中密封着等量的空气,U形管中液面高度的变化,反映密闭空气温度的变化。两个密闭容器中都有一段电阻丝,右边容器中的电阻比较大。两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端,通过两段电阻丝的电流相同。通电一定时间后,比较两个U形管中液面高度的变化。

在上面的实验装置中,就是控制了电流和通电时间,只是改变了电阻。从实验装置就可以看出,这是一个探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系。

探析焦耳定律实验的五个问题

从上面的这个图中可以看出,它是研究热量和哪个因素的关系?控制了哪些因素是不变的?

在初中物理实验的探究中,许多实验都是运用了控制变量法。如:探究声音的音调与频率的关系;探究声音的响度与振幅的关系;探究动能大小与哪些因素有关等等实验

二、在焦耳定律实验中,也运用了转换法。

所谓"转换法",主要是指在保证效果相同的前提下,将不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象;将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题;将难以测量或测准的物理量转换为能够测量或测准的物理量的方法。初中物理在研究概念规律和实验中多处应用了这种方法。

在焦耳定律实验中,电流通过导体产生热量的多少,我们是看不见、摸不着,也不便于测量的。那么如何比较5欧的电阻和10欧的电阻哪个放出的热量多呢?实验中电流通过电阻丝放出热量会使空气受热膨胀,放出的热量越多,空气膨胀得也越多,使U形玻璃管中的水柱升高的就越多。

所以我们在这个实验中是比较U形玻璃管中的水面,哪个升得高,哪个电阻丝产生的热量就越多。这就是转换法的应用。

初中物理实验中,运用转换法的实验有,探究声音产生的原因、探究液体压强的特点、探究压力的作用效果等等。

三、焦耳定律实验中,空气可以用煤油、水和沙子这些材料代替吗?

如果用煤油、水或者沙子代替空气,那么实验现象不明显,效果不太好。

与空气相比,电阻丝在加热煤油的过程中,煤油需要吸收较多的热量,温度才会上升,做这个实验需要的时间会变长。由于水的比热容比煤油大,相同质量的水和没有吸收了相同的热量后,水的温度升高的少,所以实验效果还不如煤油。沙子与煤油和水相比,它的比热容小,受热后温度会升高的快,但是用电阻丝加热沙子的时候,沙子受热不均匀,需要不停的搅拌,这样的操作,在实验过程中也是很不方便的。

所以空气是最好的实验材料。

经常这样分析实验装置的合理性,可以培养学生的设计实验的能力和思维能力,杜绝了实验的生搬硬套。

四、本实验中,U形玻璃管可以用温度计代替吗?

不可以代替。

空气是装在密闭的容器中,当插入温度计以后,温度计的玻璃泡也需要密封在容器中。这样电阻在加热的过程中,容器内的空气受热膨胀,热空气会涨破密闭的容器,导致实验失败。

如果插入温度计,不密封温度计的玻璃泡,那么空气受热膨胀就会跑到容器的外面,并且带走了热量,这样也不便于比较电阻丝产生热量的多少。

即使没有上述的原因,用温度计代替U形玻璃管也是不可取的。因为电阻丝加热容器内空气的过程中,空气温度的变化,不足以使温度计的示数较快的上升,观察效果不明显。

五、本实验中,并联一个5欧电阻的作用是什么?

探析焦耳定律实验的五个问题

如图所示,两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器的外部,将一个电阻和这个容器内的电阻并联,它的作用是使通过两容器中电阻的电流不同。通过左边电阻的电流大。在时间相同的情况下,观察两个U形管中液面高度的变化。简言之,并联一个5欧电阻的作用就是改变通过电阻的电流大小。

以上五个问题就是在教学过程当中,学生们积累和发现的。其实学生们还有许多想问的问题需要解答。我认为,对待物理实验,学生们应该寻找一切可以抓住的机会动手操作。在实验的过程中尽情地体验,只有尽情地体验,才能感悟到那些只有通过实验才能得到的东西,那是课本上没有的,老师也不一定能讲到的东西。那些惊奇的发现,只有通过实验才能获得。

关于焦耳定律实验,大家还有什么需要交流的问题吗?请分享。

大家在实验过程中还有什么感悟,请交流。

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