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人教版初中物理九年级第十八章第四节《焦耳定律》:探究 电热与电流的定量关系
一、教材分析
实验选择《焦耳定律》的内容，《焦耳定律》是人教版初中物理九年级第十八章第四节 的内容。
二、实验器材
图1 自制Q 与I 定量关系实验器实物图
如图1所示为自制Q 与I 定量关系实验装置，实验装置包括：自制电阻盒、电子温度计、 数字计时器和可调稳压电源。
三、实验改进要点
教师利用自制实验器材探究电热与电流的关系，实验装置利用数字电路去测量和显示电 流、温度、时间，使得学生操作实验装置更加简便。同时，该装置还能够将探究电热与电流 的定性关系变为定量关系探究，培养学生观察和分析实验数据解决问题的能力。
四、实验设计思路
实验改进思路：教师查阅资料了解英国物理学家焦耳利用自制的实验器材探究电流热效 应的过程，图2是焦耳早期实验装置。在实验探究过程中焦耳利用转换法的物理思想，将金 属电阻丝放入盛有水的容器中，给金属丝通电后，金属丝产生电热，热量被水所吸收，使水 的温度升高，于是他利用温度计测量水升高的温度来反映产生电热的多少，进一步探究得到 电热与电流的定量关系。
图2焦耳早期实验装置
根据对焦耳早期实验过程的思考，对焦耳定律实验做进一步的改进：
(
温度传感原件
温度计
R
调试
电阻丝
纯水
保温材料
电子温度计
自
制
0
与
1
定
量
关
系
实
验
器
39四川省南先高级中学
实验电路
接正极
计时器
通
电
接负极
)
图3实验装置
实验改进原理：如图3所示，将固定阻值的电阻丝放入装有适量水的密闭盒子中。在密闭 的盒子外部包裹两层保温材料(一层泡沫铁镍保温材料，一层保温棉),目的使通电一段时间后 电阻丝产生的热量能近似全部留在水中。即电热Q=Q 吸 =cm △T, 当水的质量m 一定时，Qα
△T。这样将测量电热Q 转换成为了测量升高的温度△T, 实验中用电子温度计进行温度的测量， 计时器进行时间测量、可调稳压电源输入实验设定电流大小。
五、实验教学目标
基于核心素养下的教学目标
(1)物理观念：探究电热的影响因素，明确电能和导体内能的转化，发展能量转化和守恒 的物理观念。
(2)科学思维：学生观察、实验、分析和解释实验现象。培养科学探索和解决问题的能力。
(3)科学探究：利用控制变量法和转换法思想设计实验方案并实施；利用图象法处理实验 数据。
(4)科学态度和责任：培养辩证性思维和科学方法的应用能力，同时培养独立思考的能力。
六、实验教学内容
1. 教学内容分析
电热与电流关系的实验是第4节《焦耳定律》中的内容，也是该节的重点。能量转化与 守恒定律是物理的基本定律，“焦耳定律”正是通过电能和导体内能之间的转换来体现能量 的转化与守恒，是有关“能量观”培养的典型事例。教材在电功、电功率之后安排焦耳定律， 符合学生的认知规律。
2. 学情分析
知识角度：在学习本节课之前，学生已经学习了欧姆定律、电功及电功率的相关知识， 为本节内容的学习打下了基础；
能力角度：九年级的学生经过一年多的物理学习，已具备了初步观察和分析实验的能力， 能够对实验数据进行简单处理。但学生难以对定量实验中的数据进行有效分析，需要教师加 强引导。
3. 教学重点难点
教学重点：通过实验和理论探究得出电热与电流、电阻和通电时间的定量关系； 教学难点：①组织并引导学生利用控制变量法和转换法构建实验装置；
②引导学生在探究过程中认真观察、分析数据，得出科学结论。
4. 教材实验
演示
如图18.4-3所示，两个密闭容器中的电阻一样 大，在其中一个容器的外部，将一个电阻和这个容 器内的电阻并联，因此通过两容器中电阻的电流不 同。在通电时间相同的情况下，观察两个U 形管中
液面高度的变化。你看到的现象说明了什么 图18.4-3 电流大小不同，产生
热量的多少相同吗
图4教材演示实验
如图4,教材通过如图所示的演示实验进行探究，实验中电阻产生的热量不能够直接测 量，利用转换法把电热多少表征为U 型管液面高度差大小，高度差越大，证明电阻产生的热 量越大。实验结论如下：
在R、t 相同的情况下，通过电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。 教材实验的不足：
(1)装置大部分的材料由塑料和橡胶制成，长期使用会导致装置的气密性变差，从而直接 影响实验的效果；
(2)实验时间过长，课堂效率低。
(3)该实验只能得到电热与电流的定性关系，缺乏定量关系的探究。 为了解决教材传统实验的不足，对该实验装置进行一个改进。
七、实验教学过程
当R、t 一定时，研究Q 与I 的关系
