卢耀棠
广东省东莞市茶山中学 523385
摘要：本文尝试把焦耳定律实验中的发热电阻改为用电热水壶进行探究，向电热水壶中加入定量的水进行加热，用温度计测出各个水壶中水温的变化，再设计一个表格收集数据，计算出各个水壶中的水吸收的热量，从而比较各水壶中电阻丝产生的热量的大小。经这样的改进能使学生通过表格找出热量的数据而推导出焦耳定律实验的结论，学生更容易理解各个发热丝所产生的热量之间的关系。
关键词：电流 电阻 时间 热量 焦耳定律
物理学是一门以实验探究为主，实操能力要求较高的一门学科。通过让学生进行实验和观察，从而培养学生的探究创新精神、树立追求真理的意识、科学的世界观。焦耳定律在初中的教学中有很多难点，其中热量的产生的多少是较难测量出准确数值的，对热量进行比较时，只能通过转换法来实现，学生比较难理解。 笔者现将焦耳定律在教学中学生出现的难点和疑点，比如判断电阻是否产生了热量、产生的热量怎样测量等问题，谈谈自己在教学中的一些心得和看法。
一、焦耳定律实验常规做法及在平时教学中存在的问题
(一)初三课本中的焦耳定律实验设计是采用发热电阻产生的热量加热密闭盒内的空气，把U型管中红色液体压向一方，形成高度差，通过比较高度差来判断两个电阻产生的热量的大小，这是利用转换法来达到实验目标的，学生不易明白其中的原理。电阻通电后加热盒内的空气时学生无法观测到或感受到空气被加热，大部分学生不明白U型管中为什么会出现的高度差，为什么通过比较高度差就能判断产生的热量的多少，两个电阻产生的热量是否符合焦耳定律中表述的那种关系，他们也经常提出疑问，传统的实验教学效果较差，通过传统实验得出的结论由于不理解而学生记得不牢固，容易忘记。
(二)平时在做这个实验时由于连接U型管的胶管以及密封的空气盒容易漏气，同时接口也易出现漏气现象，U型管中的红色液体很常出现的高度差不符合焦耳定律中所讲的比例关系，影响了实验的效果。
(三)课本中关于电阻产生的热量与电流、电阻、时间的关系，其设计的实验电路图只提供了热量与电阻的关系的实验电图，而产生的热量与电流、时间关系的电路图没有提供给学生, 这给学生带来很大的疑惑。教师可充分利用课本这一点来培养学生的创新探究能力，提高学生的动手操作能力和不怕困难，挑战困难的核心素养。
（四）三个实验都是探究电阻产生的热量多少，但实验结果却没有直接得出产生的热量的具体数据，比较热量时只能通过比较U型管中的高度差，这样比较笼统。而本人通过对实验做改进，增加一个表格收集数据并从收集得来的数据准确计算出产生的热量，通过比较数据而得出结论，这样一来直观性强，易懂明白，同学们对实验的结论印象深刻，容易牢记。
二、焦耳定律实验教学改进与创新
(一)需要的实验器材
电功率为500W的电热水壶3个，电功率为1000W的电热水壶、温度计、秒表、天平、烧杯各一个，适量的水。
（二）实验操作改进的地方
（1）本文把电阻产生的热量加热空气，推动U型管中的液体上升形成高度差，改为采用电热水壶直接加热壶中定量的水，再用温度计测出壶中水温的变化。
（2）设计一个表格记录实验中的数据，再根据表格中的数据计算出电热水壶中水吸收的热量，从而得出结论。
(三 )具体实验设计如下
实验1.探究电流通过电热水壶时产生的热量与电阻的关系。
电路设计如图1所示，把R1=1000W和R2=500W的电热水壶按图1串联后接在电压为220V的家庭电路上，再用天平称出两杯质量为0.5kg的水分别倒入R1和R2两个电热水壶中，在壶中放入温度计，测出水的初始温度和末的温度，并记录在表1中，根据表1中的数据代入公式Q=cm(t末-to),分别计算出两个电热水壶产生的热量并进行比较，得出结论。
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表 1
实验结论：（让学生总结）
让学生通过观察表格中的热量的数据直接可得出如下结论：当电热水壶通过的电流相同、加热时间相同时，电热水壶R2产生的热量比电热水壶R1产生的热量多，即产生的热量跟电阻的大小有关，电阻越大,产生的热量越多，当电流、通电时间相同时，产生的热量与电阻成正比。通过对实验的改进，使学生明白物理学中热量的产生的多少可通过计算水吸收的热量的多少来实现的，从而使学生的思维得到提升，科学素养提高了，动手能力也很好。
实验2.探究电流通过电热水壶时产生的热量与电流大小的关系。
