“等效法”助力定量探究电热与电流和电阻的关系

“等效法”助力定量探究电热与电流和电阻的关系

曹洋

（江苏省沛县实验学校  江苏 徐州 221000）

摘要：基于核心素养背景下的物理课程改革已经展开，要求引导学生科学探索，提高学生的实践本领和科学思维能力。本文针对“焦耳定律”实验中无法完美的进行定量探究，给出了用“等效法”来达到定量探究，弥补了实验探究过程中的空白。

关键词：核心素养  等效法  焦耳定律

《义务教育物理课程标准（2022年版）》要求学生有科学探究的意识，能发现问题，提出问题，能独立思考，具有质疑创新的意识，形成初步的科学推理能力。然而，在新课改大环境下，大量劣质创新实验教具的出现，弱化了学生科学思维能力的培养。下面以“焦耳定律”实验教学为例进行探讨。

一、焦耳定律的内容

电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。公式表述：Q=I2Rt.

二、“探究电热与哪些因素有关”实验的不同设计方案

2.1人教版教材中的实验装置，“空气加热法”（如图1所示）

学生通过观察U形管两侧液面的高度差，得出电流产生的热量与电流和电阻的定性关系。然后介绍焦耳定律的贡献，直接给出焦耳定律的公式。知识过度生硬，对于爱格物致理的学生来说，可能会问电热和电流的具体关系怎么得到的，大部分老师则是告诉学生，随着以后高中大学的学习渐渐就明白了。无疑是打消了学生的求知欲，不符合课程标准里提到的严谨认真，实事求是，有克服困难的信心和决心的核心素养。再有教材中实验方案的不足之处主要有：装置气密性差；加热时间长，课堂效率低；很难通过实验得到Q与I的平方正比关系；实验次数少，结论不具有普遍性。

2.2苏科版教材中的实验装置，“煤油加热法”（如图2所示）

“煤油加热法”是比较经典的实验设计，可以通过电流表和温度计获取数据，相对“空气加热法”，还能定量分析电热与电流、电阻和通电时间的关系，更具有说服力。不足之处主要有：煤油升温慢，课堂效率低；实验可连续性差，完成对电热与电流关系的探究之后，要等到煤油温度降下来之后才能进行下一个方案的实验探究或者要准备更多的实验设备；演示现象可见度低；实验次数少，结论不具有普遍性。

2.3自制教具实验装置，“点燃火柴法；切割泡沫法”（如图3）等等

上述探究方案，要探究电热与电阻的关系，最好控制电阻丝的长度、横截面积一样，使用不同材料的电阻丝改变电阻大小来进行探究。但在探究过程中难免会节外生枝，导致影响实验结果的变量更多，更复杂。结论不严谨，不科学。如“点燃火柴法”和“切割泡沫法”，电流一定时，电阻升温的快慢不仅与电阻有关，还与材料比热容有关。

三．利用“等效法”理论推导焦耳定律

当实验解决不了或解决不好问题时，我们可以用科学的理论推理来补位，也同样具有说服力。如麦克斯韦方程组预言电磁波的存在；实验加推理得到了牛顿第一定律；运用串并联电路的规律推导得出电阻的串联和并联等。至于等效法，我们也并不陌生，电学中关于电阻的串联和并联的总电阻问题，用到了等效法。下面就来具体讲述运用“等效法”理论推导得出“焦耳定律”。

3.1探究电热与电阻的关系（如图4 ，R1=2R2）

如图4，探究电阻R1和R2产生的热量关系。假设电流通过R2产生的热量为Q2,电流通过电阻R1产生的热量为Q1，因为R1=2R2，由等效电路图可知Q1=2Q2.同理，当R1=nR2，则Q1=nQ2，可以得到结论：电流和通电时间相同时，电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成正比。

3.2探究电热与电流的关系（如图5 ，R1=R2=R3）

如图5，探究电阻R1和R3产生的热量关系。假设电流通过R3产生的热量为Q3,电流通过电阻R1产生的热量为Q1，再设通过R3的电流为I，则通过R1的电流为2I,由等效电路图可知Q1=4Q3，同理，当通过R1的电流I1是通过R3的电流I3的n倍，则Q1=n2Q3，得到结论：电阻和通电时间相同时，电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比。

四．感悟体会

以提升全体学生核心素养为宗旨的物理课程改革已经全面启动，突出问题导向，强调真实问题情境，引导学生不断探索，提高分析问题、解决问题的实践本领和科学思维能力[1]。所以当下的物理教学不仅要提高学生的实验操作能力，更要注重培养学生的科学概括和创造思维能力。

参考文献：

[1]义务教育物理课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.4