焦耳定律演示裝置一
【製作方法】
如圖18.2-1所示,取內徑約2釐米長約12釐米的透明塑料管三段A、B、C(電工材料商店有售),上下均用鑽有3毫米孔的膠塞塞緊,上塞孔內各插入一個輸液管直通接頭,外端連接一段輸液管,長約15釐米(此管內徑2.5毫米);下塞孔內,A管也插入輸液管直通接頭,B、C二管各插入一個三通接頭。B管三通接頭的下端,用輸液管與A管的輸液管直通接頭相連。C管三通接頭的下端,用輸液管與滴瓶相連。未用管夾時,手捏滴瓶可以控制輸液管中液柱的高度。
截取約300瓦的電爐絲,取12歐一段,6歐三段,如圖18.2-1所示進行焊接安裝。各焊接點,應先把引線與電阻絲繞緊再點焊才能焊牢。
由滴瓶口向A、B、C三管內裝滿由紅墨水染紅的酒精(酒精比煤油易於清洗和染色)。
整個裝置安裝在一面板上,面板尺寸爲40×30釐米2,用三合板漆成白底藍邊,豎立在底板上。在三根輸液管的中間畫上若干條水平刻度線,以便觀察液柱上升情況。
電源電壓約24伏,交直流均可。
【實驗原理】
這類教具利用了液體(或氣體)吸收電阻絲加熱後放出的熱量,體積膨脹,使細管中液柱升高,由細管中液柱的升高來顯示電阻絲加熱後放出的熱量。這就要研究一下液柱上升高度與吸收的熱量、電阻和通電時間之間的關係。
液體吸收的熱量
Q=cm(Δt)(1)式中c爲液體的比熱,m爲液體的質量,Δt爲液體加熱的時間。
液體在加熱過程中體積膨脹
V=V0(1+aΔt)(2)式中V0爲液體加熱前的體積,a爲液體的體積膨脹係數,Δt爲液體的加熱時間。
由(2)式得
V-V0=V0·aΔt
∴V-V0∝Δt∝Q(3)
(3)式表明,液體體積的變化與液體的加熱時間Δt成正比,又由(1)式,對於一定質量的液體,m和c是一定的,所以液體體積的變化正比於液體所吸收的熱量。
另一方面,液體所吸收的熱量正是電流通過電阻絲所產生的熱量,忽略熱量損失後,可認爲它們是相等的。因此,可根據液柱上升高度的變化(反映的是液體體積的變化),來研究電流通過電阻絲所產生的熱量與電阻絲的電阻、電路的電流、通電時間有什麼關係,通過實驗總結出焦耳定律。
【使用方法】
1.輕捏滴瓶,使三液柱面同在最下一條刻線處,用管夾夾緊A、B、C三管下端。
2.閉合開關,通過A、B二管內電阻絲的電流相等,但因A管內電阻爲B管內電阻的二倍,結果A管液柱升高爲B管液柱升高的二倍。這說明電流產生的熱量,與電阻成正比。B、C二管內電阻相等,但通過B管內電阻絲的電流爲通過C管內電阻絲的電流的二倍,結果B管液柱的升高爲C管液柱升高的四倍。這說明電流產生的熱量,與電流的平方成正比。
3.觀察任一管液柱的升高,可看到在相等的時間內,升高的高度相等。這說明電流產生的熱量,與通電時間成正比。
4.斷開電源後,鬆開管夾,則液柱下降,恢復等高。
本站提示:本自制教具可輔以“電功、電功率”部分的物理實驗教學。
選自:《初中物理自制教具》
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