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。