李春光

【摘要】 ?焦耳定律是電路的一個(gè)重要定律，是初、高中物理教學(xué)必講的內(nèi)容。筆者在本文中就高中焦耳定律展開論述，并提出了一些有效的教學(xué)建議。

【關(guān)鍵詞】 ?高中 物理教學(xué) 教學(xué)建議

【中圖分類號(hào)】 ?G633.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】 ?1992-7711（2015）07-044-02

一、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新背景

焦耳定律只涉及到電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的問題，電路的電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能與磁場(chǎng)能，由于高中物理教學(xué)中不涉及反電動(dòng)勢(shì)的問題，高中教學(xué)常常只討論純電阻電路，所以許多高中學(xué)生也常常認(rèn)為UI、I2R和U2/R 三者總是相等的，對(duì)電路中能量的轉(zhuǎn)化問題，出現(xiàn)了認(rèn)識(shí)偏差。

教育科學(xué)出版社《高中物理選修3-1》第二章恒定電流6焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化，該節(jié)先講“電功和電功率”，再講“焦耳定律、熱功率”，最后講“電路中的能量轉(zhuǎn)化”。在“電路中的能量轉(zhuǎn)化”中雖然也談到電動(dòng)機(jī)電路的P電=P熱+P其他問題 ，在“練習(xí)與評(píng)價(jià)”中，五道習(xí)題中也有一道排氣扇的題目，其他全是純電阻的習(xí)題。

初中學(xué)生在準(zhǔn)備中考時(shí)，關(guān)于電功率UI與熱功率I2R; 電功UIt與電熱I2Rt 的習(xí)題做過幾百、上千道，對(duì)于這些公式掌握的非常熟練。現(xiàn)在高中的學(xué)生，還認(rèn)為無論什么情況下，初中講的歐姆定律都成立，認(rèn)為UI、I2R和U2/R 總是相等的。殊不知初中講的歐姆定律也有不適用的時(shí)候，這種情況下，上述三個(gè)公式就不再相等了，其中，U2/R甚至沒有意義了。

基于這種情況，我們認(rèn)為高中關(guān)于焦耳定律的教學(xué)，應(yīng)該在學(xué)生能夠熟練運(yùn)用電功率UI與熱功率I2R; 電功UIt與電熱I2Rt這些公式的基礎(chǔ)上，從歐姆定律不適用的問題入手，例如從電動(dòng)機(jī)電路入手，討論在這種情況下， UI與I2R; UIt與I2Rt各自的物理意義，以及它們何時(shí)相等，何時(shí)又不相等……等問題。與此同時(shí)滲透如下的思想：“算清電路中各種能量之間的關(guān)系（有人稱之為“能量賬”），是加深理解電路問題的基礎(chǔ)，也是解有關(guān)電路習(xí)題的基礎(chǔ)?！?/p>

實(shí)現(xiàn)我們上述設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，在于能否用實(shí)驗(yàn)演示出：電動(dòng)機(jī)電路中，輸入的電功率UI等于熱功率I2R與輸出的機(jī)械功率之和，該實(shí)驗(yàn)的誤差只要控制在10%之內(nèi)，就算成功。

二、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新作品教學(xué)（即使用說明）

上課伊始。老師為學(xué)生演示電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，說明

電能————→機(jī)械能

根據(jù)電動(dòng)機(jī)上面都貼著電動(dòng)機(jī)的電阻，大約11.2Ω，兩端接有12.2V，讓學(xué)生猜想電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電路中的電流多大？——學(xué)生大多根據(jù)初中的歐姆定律，猜想電流大約為1 A——而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（如圖1）實(shí)際結(jié)果卻是0.07A——為什么？

由此總結(jié)出：在電動(dòng)機(jī)的電路——有電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，不能再用我們初中的歐姆定律來計(jì)算電路的電流。

計(jì)算這種狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)獲得多大的機(jī)械能？

已知：U=12.2V、I=0.07A、R=11.2Ω

電路的輸入功率為：UI=12.2×0.07=0.854 （W）

發(fā)熱功率為：I2R =0.072×11.2=0.055 （W）

電動(dòng)機(jī)獲得的機(jī)械功率：P機(jī)= UI - I2R =0.799W

由這部分機(jī)械功率“干什么了？”——引出這部分機(jī)械功率主要轉(zhuǎn)化成為克服摩擦的功率?！獮楸咎谜n最后半定量實(shí)驗(yàn)的修正埋下伏筆。

