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[!--downpath--]焦耳定理定性定量验证的实验装置 侯耀东 出版物名称】《物理实验》年份（卷）第7期]2019（039）011 [总页数]3页（P62-64）关键词]焦耳定理； 电压; 内阻 作者]侯耀东 作者单位]广东新乡胜利34学校 文字语言]中文分类]G633.7 中学数学和热学中的重要定律设置定量实验，如：欧姆定理。 课本上不仅设置了定量探究实验，还借助图像定量分析了电压和电流之间的关系，为推论I=U/R提供了充足的数据支持，可谓中学的完美案例数学探究实验。 但焦耳定理，这也是一个重要的定律[1]，却没有得到同样的待遇。 焦耳定理实验只安排定性实验。 虽然可以解释问题，但是对于严谨的数学来说还是显得有些苍白。 焦耳定理中没有安排定量实验的主要原因是Q=I2Rt存在平方反比关系，而这种关系很难通过实验来表达。 虽然可以找到实验模型，但在中学数学课堂上要估算大量数据并不容易。 为了将焦耳定理的定性实验拓展为既可以定性又可以定量的实验，进行了相应的设计。 1 改进实验模型，确定实验介质焦耳定理Q=I2Rt，表达了电压形成的热量Q与电压I、电阻R和通电时间t之间的关系[2]。 要建立这种关系，需要找到被电压加热的介质，并通过Q=cmAt估算导体释放的热量。 首先选择实验所用的介质。
理论上，由于某些固体材料在加热过程中体积基本不变（温度变化较小时可忽略不计），由热力学定理可知，吸热后体积保持不变，只有平均动能分子的数量减少，这表现为温度的变化。 因此，只有在质量和加热时间一定的情况下测量温度变化，才能确定内能变化的数量。 但要适合课堂教学，实验时间必须短，因此只能使用导热性好的金属，而且由于金属本身导电，不适合作为焦耳定理验证实验的介质。 液体很容易克服固体的缺点，但液体的比热容较大，加热后温度变化缓慢，不适合课堂教学。 空气中的二氧化碳是最容易获得的介质。 空气的导热能力不强，但有很强的对流作用，不导热。 确保实验的科学性； 如果密封在容器中，加热时间短，其体积膨胀不显着，可以忽略不计，可以很好地满足实验的要求。 分析实验原理。 将电的内阻放入密闭绝缘的容器中，加热密闭容器内的空气，吸收的热量与温度下降的关系可由Q=cmAt确定，因为二氧化碳的密闭质量是固定的，且在一定时间内可以被吸收。 二氧化碳的热量仅与温度下降有关。 只有测量二氧化碳的温度下降，才能确定其吸收热量的变化，进而确定内阻形成的热量的变化。 理想情况下，当通电时间和电流一定时，只要内阻R加倍，测得的热量Q也加倍，这意味着内阻形成的热量Q与电阻R成反比； 同样，内阻R和电压I定时，时间t加倍。 如果测得的热量Q加倍，则表示Q与t成反比； 当通电时间和内阻一定时，通过等内阻的电压为11=212，如果测得形成的热量Q变化4倍，则可以说明Q与平方成反比我的。
2、实验设备制作：大型透明啤酒瓶3个、10Q线绕内阻3个、5Q线绕内阻3个、带探头数字温度计3个、“兄弟好”胶水和双面胶1套磁带。 装置制作 1）用酒精灯加热钳子，在啤酒瓶左侧熔化一个小孔。 2）将螺母穿过内电阻两端的接线孔，用钳子将螺栓穿过瓶子上的小孔，在小孔周围涂上一层（避免漏油），拧上螺母。 3）检查气密性，盖上盖子，放在水底，观察是否有气泡。 4）在盖子上扎一个小孔，穿过湿度计的探头，调整导线的粗细，使探头不碰到内阻线圈，然后用胶水把小孔粘上，最后粘在带双面胶带的啤酒瓶。 制作的装置如图1所示。 5）用钳子将“尖叫”饮料瓶口内的结构拆掉，并在瓶口上放一个吝啬球。 成品装置如图2所示。 图1 定量验证焦耳定理的实验装置 图2 定性验证焦耳定理的实验装置 3 定量实验电路设计 图3 定量验证焦耳定理的电路图探索Q和R之间的关系，为保证电压I恒定，所以采用串联； 要探究Q与I的关系，需要保证内阻R恒定，电压I呈指数变化，因此电路设计如图3所示。其中，R1=R3=5Q，R2=10Q ，即R2=2R1、12=211、R4=R5，内阻为0~20Q，实验时可根据电压值确定供电电流。 实验步骤 按图3连接电路，闭合开关S，调节滑动变阻器R4，使11=0。
2A，调节滑动变阻器R5，使12=0。 4A，然后关闭开关。 C。 盖上带有温度计探头的盖子并拧紧。 闭合开关S，打开秒表，利用手机拍照功能，每隔30s记录3次数字温度计读数。 分析数据以得出推论。 实验数据处理由于实验中需要处理的数据量比较大，如果手工估算的话会花费很长时间并且容易出错，所以采用Excel来辅助分析。 选择M数据焦耳定律的实验验证，选择图表中插入的柱状图和折线图，生成图像，如图4所示。 图4 Excel估计的实验结果 让中学生观察图像并总结“2=221和》3=422，然后引导中学生思考并得到电压形成的热量Q与I2、R、t成反比焦耳定律的实验验证，即Q=I2Rt。 4、定性实验 该装置稍作修改也可用于定性实验。 如图2所示，拧下实验装置中温度探头的盖子，换上装有气球的盖子。 定性论证电压与电阻值的热效应关系，因为电压产生的热量可能与内阻R、电流I和通电时间t有关，根据控制的思想研究Q与R的关系变法，并保证电压I和通电时间t-当然。 根据该原理设计的实验电路如图5所示。通过观察发现，R2内阻瓶塞上的气球充满了空气，首先膨胀起来。 由此可以得出，导体的内阻越大，导体的内阻也越大。 热量越多。 图5是定性探讨电压热效应与内阻关系的电路图。 定性地证明了电压的热效应与电压大小之间的关系。 由于电压产生的热量可能与内阻R、电流I、通电时间t有关，因此按照控制变量法的思想研究Q与电压的关系。 I关系，保证电压R和通电时间t固定。
设计如图6所示的实验电路，使R1=R2=R3=5Q，R1和R2封装在啤酒瓶内，R3放在瓶外，则R1=R2，I>11满足实验原理。 通过观察发现，R1内阻瓶塞上的气球充满了空气，先吹了起来。 可见：当内阻通电一定时间后，导体中的电压越大，形成的热量就越多。 图6 定性探索电压热效应与电压关系的电路 图5 结论 经过反复实验，该实验装置可靠有效，适合课堂演示和小组实验教学。 作为定性教学时，气球充气的动态效果优于U型管。 现象更有趣，更符合中学生的审美，更容易被中学生接受，教学效果更好。 在定量实验中，使用Excel来处理实验数据，用图形更直观、更容易理解数字之间的关系，这对中学生做实验产生了启发。 热情，也带动了计算机教学。 因为实验装置的制造材料大多是日常生活中的废弃物，或者是廉价易购的物品，容易获得且成本低廉，易于实施。 【相关文献】人民教育出版社、课程教材研究所、化学课程教材研究开发中心。 九年级物理（全一册）（班主任用书）[M]． 上海：人民教育出版社，2016：170。 人民教育出版社、课程教材研究所、化学课程教材研究开发中心。 化学九年级（全一卷）[M]． 上海：人民教育出版社，2013：100。