关于焦耳定律实验的讨论，本文主要内容关键词为：定律论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
图1
焦耳定律
是中学物理中重要的电学定律，对于焦耳定律的实验演示，教材或教参上常用的方法主要有：(1)传统的煤油吸热法。将阻值不同的电阻丝串联后插入盛有相同质量煤油的量热器中，通电后看哪个量热器中煤油温度升高快，从而说明热量与阻值的关系；再将阻值相同的电阻丝插入相同质量的煤油中，通以不同的电流，看哪个量热器中煤油温度升高快，从而说明热量与电流的关系。(2)空气吸热法（图1）。用等质量的空气替代煤油，空气吸热膨胀，使液柱上升。通过液柱上升的多少，反映热量的多少。(3)点燃火柴法（图2）。在两个电阻圈内分别插入火柴，通电后看哪个里面的火柴先点燃。(4)熔化法。用油膏将小木棍粘在电阻丝下，通电后看哪个小木棍先掉下，或将塑料膜（蜡纸）覆盖在电阻丝上，看哪个与电阻丝接触的部分先熔化……我把前两种归结为量热器法，后两种归结为点燃法。
图2
本人在多年的教学实践中，发现了实验中的一些问题，主要有：
(1)空气吸热法，开始时阻值大的一边液面上升明显快于阻值小的一边。但后来阻值大的一边液面上升变缓，阻值小的一边液面上升相对变快，最后两边的液面几乎达到同样的高度。是不是说明时间长了，两边产生的热量相同了呢？显然不是。那又是为什么呢？
(2)点燃法在电流相同的情况下，不能保证总是插在大电阻中的火柴先点燃。本人进行了以下实验：用额定电压都是220V的1000W、300W的电炉丝（材料相同、粗细不同），仿照课本的实验进行实验（图3）。
图3
实验1：将长度相同、粗细不同的电炉丝串联（细的电阻大），接通电路后与细的电阻丝接触的火柴先点燃（即电阻大的先点燃）。
实验2：将较长的粗电炉丝与很短的细电炉丝串联（粗的电阻大），接通电路后还是与细的电阻丝接触的火柴先点燃（这次是电阻小的先点燃）。
实验3：将粗细相同的电炉丝剪成长短不同的两段再串联（长的电阻大），接通电路后火柴的点燃基本不分先后（这次是电阻不同，点燃的时间基本相同）。
针对发现的问题，笔者对以上焦耳定律的实验进行了较详尽的讨论，通过理论分析并进行实验验证，找到了问题的症结，现叙述如下。
一、量热器法的分析
在焦耳定律的实验中，关键是怎样显示同样时间里电阻丝放出热量的多少。
量热器法是利用等质量的相同材料的吸热介质，吸收电阻丝的热量后温度变化的快慢来间接反映电阻丝放出热量的快慢。在实验过程中，我们可以把电流产生的热量机械地分为三个部分：电阻丝吸收电热，温度升高；吸热介质吸收电阻丝的热量，温度升高。同时周围物质也吸收部分热量。为了讨论的方便，散失的热量忽略不计。这样电流产生的热量Q就分为电阻丝吸收的热量
，介质吸收的热量
，其中c、m、△T各表示它们的比热容、质量和温度的变化量。
假设吸热介质的热容量
远大于电阻丝的热容量
忽略不计。这样电流产生的热量就近似地看作全部被吸热介质吸收，介质温度的升高量
可推导如下
可见介质温度的升高量与电流的平方、电阻丝的阻值和通电时间成正比，这就是量热器法的理论依据。煤油吸热法中煤油有较大的质量，又可以通过对流，将电阻丝供给的热量传给全部煤油，因此热容量较大，符合假设的要求。煤油的质量越大，越符合实际，但演示的时间也就越长，这就是煤油吸热法的不足。对于空气吸热法，由于空气盒中空气的质量小，热容量小，所以升温快，演示时间短，但空气吸热法也有上面提到的问题，原因在后面分析。
