利用自制教具对焦耳定律实验的再研究
孙晓兵
摘 要： 焦耳定律是初中物理的重要实验之一，一直以来教师们都对电热与电阻和电流的关系进行着各种实验改进的尝试.从利用电阻丝对煤油加热，通过比较液体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少.到用电阻丝给密闭空气盒内的空气加热，看U型管中液面的高度差.除了无法定量研究以外，还出现了由于实验器材的复杂，导致学生理解上出现困难.为此，笔者对实验装置进行了改进，尝试研究电热与电阻的定量关系.
关键词： 自制教具;焦耳定律
焦耳定律是初中物理的重要实验之一，一直以来教师们都对电热与电阻和电流的关系进行着各种实验改进的尝试.从利用电阻丝对煤油加热，通过比较液体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少.到用电阻丝给密闭空气盒内的空气加热，看U型管中液面的高度差.除了无法定量研究以外，还出现了由于实验器材的复杂，导致学生理解上出现困难.为此，笔者对实验装置进行了改进，尝试研究电热与电阻的定量关系.
1 人教版教材中现有焦耳定律实验的可改进之处
人教版九年级物理教材中对于电流通过导体产生的热量与什么因素有关的实验中，设计了如图1所示的演示实验.
两个透明的容器中密封着等量的空气，U型管中的液面高度的变化反映密闭空气温度的变化.两个密闭容器中各有一段阻值不同的电阻丝，两段电阻丝串联起来接在电源两端，由于串联，所以电流和通电时间相同，一段时间后比较两个U型管中的液面高度差判断电流通过导体产生热量的多少，存在以下不足.
第一，这套实验器材中用到橡胶管连接U型管，对装置盒的密闭性要求较高，所以实验的效果并不理想.
第二，这个装置只可以定性的表示电热与电阻的关系，无法定量研究.
第三，学生对于电热丝发热产生的热量转化成空气受热膨胀，再转化成U型管中的液面高度差来判断电流通过导体产生热量的多少会觉得比较困难.在实验装置的介绍时就觉得很复杂，毕竟进行了多次转换，学生对这种多次转换问题的理解存在着一定的难度.
2 自制教具的设计
为了消除学生的思维障碍，让学生对于电流通过导体产生热量的理解简单一些，笔者设计了如图2所示的实验装置.
2.1 探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系
为了能得出定量的结果，选择了6个阻值不同的发热电阻串联，每个电阻上放置了一个较为灵敏的温度传感器，传感器与数字显示器连接，直接测量的是发热电阻的温度，用电阻升高的温度来表示电流通过导体产生热量的多少.对学生来说，这样的转化过程容易接受.温度的变化直观，而且能够得出定量的关系.三天时间，做了上百次实验，其中多数数据比较理想.根据实验数据也能做出相应的图像.
以几组数据为例（见表1～3）：
由这组数据，利excel表格进行处理，可以画出趋势线，如图3所示.
由这组数据，利excel表格进行处理，可以画出趋势线，如图4所示.
由这组数据，利excel表格进行处理，可以画出趋势线，如图5所示.
大量的数据处理后能得出初步结论：当电流和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量跟电阻成正比.
2.2 探究电流通过导体产生的热量与电流的关系
研究电热与电流的关系时，书上采用的是如图6的实验装置.此装置的最大优点在于电路的设计，阻值相同的电阻在同一个电路中，并且通过两个电阻的电流是倍数关系.仿照这样的设计，笔者把实验的电路也设计成电流成倍数关系的电路.但是使用了两个电路板，分别是电流是2倍和3倍的电路.如图7和图8.
当电流是2倍关系时，数据见表4～5：
当电流是3倍关系时，数据见表6～7：
结合电阻升高的温度和电流的关系，引导学生得出：当电阻和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比.
2.3 探究电流通过导体产生的热量与时间的关系
课本上没有明确探究電流通过导体产生的热量与时间的关系，原因也是由于时间对电热的影响学生们都很熟悉.但是如果是可探究的科学问题，还是需要用数据说话，让学生从简单的探究实验中按照科学的探究方法，在尊重实验事实的基础上，对实验数据能够进行分析并最终得出实验结论.
利用自制教具，只需要保证电阻和电流相同，改变时间，测量发热电阻的温度变化就可以了.为了保证实验数据的准确，每次改变时间的时候都是等到电阻恢复到原来的温度再进行第二次实验，时间花费比较长.如图9所示，相关数据见表8.
结合电阻升高的温度和时间关系的数据，引导学生得出：当电阻和电流一定时，电流通过导体产生的热量与通电时间成正比.
3 实验存在的问题
由于是测量发热电阻的温度，电阻又不是裸露的，所以热传递需要一定的时间.6个电阻串联时，由于电阻较大，需要电源电压较大，而且时间略长，加热需要60s，还要等待90s才能升高到最高的温度.而且时间越长，误差也越大.毕竟发热电阻与环境的热交换也在进行.
