【制作方法】
如图18.2-1所示,取内径约2厘米长约12厘米的透明塑料管三段A、B、C(电工材料商店有售),上下均用钻有3毫米孔的胶塞塞紧,上塞孔内各插入一个输液管直通接头,外端连接一段输液管,长约15厘米(此管内径2.5毫米);下塞孔内,A管也插入输液管直通接头,B、C二管各插入一个三通接头。B管三通接头的下端,用输液管与A管的输液管直通接头相连。C管三通接头的下端,用输液管与滴瓶相连。未用管夹时,手捏滴瓶可以控制输液管中液柱的高度。
截取约300瓦的电炉丝,取12欧一段,6欧三段,如图18.2-1所示进行焊接安装。各焊接点,应先把引线与电阻丝绕紧再点焊才能焊牢。
由滴瓶口向A、B、C三管内装满由红墨水染红的酒精(酒精比煤油易于清洗和染色)。
整个装置安装在一面板上,面板尺寸为40×30厘米2,用三合板漆成白底蓝边,竖立在底板上。在三根输液管的中间画上若干条水平刻度线,以便观察液柱上升情况。
电源电压约24伏,交直流均可。
【实验原理】
这类教具利用了液体(或气体)吸收电阻丝加热后放出的热量,体积膨胀,使细管中液柱升高,由细管中液柱的升高来显示电阻丝加热后放出的热量。这就要研究一下液柱上升高度与吸收的热量、电阻和通电时间之间的关系。
液体吸收的热量
Q=cm(Δt)(1)式中c为液体的比热,m为液体的质量,Δt为液体加热的时间。
液体在加热过程中体积膨胀
V=V0(1+aΔt)(2)式中V0为液体加热前的体积,a为液体的体积膨胀系数,Δt为液体的加热时间。
由(2)式得
V-V0=V0·aΔt
∴V-V0∝Δt∝Q(3)
(3)式表明,液体体积的变化与液体的加热时间Δt成正比,又由(1)式,对于一定质量的液体,m和c是一定的,所以液体体积的变化正比于液体所吸收的热量。
另一方面,液体所吸收的热量正是电流通过电阻丝所产生的热量,忽略热量损失后,可认为它们是相等的。因此,可根据液柱上升高度的变化(反映的是液体体积的变化),来研究电流通过电阻丝所产生的热量与电阻丝的电阻、电路的电流、通电时间有什么关系,通过实验总结出焦耳定律。
【使用方法】
1.轻捏滴瓶,使三液柱面同在最下一条刻线处,用管夹夹紧A、B、C三管下端。
2.闭合开关,通过A、B二管内电阻丝的电流相等,但因A管内电阻为B管内电阻的二倍,结果A管液柱升高为B管液柱升高的二倍。这说明电流产生的热量,与电阻成正比。B、C二管内电阻相等,但通过B管内电阻丝的电流为通过C管内电阻丝的电流的二倍,结果B管液柱的升高为C管液柱升高的四倍。这说明电流产生的热量,与电流的平方成正比。
3.观察任一管液柱的升高,可看到在相等的时间内,升高的高度相等。这说明电流产生的热量,与通电时间成正比。
4.断开电源后,松开管夹,则液柱下降,恢复等高。
编者提示:本自制教具可辅以“电功、电功率”部分的物理实验教学。
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