实验方法：控制变量法和转换法
3 可害南光高银
粗调旋钮
(
定
量
关
系
实
)
细调旋钮
电源开关 图5实验装置
实验中利用图5实验装置进行实验，控制电阻和加热时间一定不变，改变通入电路中的 电流。因此实验中选取固定阻值的电阻丝进行实验；利用可调稳压直流电源改变输入电路中 电流的大小，实验中分别通入0.2A 、0.3A 、0.4 A 、0.5 A 、0.6A的电流；采用计时器进行倒 计时，每次通电相同时间30s, 观察并记录盒中水的初温和末温，计算出温度变化量△T,
将实验数据记录在设置好的表格中，分析数据得出 Q 与I 的定量关系。
实验步骤如下：先调试记初温，后通电记末温。
(1)将开关置于“调试”挡，打开电源开关，转动旋钮调节电流大小为0.2 A;
(2)打开装置面板上的温度计开关，记录盒中水的初始温度；
(3)将开关向上拨至“通电”挡，实验电路接通计时器开始计时，同时注意观察面板上温 度计的示数；
(4)计时结束，等待温度计示数稳定后记录水的末温；
(5)将电流调至其它设定值(如0.3A 、0.4A 、0.5A 、0.6A 等),重复以上1-4步，测 出多组数据。
(6)实验结束，将电压调至0,并关闭电源和装置所有开关。 表 1 △T 与I 实验数据记录表格
学生进
I/A 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
T初(初温)/℃
T末(末温)/℃
△T(升高的温度)/ ℃
行实验，并将所
测实验数据记录在表格中，所测实验数据入下：
请进行实验，并将每次实验的初温和末温记录到数据表格中：
I/A 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
T(初温)/℃ 30.1 31. | 32 ·2 33.9 36.7
T. (末温)/℃ 31. | 32.3 33.9 36.7
△T(升高的温度)/℃ 0.4 1.r 1.] 2.8 3.8
图6学生所测实验数据
为了便于数据处理和分析，教师将学生的实验数据记录在excel 的表格中，同时绘制△
T—I 关系图象。 实验数据如下：
表2△T与I 实验数据记录表格
IA 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
T初(初温)/℃ 30.7 31.1 32.2 33.9 36.7
T末(末温)/℃ 31.1 32.3 33.9 36.7 40.5
△T(升高的温度)/ ℃ 0.4 1.2 1.7 2.8 3.8
△T/℃ △T—I 关系图像
图 7 △T—I 关系图象
如图7所示我们可以看到随着电流的增大，△T 增大。在图像中学生观察发现图象的趋势并
不是一条过原点的倾斜直线，说明△T—I 并不成正比，教师引导学生再次分析表2中的数据可 以看到：
当I 从0.2A 变成0.4A, 电流变成原来的2倍。学生发现△T 从0.4℃变成1.7℃,△T 大 致 变成原来的四倍。
当 I 从0.2A 变成0.6A, 电流变成原来的3倍。△T 从0.4℃变成3.8℃,△T 大致变成原来 的 9 倍
由此可以猜想△T—I 可能成正比，为了验证猜想，在excel 表格中去绘制△T—I 的关系图 象：
表 3 △T 与I 实验数据记录表格
I2/A 0.04 0.09 0.16 0.25 0.36
△T(升高的温度)/ C 0.4 1.2 1.7 2.8 3.8
△T/℃
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
00 -1.0
△T—I 关系图像
0.10 0.20 0.30
-I2/A
0.40
图 8 △T—I2关系图象
如图8所示，△T—I 是一条近似过原点的倾斜直线，由此可以得到△T—I 成正比
教师利用电子表格展示△T 与 I 的图像，引导学生观察得出△T 与 I 不成正比，进一步 通过数据分析猜想△T与 I 可能成正比的结论；利用图像的方法绘制的△T 与电流I 的关系 图像，并图像得出结论：当R 和 t一 定 时 ，Q 与 I 成正比
八 、实验效果评价
(1)本实验装置利用数字电路测量和显示电流、温度、时间，实验装置操作简便，演示示 实验可视性大大提高，实验数据精确直观；
(2)利用图像法处理实验数据，可以形象直观地反映物理量的变化规律，降低了学生的思 维难度；
(3)把教材中的定性实验改为定量实验，填补了学生直接从定性关系到焦耳定律公式的思 维空白，源于教材，又高于教材。

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