二、点燃法的分析
点燃法的依据似乎与量热器法相同，利用等质量的火柴头来吸收接触部分电阻丝的热量，先点燃的表示升温快，也就表示电阻丝产生的热量多。但点燃法与量热器法有本质的区别，火柴头与电阻丝接触部分的质量极小，又是热的不良导体，因此接触部分的热容量极小。假设吸热介质的热容量远小于电阻丝的热容量
忽略不计。这样电流产生的热量就近似地全部被电阻丝吸收。又由于介质的热容量太小，温度极容易升高，温度的变化几乎与电阻丝温度的变化同步，
，介质温度的变化快慢实际上反映的是电阻丝温度变化的快慢，不再反映介质取收热量的快慢。而电阻丝温度的变化量△T可推导如下
现就以上推导的结论进行如下讨论。
(1)在电流相同，通电时间相同，横截面积相同时，不同材料的电阻丝不论长短，只要
比值大的温度就升高得多，即横截面积相同时，温度的升高只与材料有关。
为了验证以上结论，本人进行了以下实验：将直径都是0.3mm的长1m的镍铬丝（阻值约6Ω）和长1m的锰铜丝（阻值约3Ω），
，拉直后钉在木板上，并用同一张塑料膜覆盖在两条电阻丝上。将两条电阻丝串联后接上低压电源，塑料膜与镍铬丝接触的部分先开始熔化。改用0.5m长的镍铬丝（阻值约3Ω）与2m长的锰铜丝（阻值约6Ω）做相同的实验，还是与镍铬丝接触的塑料膜先开始熔化。
(2)在电流相同，通电时间相同时，相同材料的电阻丝，也不论电阻丝的长度如何，即不论电阻的大小如何，总是横截面积小的温度升高得多。为了验证这个结论，本人进行了以下实验：将长1m、直径0.3mm的镍铬丝（6Ω左右）与长1m、直径0.5mm的镍铬丝（2Ω左右）串联，通电后，与0.3mm镍铬丝接触的塑料膜先开始熔化。再将长2m、直径0.5mm的镍铬丝（4Ω左右）与很短的长20cm、直径0.3mm的镍铬丝（1Ω左右）串联，通电后还是与0.3mm镍铬丝接触的塑料膜先开始熔化。
(3)在电流相同，通电时间相同时，相同材料，同样粗细的电阻丝，不论电阻大小如何，温度的升高总是相同的。将1m长的镍铬丝接在电路中（可以看作电阻小的一段与电阻大的一段串联），在不同的部位覆盖塑料膜。通电后，可以看到与不同部位电阻丝接触的塑料膜同时开始熔化。
由以上分析可见，在不限制实验条件的前提下，实验中不能保证阻值大的或电流大的电阻丝中的火柴先点燃。而且火柴的点燃实际上只能反映不同电阻丝的温度，并不能反映不同电阻丝产生的热量。因此笔者认为点燃法似不可取。
三、空气吸热法的分析
把空气吸热法归类于量热器法，是因为空气盒里的空气有一定的热容量。但毕竟空气的热容量并不是很大，处于煤油吸热法与点燃法之间。在空气吸热法的演示中，两边电阻丝的材料和粗细是相同的，根据点燃法中的分析，在电流相同的情况下，电阻丝的升温相同。由于电阻大的一边，电阻丝较长，供给的热量多，空气膨胀快，上升快。但由于空气盒里空气的质量相对比较小，热容量较小，温度很容易升高。当大电阻一边空气的温度接近电阻丝的温度时，升温减慢，而小电阻一边的空气继续升温，经过不太长的时间以后，两边空气的温度都基本与电阻丝同步，热膨胀相同，结果两边的液面基本相同。因此在进行该实验时，观察到液面上升快慢不同后就应结束演示，否则出现以上情况很难对学生解释。