Question

9．在做“電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量與什么因素有關(guān)”的實驗時，小雨用如圖甲、乙所示的實驗裝置分別接入同一電路中進行實驗，其中A、B、C、D四個透明的容器中密封了等量的空氣，橡膠管將密封空氣盒和裝有紅色液體U形玻璃管相連．

（1）實驗中通過觀察U形管內(nèi)左右兩管液面的高度差來比較電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量的多少．
（2）甲裝置將兩電阻絲串聯(lián)的目的是使電流相等，實驗表明，在電流相同的情況下，電阻越大，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多，乙裝置可以用來研究電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量與電流的關(guān)系．
（3）通電一段時間后，小雨發(fā)現(xiàn)乙裝置與D容器相連的U形管中液面仍然是相平的，她用電壓表分別測量C、D容器上兩接線柱的電壓，發(fā)現(xiàn)第一次電壓表指針有較大的偏轉(zhuǎn)，第二次較小，則裝置出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是D容器上兩接線柱短路．
（4）清除故障后，在實驗的過程中，可以發(fā)現(xiàn)A、B、C、D四個透明的容器中，C容器中空氣溫度上升較快．

Answer 1

分析 （1）本實驗中，電流通過電阻絲產(chǎn)生熱量，被密閉空氣吸收，空氣的溫度升高，從而對管中液柱產(chǎn)生一定的壓強，使U形管中左右兩邊液面高度發(fā)生變化，這樣通過觀察U形管內(nèi)左右兩管液面的高度差來比較電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量的多少；電流產(chǎn)生的熱量越多、空氣吸收的熱量越多、液面高度差越大；
（2）串聯(lián)電路中各處的電流相等，又知甲圖中兩容器內(nèi)電阻的大小關(guān)系，用控制變量法分析解答；
并聯(lián)電路干路電流等于各支路電流之和，所以干路電流大于支路電流，據(jù)此分析乙圖中兩容器內(nèi)電流的大小關(guān)系，運用控制變量法分析解答；
（3）根據(jù)U形管液柱的變化情況和電壓表示數(shù)的變化判斷電路的故障原因；
（4）已知電源電壓相同，根據(jù)題意分別計算出甲乙兩圖中的電流大小，再根據(jù)焦耳定律Q=IRt比較相同時間內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少．

解答 解：
（1）本實驗是通過觀察U形管中液面高度差來判斷電流產(chǎn)生的熱量的多少，液面高度差越大，電流產(chǎn)生的熱量越多；
（2）在甲圖中，兩電阻串聯(lián)的目的是為了探究電流產(chǎn)生熱量跟電阻的關(guān)系；B電阻大于A電阻，B電阻產(chǎn)生的熱量多，故可以得出結(jié)論：在電流相同的情況下，電阻越大，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多；
在乙圖中，右側(cè)容器的外部，將一個電阻和這個容器內(nèi)的電阻并聯(lián)，這樣使左容器中的電阻在干路，右容器中的電阻在支路，干路電流大于支路電流，所以左則容器中電阻的電流大于右則容器中電阻的電流；在通電時間相同的情況下，可探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的關(guān)系；
（3）實驗過程中，與D容器相連的U型管中液面仍然是相平的，說明電阻沒有產(chǎn)生熱量；用電壓表測量C容器上量接線柱時，偏轉(zhuǎn)較大，測量D容器上兩接線柱時針偏轉(zhuǎn)較小，由串聯(lián)電路的分壓原理可知，D容器中的電阻幾乎沒有電壓，所以是D容器的兩接線柱短路；
（4）由P=UI，I=$\frac{U}{I}$可知，電阻的發(fā)熱功率為：P=I²R；
甲、乙所示的實驗裝置分別接入同一電路中，所以電源電壓U相同，設(shè)R=5Ω；
圖甲中總電阻為R₁=R+2R=3R，電路中的電流為I₁=$\frac{U}{{R}_{1}}$=$\frac{U}{3R}$；
A中電阻的發(fā)熱功率為：P_A=${I}_{1}^{2}$R=$（\frac{U}{3R}）^{2}$×R=$\frac{{U}^{2}}{9R}$；
B中電阻的發(fā)熱功率為：P_B=${I}_{1}^{2}$×2R=$（\frac{U}{3R}）^{2}$×2R=$\frac{2U}{9R}$；
圖乙中，D容器中兩個5Ω的電阻并聯(lián)后的總電阻為：R_D=$\frac{1}{2}$R，
總電阻為R₂=R+$\frac{1}{2}$R=$\frac{3}{2}$R=1.5R，
電路中的電流為I₂=$\frac{U}{{R}_{2}}$=$\frac{U}{1.5R}$，
C中電阻的發(fā)熱功率為：P_C=${I}_{2}^{2}$×R=$（\frac{U}{1.5R}）^{2}$×R=$\frac{4{U}^{2}}{9R}$；
D中電阻的發(fā)熱功率為：P_D=${I}_{2}^{2}$×1.5R=$（\frac{U}{1.5R}）^{2}$×$\frac{1}{2}$R=$\frac{2{U}^{2}}{9R}$；
所以，四個容器中C電阻的發(fā)熱功率最大，容器中空氣溫度升高的最快．
故答案為：（1）U形管內(nèi)左右兩管液面的高度差；（2）使電流相等；電流；電流；（3）D容器上兩接線柱短路；（4）C．

點評 本題主要考查了學(xué)生對焦耳定律探究實驗、串并聯(lián)電路的電阻關(guān)系、電流關(guān)系的了解和掌握；正確理解和合理運用控制變量法是解答此題的關(guān)鍵．