初中焦耳定律教学的重要补充实验

陈青

(北京市朝阳区教育研究中心附属学校北京100016)

杨雄生

(北京教育学院朝阳分院北京100026)

收稿日期：(2014-08-19)

大家知道，使用任何用电器，其发热量只取决于其电流、电阻和通电时间，这就是焦耳定律.

在提倡“探究性教学” 的今天，初中焦耳定律的教学，通常在“引入新课实验”之后，教师引导学生猜想电流通过用电器产生的热量与哪些因素有关.

学生根据已有的知识一般会猜想并提出：与电流、电压、电阻和通电时间有关.

如何从上述4个因素引导学生归纳出：电流通过用电器产生的热量只与电流、电阻和通电时间有关，而不考虑电压这个因素呢.

有的教师说,“电流、电压、电阻这3个物理量已经被欧姆定律‘管住了’，因此我们只讨论电热与电流、电阻和通电时间的关系就可以了，不用考虑电压了.”

如果此说法成立，会引出两个问题：

其一，既然电流、电压、电阻这3个物理量已经被欧姆定律“管住了”，因此我们只讨论电热与电压、电阻和通电时间的关系就可以了，不用考虑电流了，行吗？答案显然是否定的！

其二，初中学习的欧姆定律永远成立吗？如果初中学习的欧姆定律不成立时，电流通过用电器产生的热量取决于电流还是取决于电压呢？

为解决上述问题，我们设计了如下实验.

实验1：认识电动机电路——说明初中学习的欧姆定律有时会不成立.

将如图1所示的小电动机接在电压为3 V的稳压电源上，看到电动机转动，说明电动机将电能转化为机械能.

图1　用于演示的小电动机

提问：这个实验中，电源3 V，电动机的电阻大约6 Ω，请同学估算电路中的电流多大？

学生一般用欧姆定律估算出电路中的电流为0.5 A.

用实验检验估算是否正确，在电路中串联电流表.

结果，发现当电动机空转时，电流只有0.05 A，不是0.5 A——学生很惊讶！

这时向学生强调：在含电动机的电路中，这种有电能转化为机械能的情况下，初中学习的欧姆定律不成立！

师：我们还可以用食指和拇指来影响电动机的转动情况，来看看电流有何变化？

发现：电压不变的情况下，通过电动机的电流大小和电动机转动的情况有关.

如果用食指和拇指将电动机捏死，不让它转动，结果发现这时电流倒是0.5 A.

奇怪！电动机不转动，这时欧姆定律反而成立了！为什么？

因为，电动机不转动，没有机械能输出，不成为电动机了，不转动的电动机就相当于导体，所以欧姆定律成立.

那么，电动机工作时，发热量多少是和电流有关还是和电压有关呢？

为此，再做两个实验.

实验2:探究电动机工作时，发热量和电流的关系——两台电动机并联的实验.

图2　两台电动机并联的实验

实验情况如图2所示.图2(a)为实验的电路图.图2(b)为实验实物图，其中电源为3 V的稳压电源；P,Q为两个如图1所示的电动机；M,N为测量电动机发热量的数字温度计.发热量的测量方法是，将数字温度计的测温泡用相同方式贴在电动机的外壳上(用透明胶带捆上)，如图2(c)所示，用温度的升高量来表示电动机发热量的多少.

实验情况如下：

当电源电压保持3 V不变，两部电动机都空转时，两个电流表的示数都是0.05 A，历时 1.5 min左右，两台数字温度计的温升差异不大，说明两台电动机的发热量差别不大.

当电源电压仍保持3 V不变，一部电动机空转，另一部电动机用食指和拇指将其捏死，不让它转动，这时，连接空转电动机的电流表示数仍为0.05 A，连接卡死电动机的电流表示数为0.5 A，也历时 1.5 min左右，两台数字温度计的温升差异较大：空转电动机的温升约为18.8～18.1°C，卡死电动机的温升为21.1～18.1°C.

第二次实验说明，并联电压相同，两台相同的电动机，电阻相同，通电时间也相同，电流大的电动机，发热量也大.说明用电器工作时，发热量和电流有关.

能否再做一个实验，来说明电动机工作时，其发热量和电压有何关系？

实验3:探究电动机工作时，发热量和电压的关系——两台电动机串联的实验.

实验电路图如图3(a)，实物图如图3(b)所示，测量电动机温升的方法和实验2相同.

