新型光电验证焦耳定律演示仪

新型光电验证焦耳定律演示仪

肖张弛

1项目

充分利用热力学和大气压强的知识，通过发光灯丝产生的焦耳热加热空气，再由热空气膨胀推动红色水柱做功而上升，直接读出水柱上升的高度差，ΔHa、ΔHb、ΔHc，从而定量的演示焦耳定律即Qa：Qb：Qc=Na：Nb：Nc=ΔHa：ΔHb：ΔHc=1：2：4，具有很好的重复性，较高的灵敏度，较大的可见度，红色水柱复位（复0）迅速等特点。在中学物理实验教学中，验证“焦耳定律”即焦耳热跟通过灯丝电流的二次方、灯丝的电阻、通电的时间成正比，故Q=I2RT。

2该项目的选题是怎样确定的

焦耳定律一直是初高中物理教学中的重点与难点，而传统的演示实验应用的是煤油膨胀，不仅结构较复杂，使用繁琐，而且不够直观，可见度不好，还存在环境污染和安全隐患。那么应如何设计出更科学合理的焦耳定律演示器？

3研究该项目的目的和基本思想

光电互补焦耳热演示仪是将传统的液体膨胀改为气体膨胀，缩短演示时间，节约能源，提高工作效率，只须观察瓶内的发光电珠个数n，就知道红色水柱上升的高度差△h，从而验证了焦耳热。故称为光电互补焦耳热演示仪。

4该项目的研究过程

打开电源开关，让定质量的空气在玻璃瓶中吸收红色光电珠释放的热量进行等压膨胀，使染色水柱M竖直向上移动△h，则有W=C1M1△T1+C2M2△T2+C3M3△T3+P△V+Q，W是电功（此处即电热），C1M1△T1、C2M2△T2、C3M3△T3分别是A瓶、B瓶、C瓶瓶内空气增加的内能、玻璃瓶吸收的热量和红色光电珠吸收的热量总和；Q是散发的热量；P△V是空气对外做的机械功。因此该实验灵敏度极高，故可将实验控制在较小的温度范围内进行，则Q很小，可以忽略不计，还可近似地认为△T1=△T2=△T3=△T，那么上式可变成：W=（C1M1+C2M2+C3M3）△T+P△V……①再以空气为研究对象，设其摩尔数为N，始末态的温度和体积分别为T1、T2，V1、V2，且设玻璃管的横截面积为S，由气态方程有：P0V2=NRT2①P0V1=NRT1；②将以上两式相减，有P0△V=NR△T即：△T=P0△V/NR=（P0S/NR）×△h代入①有W=[（C1M1+C2M2+C3M3）+P0S/NR]×△h；上式中中括号部分为常量设为K，于是得：W=K△h即电热与△h成正比，由此只须比较△h，即可比较焦耳热。如图（2）所示，A、B、C是三个完全相同的玻璃瓶，通过橡皮塞插入三根完全相同的U型玻璃管，管内各有一段完全相同的红色水柱，定质量的空气密封在玻璃瓶和玻璃管内，瓶内的光电珠构成如图（1）所示的装置图（每个电珠的电阻相同）。这里考虑到电阻的温度效应，RC是每两个电珠串联后再并联的电阻，使通过A、B、C每个电珠的电流相等，每个电珠两端电压也相同，则有2IA=2IB=IC，即在通电的情况下，仍然满足RA：RB：RC=1：2：1,这样才能确保PA：PB：PC=1：2：4，闭合开关K时，我们观察到在同一时刻三根玻璃管中的红色水柱的高度差△hA：△hB：△hC：=1：2：4，由前面的实验原理可知：WA：WC=1：4=IA2：IC2，WA：WB=1：2=RA：RB。再将通电时间延长为原来的两倍，各管中的水柱的高度差也相应的变为原来的两倍：W1：W'=t1：t'，由此完整地证明了“焦耳定律”（W∝I2RT）

图1

5该项目应用了哪些科学方法、科学原理

充分利用热力学和大气压强的知识，通过发光灯丝产生的焦耳热加热空气，再由热空气推动红色水柱做功而上升，直接读出水柱上升的高度差：ΔHa、ΔHb、ΔHc从而定量的演示焦耳定律即Qa：Qb：Qc=Na：Nb：Nc=ΔHa：ΔHb：ΔHc=1：2：4，具有很好的重复性，较高的灵敏度，较大的可见度，红色水柱复位（复0）迅速等科学原理。

6该项目的主要贡献（创新部分）

在中学物理实验教学中，用正常发光电珠个数定量演示“焦耳定律”，即焦耳热跟通过灯丝电流的二次方、灯丝的电阻、通电的时间成正比，故Q=I2RT，灵敏度高，可见度大，复位快，重复性好。

7他人同类研究的情况调查

对焦耳定律的研究有很多案例，但没有用光电互补来验证焦耳热的研究。该光电互补焦耳热演示仪是其它仪器不能比拟的。

8进一步完善该项目的设想

将U形玻璃管改造为透明塑料U型管或有机玻璃管，便于运输。做成大号的教师用的演示器和小号的学生演示仪，然后投入生产。

指导老师：江琼桃

作者单位：湖北省孝感高级中学高三（12）班