研究通电导体产生的热量与电流的关系时，电流差别越大，温度差也越大，也是由于与环境的热交换问题会存在一定的误差.但是加热时间可以比较短，需要30s就可以，等待时间1分钟.
研究通电导体产生的热量与通电时间的关系时，如果用同一个电阻做实验，则需要等待电阻降温，这个过程就更长了.由于学生对这个问题的前认知是正确的，又没有探究难度，所以一般不在课上进行探究.也可以设计如图10的电路，只是这样的电路又涉及到电阻本身的差异和传感器的差异问题.
综上，探究电流通过导体产生的热量与什么因素有关的实验，除了电流没能完成6组数据外，其他的都可以做定量的探究，而且消除了学生的思维障碍，课堂效果显著.
《义务教育物理课程课标（2011版）》已经实行约六年，基础教育课程改革已经全面启动，以核心素养培养为重点的物理课程改革也已经开启，其中明确提出要改变以往单一的教学模式，倡导学习方式多样化，特别是提倡探究式的学习方式.因此，通过自制教具这种需要动手、动脑、动口相结合的实践活动来展开中学物理实验教学，在实践活动中去完成自身知识建构，锻炼动手能力和创新能力.
从培养学生的实验探究性能力这方面来看，自制教具是一条非常有效的途径，它能更好地激发学生的学习兴趣，让学生有终身学习的愿望.另外，利用自制教具不仅可以演示实验现象和探究物理规律，还可以展示各种物理概念和使物理量变得更加直观、易懂且生动有趣，从而加深学生对概念的理解和掌握.不管教师还是学生，大多数都能充分认识到自制教具对物理的教学和对物理知识的学习以及各方面能力的培养都有很大的帮助，能激发学生的创新意识，提高学生的创新能力.
参考文献：
[1]罗世灼.加强物理实验教学 培养实验探究能力[J].佳木斯教育学报，2013（1）.
[2]韦淑敏.自制教具在初中物理教学中的实践研究[D].天津：天津师范大学，2012（3）.
[3]范亚颖.中学物理实验自制教具开发过程中的案例研究[D].北京：首都师范大学，2013.
[4]毛吓梅.运用自制教具提高中学物理演示实验有效性教学的研究[D].福建：福建师范大学，2014（5）.
[5]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011版）[M].北京：人民教育出版社，2012.
摘 要： 焦耳定律是初中物理的重要实验之一，一直以来教师们都对电热与电阻和电流的关系进行着各种实验改进的尝试.从利用电阻丝对煤油加热，通过比较液体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少.到用电阻丝给密闭空气盒内的空气加热，看U型管中液面的高度差.除了无法定量研究以外，还出现了由于实验器材的复杂，导致学生理解上出现困难.为此，笔者对实验装置进行了改进，尝试研究电热与电阻的定量关系.
关键词： 自制教具;焦耳定律
焦耳定律是初中物理的重要实验之一，一直以来教师们都对电热与电阻和电流的关系进行着各种实验改进的尝试.从利用电阻丝对煤油加热，通过比较液体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少.到用电阻丝给密闭空气盒内的空气加热，看U型管中液面的高度差.除了无法定量研究以外，还出现了由于实验器材的复杂，导致学生理解上出现困难.为此，笔者对实验装置进行了改进，尝试研究电热与电阻的定量关系.
1 人教版教材中现有焦耳定律实验的可改进之处
人教版九年级物理教材中对于电流通过导体产生的热量与什么因素有关的实验中，设计了如图1所示的演示实验.
两个透明的容器中密封着等量的空气，U型管中的液面高度的变化反映密闭空气温度的变化.两个密闭容器中各有一段阻值不同的电阻丝，两段电阻丝串联起来接在电源两端，由于串联，所以电流和通电时间相同，一段时间后比较两个U型管中的液面高度差判断电流通过导体产生热量的多少，存在以下不足.
第一，这套实验器材中用到橡胶管连接U型管，对装置盒的密闭性要求较高，所以实验的效果并不理想.
第二，这个装置只可以定性的表示电热与电阻的关系，无法定量研究.
第三，学生对于电热丝发热产生的热量转化成空气受热膨胀，再转化成U型管中的液面高度差来判断电流通过导体产生热量的多少会觉得比较困难.在实验装置的介绍时就觉得很复杂，毕竟进行了多次转换，学生对这种多次转换问题的理解存在着一定的难度.
2 自制教具的设计
为了消除学生的思维障碍，让学生对于电流通过导体产生热量的理解简单一些，笔者设计了如图2所示的实验装置.