图3　两台电动机串联的实验

实验情况如下：

当电源电压保持6 V不变，两部电动机都空转时，两个电压表的示数都是3 V，历时 1.5 min左右，两台数字温度计的温升差异不大，说明两台电动机的发热量差别不大.

当电源电压仍保持6 V不变，一部电动机空转，另一部电动机用食指和拇指将其捏死，不让它转动，这时，空转电动机的电压表示数为5.7 V，卡死电动机的电压表示数为0.3 V.

实验证明，也历时 1.5 min左右，两台数字温度计的温升差异不大，空转电动机的温升约为18.7～18.3°C，卡死电动机的温升为18.8～18.5°C.

第二次实验说明，串联电路中通过用电器的电流相同，两台相同的电动机，电阻相同，通电时间也相同，电压虽然相差19倍，但发热量相差不大.说明用电器工作时，发热量和电压关系不大.理论研究证明，含电动机电路发热量与电压无关.

上述3个实验说明，对于含电动机的电路，欧姆定律不成立！这时发热量和电流有关，和电压无关.

因此，研究使用用电器的发热量时，只讨论和用电器的电阻、通过的电流和通电时间的关系，而不讨论和电压的关系.

几点说明：

(1)上述实验整个展示过程，需要15 min.该实验可以拓宽学生的视野，启发学生的思维，倡议作为可有可无的“零级教学目标”，引入初中“焦耳定律”的教学之中.

初中焦耳定律的教学，没有如此深入的要求，也可以不引入正课的教学中.但可以作为初中“研究性学习”的内容，让学生研究，以拓宽学生的视野，启发学生的思维.

本文实验的电动机和温度传感器，我们在网上购买分别是5元和8元，将其作为学生实验，费用并不高.

(2)本文作者陈青以这个实验参加北京市第三届中学物理教师实验创新大赛，获得初中组的一等奖.

(3)北京物理学会高中物理教学专题组，曾对本文实验开展讨论，有如下两点意见：

其一，让电动机不转的卡死实验，是破坏性的实验，不宜在课堂上向学生展示.

我们认为，在生产、生活中，为了深入研究某些问题，也专门做些破坏性的实验，例如高级小汽车的撞墙实验.

还有，只有大型的电动机，其内阻较小，卡死时，会烧坏电动机，我们实验中使用的小电动机，内阻较大，不会烧坏电动机.

由于空转和卡死是电动机差别最大的工作状态，而且最好操作，所以，我们采用这两个状态来做对比实验.

但是，我们认为，在本实验之后，应该向学生特别地说明，电动机不转的卡死实验是破坏性的实验，对于我们实验用的小电动机电流增大不会发生烧毁，如果是大型电动机，发生卡死不转现象，会很快烧毁电动机，发生此现象时，应该立即切断电源保护电动机，对学生进行安全教育.为节省篇幅，本文没有阐述这个内容，在此补充说明.

其二，用图2(c)的方法，测量电动机的温升，以此说明其发热量，这个方法有问题！这里测量的是电动机总发热量，除了转子电阻的焦耳热外，还有转轴克服摩擦，由机械能转化的热量.

我们承认这是我们尚无法克服的问题.至今为止，尚无法找到只测量转子的焦耳热，而排除转子摩擦产生热量的简易实验方法.

这个理论上的“缺陷”，对于两台电动机并联的实验不会成为问题，因为卡死不转的电动机，没有摩擦产生的热量，它产生的热量，反而比有空转有摩擦热量的电动机产生的热量还多，所以，此实验没有“致命伤”.

可是，对于两台电动机串联的实验却是有影响的，因为卡死不转的电动机，没有摩擦产生的热量，它产生的热量，比有空转电动机(其中有摩擦产生的热量)产生的热量少.只是，在实验时间不长的情况下，两者相差不太大，将摩擦产生的热量作为次要因素，不提出来而已.我们是用“理论研究证明，电动机电路发热量与电压无关”来过渡的.

对于生源较好的学校，可以将本实验作为“研究性学习”的素材开展仔细研究，在时间较短时，两者产生的热量相差不多；在时间较长时，实验会出现空转电动机发热量比卡死电动机发热量多，讨论为什么，可以提出转动轴摩擦产生的热量，这样使问题更为完善，不留缺陷.

本文仅是我们对初中焦耳定律教学的思考和建议，提出来和同行讨论，不妥之处请斧正！