仍然利用圖四的實(shí)驗(yàn)，用手指增加電動(dòng)機(jī)軸的摩擦力，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)變慢，電路電流增大;摩擦力越大，轉(zhuǎn)速越慢，電路電流越大。如果將電動(dòng)機(jī)的軸用手指捏死，通過電動(dòng)機(jī)的電流倒是1.1A 。

由這些實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1.電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，初中學(xué)習(xí)的歐姆定律不再適用，通過電動(dòng)機(jī)的電流與電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)有關(guān)。

2.電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，沒有機(jī)械功率輸出，已經(jīng)不成為電動(dòng)機(jī)了，這時(shí)電路就是純電阻電路了，初中歐姆定律當(dāng)然成立了。

請(qǐng)注意：使用電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)卡死不轉(zhuǎn)，電路的電流與發(fā)熱功率都很大，可能很快將電動(dòng)機(jī)燒毀。這是個(gè)極端—甚至是破壞性的實(shí)驗(yàn)，時(shí)間不能長(zhǎng)。這時(shí)，應(yīng)該盡快把電源斷開。

為了深入探討電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，再演示一個(gè)半定量實(shí)驗(yàn)：讓電動(dòng)機(jī)吊起一個(gè)m=300g的砝碼，在勻速上升（并用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量其速度為V=0.61m/s）的過程中，討論電路能量之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還有： U=12.2V ; ?I=0.3A ; ?R=11.2Ω

輸入功率：UI = 12.2×0.3=3.66（W）

發(fā)熱功率： I2R = 0.32×11.2=1.008（W）

提升重物的機(jī)械功率 P機(jī)=Fv=mgv =1.793（W）

為什么 I2R+P機(jī)=2.801W 不等于UI=3.66W 呢？相差還不少。問題出在哪里？

由于我們沒有計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸消耗的摩擦功率，必然引起誤差—如何測(cè)定這部分的摩擦功率呢？——我們無法測(cè)定這部分功率，但，可以借助同樣的電動(dòng)機(jī)在同樣的電壓下空轉(zhuǎn)時(shí)，克服轉(zhuǎn)動(dòng)軸摩擦功率的大小，來進(jìn)行修正。

由前述的伏筆可知：P機(jī)2=UI- I2R=0.799（W） ，這樣發(fā)熱功率、提升重物的功率與克服摩擦的功率之和：I2R+ P機(jī)+ P機(jī)2=1.008+1.793 +0.799=3.60（W）

與輸入功率：UI = 12.2×0.3=3.66（W） 比較，兩者就很接近了，誤差大約2% ?！?/p>

本課的總結(jié)略。

四、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新展望（本標(biāo)題最好改為：幾點(diǎn)說明）

1.本課的半定量實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定重物上升中段的速度，也可以用三個(gè)光電門，在上升中段相近的三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定。這樣在課堂上可以重復(fù)兩次、三次實(shí)驗(yàn)，而不用播放事先錄制的錄像，增加實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與可信度。

2.《新課程標(biāo)準(zhǔn)》提倡：盡量讓學(xué)生親自通過實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)?zāi)承┪锢磉^程。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的小電動(dòng)機(jī)型號(hào)為PPN13PB125C，售價(jià)5元/臺(tái)，外型如圖2所示。電阻約6Ω。實(shí)驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)接3V電壓，短路（卡死）電流約0.5A ?;空載電流約0.05A 。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以很好反映電動(dòng)機(jī)工作的定性情況。

3.有老師對(duì)小型電動(dòng)機(jī)的電阻有如下意見：用電阻表測(cè)定小型電動(dòng)機(jī)的電阻，離散度很大，幾乎沒有一個(gè)集中的數(shù)值。

對(duì)于型號(hào)為PPN13PB125C小電動(dòng)機(jī)，我們用電阻表測(cè)定其電阻，令轉(zhuǎn)子在不同位置，只要轉(zhuǎn)子不動(dòng)，其電阻都在6.2-6.4Ω之間。另一種測(cè)定方法：電動(dòng)機(jī)接3V電壓，轉(zhuǎn)子在不同位置，短路（卡死）電流大約0.5A ，因此算出電阻約6Ω ，兩種測(cè)定方法一致。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的電阻問題，我們有如下的看法：

直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛，工藝也已經(jīng)很成熟了;電工學(xué)中有關(guān)直流電動(dòng)機(jī)的理論也已經(jīng)很成熟了，所以，電動(dòng)機(jī)的電阻不可能成為不解之謎！。

人教版《高中物理選修3-1》第二章恒定電流5焦耳定律，有一道直流電動(dòng)機(jī)的例題，其中也有電動(dòng)機(jī)線圈電阻0.4Ω的條件，可見，電動(dòng)機(jī)有一定的電阻的。