操作方法如下：根据图2所示，把两个500W的电热水壶R2和R3并联后与一个R1=500W的电热水壶串联，然后接在220V的家庭电路上。用天平称出两杯质量为0.5kg的水分别倒入R1电热水壶和R2电热水壶中，在壶中放入温度计，R3放适量的水，然后接到电压为220V的家庭电路上，闭合开关，通电后把壶中的水加热，记录水的初始温度和水的末温度，填入表2，根据表2中数据计算出产生的热量并进行比较，得出结论。不过：实验前先通过提问导入，启发学生思考，拓展学生的思维，让他们仔细观察，这样旨在培养学生的思维能力。在实验的过程中一边做实验一边启发学生思考：为什么电热水壶R3不用放入温度计？为什么不需要记录R3水壶中水的温度的变化？这是本节课的难点，通过提问并让学生回答。（同学们通过思考，就会知道这个实验目的是探究电阻、通电时间相同时，电热水壶产生的热量与电流的关系,而图2中通过R1电热水壶的电流等于R2电热水壶和R3电热水壶的电流之和，并且I1=2I2所以只需探究电热水壶R1 和电热水壶R2中产生的热量的关系就可以了）
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表2
实验结论：（让学生总结）
让学生通过观察表格中的热量的数据直接可得出如下结论：当电热水壶的电阻、加热时间相同时，通过R1电热水壶的电流是R2电热水壶中电流的两倍时，R1水壶中产生的热量等于R2水壶中产生热量的4倍，即当导体的电阻与加热时间相同时，导体产生的热量与电流的平方成正比关系。
实验3.探究电流通过电热水壶时产生的热量与时间的关系。
操作方法如下：根据图3所示，把R1=500W和R2=500W的电热水壶并联在一起，用天平称出两杯质量为0.5kg的水分别倒入两个电热水壶中，在两个电热水壶中分别放入温度计，然后接到电压220V的电路上，加热壶中的水，分别测出水的初始温度和末温度，用秒表计算加热时间。当加热2分钟后断开开关S1，使电热水壶R1停止加热。4分钟后断开开关S，电热水壶R2也停止加热，记录两个电热水壶中水的初始温度和末的温度，分别填写入表3，计算出两个水壶中水吸收的热量并进行比较，从而得出结论。
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表3
实验结论：（让学生总结）
让学生通过观察表格中的数据总结出如下结论：当电热水壶的电阻相同、通过的电流相同时，电热水壶R2加热时间是R1的两倍时, 通过电热水壶R2的电流产生的热量是通过R1电热水壶的电流产生的热量的两倍，即当电热水壶的电阻、通过电热水壶的电流相等时，电热水壶产生的热量与通电时间成正比。
然而，反思以上实验教学也有待改进之处：由于两个电热水壶并联后接到家用电压为220V的家庭电路上，家庭电路的总电压不一定能稳定在220V，当第一个电热水壶停止通电时，第二个电热水壶的电压不一定能保持在220V 不变，会出现测量数据不够准确，影响实验的结果。因此我们在做此实验时应加装一个稳压器，使电源电压保持稳定，这样一来得到的实验数据较准确。
综合上述三个实验得出结论如下：
电流通过导体时产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比，这个规律叫做焦耳定律。（来自粤沪板九年级课本下册99页）如果用Q表示电流通过导体时产生的热量，Ⅰ表示导体中的电流，R表示导体的电阻，t 表示通电时间，那么焦耳定律可以用公式表示为
Q=Ⅰ2Rt
上式中Ⅰ的单位是A，R的单位是Ω，t的单位是s，Q的单位是J。
三、总结和拓展
诚然，以上实验除了用电热水壶加热水之外，还可以用电热棒放入烧杯中加热杯中的水做这个实验，由于烧杯导热性差，热量损耗小，效果一样明显易懂，数据也较准确。但无论用电热水壶还是电热棒做这个实验，由于实验时接在220伏家庭电路上操作，可能存在用电安全隐患，实验时要注意用电安全。水的温度加热后较高，容易烫伤，操作时要注意安全。
在日常物理教学中遇到操作难度较大的实验时，我们教师要充分利用身边已有的器材进行改进，器材的选用与改进趋向越简单越好，在日常教学中越简易实用，更易于推广，应用范围也比较大。总之以上利用电热水壶进行探究焦耳定律，其实验效果比较直观，通过设计表格用来收集和整理实验数据，计算电热水壶产生的热量，使学生容易观察和理解，对焦耳定律有一个深刻的认识，从我多次的教学实践来看效果都很好。与此同时，这个实验设计的改进也提高了学生的创新能力和探索科学真理的热情，使学生的核心素养也得到进一步的培养和提升。
参考文献：
[1]沈达伟.关于冰熔化实验教学的改进.《物理教学探讨》〔J〕.CN50-1061/G4
[2]黄佳.核心素养下PBL教学法在课堂探究中的创新设计.《物理教学探讨》〔J〕.CN50-1061/G4
[3]李敏怡，陈洁辉.物理九上教师学用书〔M〕.广东:广东教育出板社,2013
作者：卢耀棠 广东省东莞市茶山中学习电话13712053456 邮箱1015439974@qq.com