“焦耳定律實(shí)驗(yàn)”是初中物理教材中非常重要的驗(yàn)證演示實(shí)驗(yàn)。 其常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)操作如下：（1）探究電流產(chǎn)生的熱量是否與通電時(shí)間有關(guān)。 圖1和圖2是實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)物圖。 進(jìn)行測試時(shí)，按圖1所示連接電路，檢查無誤后打開電源，按下定時(shí)器，同時(shí)記錄溫度計(jì)的讀數(shù)。 保持電流大小恒定，定期記錄溫度計(jì)的讀數(shù)，并填寫在設(shè)計(jì)的表格中。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于相同的電阻絲，當(dāng)電流大小不變時(shí)，通電時(shí)間越長焦耳定律實(shí)驗(yàn)，煤油的溫度越高。 (2)探究電流產(chǎn)生的熱量是否與電流大小有關(guān)。 取質(zhì)量和溫度與上述實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài)相同。 同樣的煤油，仍然如上圖連接電路。 合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，增大通過電阻絲的電流，保持通電時(shí)間與之前相同，記錄玻璃瓶內(nèi)煤油的溫度。 將本次測得的溫度與上次測得的溫度進(jìn)行比較，可以看出，對于同樣的電阻絲，通電時(shí)間相同時(shí)，電流越大，煤油的溫度越高。 (3)探究電流產(chǎn)生的熱量是否與電阻大小有關(guān)。 選取兩根不同阻值的電阻絲，兩個(gè)初始溫度相同（記為t0）、質(zhì)量相等（記為m0）的裝有煤油的玻璃瓶，按如圖電路連接實(shí)驗(yàn)裝置，檢查是否它是正確的。 然后接通電源，一定時(shí)間后，記錄兩個(gè)玻璃瓶中煤油的溫度。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)通電電流不變、通電時(shí)間相同時(shí)，電阻越大，煤油的溫度越高。 按照上面的步驟，我利用業(yè)余時(shí)間做了很多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中溫度計(jì)上升得很慢。 在課堂上，上述步驟（1）和（2）必須完成，但步驟（3）必須完成，并且將上升的溫度計(jì)降低然后升高以進(jìn)行觀察和比較。 一堂課很難完成這個(gè)任務(wù)。
因此，很多教師為了完成教學(xué)任務(wù)，常常把實(shí)驗(yàn)變成講授，或者用多媒體課件來演示，實(shí)驗(yàn)配置就成了擺設(shè)。 綜上所述，實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，密封要求高，顯示速度慢，可視性低，耗時(shí)長。 主要存在三個(gè)問題：一是熱量與電流、熱量與電阻的關(guān)系無法同時(shí)論證； 在解釋電流越大產(chǎn)生熱量越多的原理時(shí)，實(shí)驗(yàn)必須分兩次進(jìn)行。 不同的電流值產(chǎn)生的液體高度不能直接比較； 另外，需要等待兩個(gè)燒瓶中的溫度計(jì)降至原來的讀數(shù)并改變電流，然后再進(jìn)行第二次。 事實(shí)上，燒瓶中的煤油很容易加熱但很難冷卻，而且溫度計(jì)需要很長時(shí)間才能恢復(fù)原來的顯示。 二是只能進(jìn)行定性研究，不能進(jìn)行定量研究，示范效果較差。 三是加熱時(shí)間長，學(xué)生注意力容易分散，不能連續(xù)重復(fù)演示，不利于組織課堂教學(xué)。 10 鑒于此，我對實(shí)驗(yàn)做了如下改進(jìn)，收到了良好的課堂效果。 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示： 11 在一塊木板上，固定三個(gè)相同的錐形瓶（或燒瓶）。 每個(gè)瓶子內(nèi)放入一根電阻絲（RA、RB、RC均小于10歐姆），瓶內(nèi)封入一定量的空氣。 瓶內(nèi)的玻璃管全部與氣壓計(jì)相連。 為了便于學(xué)生觀察，可將紅墨水滴入氣壓計(jì)的水中，使其水平。 可以使用兩節(jié)干電池作為電源。 12 通電約1分鐘后，瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，造成氣壓計(jì)液面高度差，且溫度越高，液面高度差越大。
實(shí)驗(yàn)具體操作如下： 13 （1）在電阻和電流相同的情況下，探索電流產(chǎn)生的熱量與通電時(shí)間的關(guān)系。 如圖所示：首先將A瓶接入電路。 通電前，保持液位在氣壓水平。 通電后，氣壓計(jì)液面會有高度差。 通電時(shí)間越長，液位高度差越大。 這說明，當(dāng)電阻和電流相同時(shí)，電流通電時(shí)間越長，電流產(chǎn)生的熱量越多。 14 (2)當(dāng)電流和通電時(shí)間相同時(shí)，探討發(fā)熱與電阻的關(guān)系。 如圖：將A、B兩瓶內(nèi)的電阻絲串聯(lián)，通電1分鐘左右。 觀察到A瓶連接的氣壓計(jì)的液面高度差大于B瓶連接的氣壓計(jì)的液面高度差。這說明當(dāng)電流和通電時(shí)間相同時(shí)，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。 15 (3) 當(dāng)電阻和通電時(shí)間相同時(shí)，探究熱量與電流的關(guān)系。 如圖：將A、B瓶電阻絲串聯(lián)，然后與C瓶電阻絲并聯(lián)，通電約1分鐘。 觀察到C瓶連接的氣壓計(jì)的液位高度差大于B瓶連接的氣壓計(jì)的液位高度差。 這說明，在相同電阻和通電時(shí)間的情況下，電流越大，產(chǎn)生的熱量越多。 16 采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：同等條件下，利用氣體熱膨脹的實(shí)驗(yàn)效果比液體更明顯，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有效提高了課堂效率。 避免了使用電流表測量電流的麻煩，讓學(xué)生專注于觀察氣壓計(jì)液位差的變化過程。
實(shí)驗(yàn)儀器具有連續(xù)重復(fù)演示功能。 第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后物理資源網(wǎng)，即可拆下連接軟管，排出熱空氣。 軟管恢復(fù)后，即可立即進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)。 17 經(jīng)過上述改進(jìn)后，可以在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)直觀、生動。 學(xué)生可以通過觀察和比較紅色水柱的高度來比較水流產(chǎn)生的熱量。 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)是變換方法思想的典型應(yīng)用。 固體、液體、氣體中，同等條件下，氣體膨脹最快、最大。 當(dāng)電阻絲中有電流時(shí)，電阻絲溫度升高焦耳定律實(shí)驗(yàn)，使錐形瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹。 氣體的膨脹導(dǎo)致U管內(nèi)的水位發(fā)生變化。 正是這種轉(zhuǎn)換，使我們能夠在短時(shí)間內(nèi)取得良好的實(shí)驗(yàn)效果。 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置操作控制方便。 18感謝您對鎮(zhèn)平縣后稷第二中學(xué)物理教研組的指導(dǎo)