2.1 探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系
为了能得出定量的结果，选择了6个阻值不同的发热电阻串联，每个电阻上放置了一个较为灵敏的温度传感器，传感器与数字显示器连接，直接测量的是发热电阻的温度，用电阻升高的温度来表示电流通过导体产生热量的多少.对学生来说，这样的转化过程容易接受.温度的变化直观，而且能够得出定量的关系.三天时间，做了上百次实验，其中多数数据比较理想.根据实验数据也能做出相应的图像.
以几组数据为例（见表1～3）：
由这组数据，利excel表格进行处理，可以画出趋势线，如图3所示.
由这组数据，利excel表格进行处理，可以画出趋势线，如图4所示.
由这组数据，利excel表格进行处理，可以画出趋势线，如图5所示.
大量的数据处理后能得出初步结论：当电流和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量跟电阻成正比.
2.2 探究电流通过导体产生的热量与电流的关系
研究电热与电流的关系时，书上采用的是如图6的实验装置.此装置的最大优点在于电路的设计，阻值相同的电阻在同一个电路中，并且通过两个电阻的电流是倍数关系.仿照这样的设计，笔者把实验的电路也设计成电流成倍数关系的电路.但是使用了两个电路板，分别是电流是2倍和3倍的电路.如图7和图8.
当电流是2倍关系时，数据见表4～5：
当电流是3倍关系时，数据见表6～7：
结合电阻升高的温度和电流的关系，引导学生得出：当电阻和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比.
2.3 探究电流通过导体产生的热量与时间的关系
课本上没有明确探究電流通过导体产生的热量与时间的关系，原因也是由于时间对电热的影响学生们都很熟悉.但是如果是可探究的科学问题，还是需要用数据说话，让学生从简单的探究实验中按照科学的探究方法，在尊重实验事实的基础上，对实验数据能够进行分析并最终得出实验结论.
利用自制教具，只需要保证电阻和电流相同，改变时间，测量发热电阻的温度变化就可以了.为了保证实验数据的准确，每次改变时间的时候都是等到电阻恢复到原来的温度再进行第二次实验，时间花费比较长.如图9所示，相关数据见表8.
结合电阻升高的温度和时间关系的数据，引导学生得出：当电阻和电流一定时，电流通过导体产生的热量与通电时间成正比.
3 实验存在的问题
由于是测量发热电阻的温度，电阻又不是裸露的，所以热传递需要一定的时间.6个电阻串联时，由于电阻较大，需要电源电压较大，而且时间略长，加热需要60s，还要等待90s才能升高到最高的温度.而且时间越长，误差也越大.毕竟发热电阻与环境的热交换也在进行.
研究通电导体产生的热量与电流的关系时，电流差别越大，温度差也越大，也是由于与环境的热交换问题会存在一定的误差.但是加热时间可以比较短，需要30s就可以，等待时间1分钟.
研究通电导体产生的热量与通电时间的关系时，如果用同一个电阻做实验，则需要等待电阻降温，这个过程就更长了.由于学生对这个问题的前认知是正确的，又没有探究难度，所以一般不在课上进行探究.也可以设计如图10的电路，只是这样的电路又涉及到电阻本身的差异和传感器的差异问题.
综上，探究电流通过导体产生的热量与什么因素有关的实验，除了电流没能完成6组数据外，其他的都可以做定量的探究，而且消除了学生的思维障碍，课堂效果显著.
《义务教育物理课程课标（2011版）》已经实行约六年，基础教育课程改革已经全面启动，以核心素养培养为重点的物理课程改革也已经开启，其中明确提出要改变以往单一的教学模式，倡导学习方式多样化，特别是提倡探究式的学习方式.因此，通过自制教具这种需要动手、动脑、动口相结合的实践活动来展开中学物理实验教学，在实践活动中去完成自身知识建构，锻炼动手能力和创新能力.
从培养学生的实验探究性能力这方面来看，自制教具是一条非常有效的途径，它能更好地激发学生的学习兴趣，让学生有终身学习的愿望.另外，利用自制教具不仅可以演示实验现象和探究物理规律，还可以展示各种物理概念和使物理量变得更加直观、易懂且生动有趣，从而加深学生对概念的理解和掌握.不管教师还是学生，大多数都能充分认识到自制教具对物理的教学和对物理知识的学习以及各方面能力的培养都有很大的帮助，能激发学生的创新意识，提高学生的创新能力.
参考文献：
[1]罗世灼.加强物理实验教学 培养实验探究能力[J].佳木斯教育学报，2013（1）.
[2]韦淑敏.自制教具在初中物理教学中的实践研究[D].天津：天津师范大学，2012（3）.
[3]范亚颖.中学物理实验自制教具开发过程中的案例研究[D].北京：首都师范大学，2013.
[4]毛吓梅.运用自制教具提高中学物理演示实验有效性教学的研究[D].福建：福建师范大学，2014（5）.
[5]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011版）[M].北京：人民教育出版社，2012.
