Question

9．在做“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验时，小雨用如图甲、乙所示的实验装置分别接入同一电路中进行实验，其中A、B、C、D四个透明的容器中密封了等量的空气，橡胶管将密封空气盒和装有红色液体U形玻璃管相连．

（1）实验中通过观察U形管内左右两管液面的高度差来比较电流通过电阻丝产生的热量的多少．
（2）甲装置将两电阻丝串联的目的是使电流相等，实验表明，在电流相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多，乙装置可以用来研究电流通过导体时产生的热量与电流的关系．
（3）通电一段时间后，小雨发现乙装置与D容器相连的U形管中液面仍然是相平的，她用电压表分别测量C、D容器上两接线柱的电压，发现第一次电压表指针有较大的偏转，第二次较小，则装置出现该现象的原因可能是D容器上两接线柱短路．
（4）清除故障后，在实验的过程中，可以发现A、B、C、D四个透明的容器中，C容器中空气温度上升较快．

Answer 1

分析 （1）本实验中，电流通过电阻丝产生热量，被密闭空气吸收，空气的温度升高，从而对管中液柱产生一定的压强，使U形管中左右两边液面高度发生变化，这样通过观察U形管内左右两管液面的高度差来比较电流通过电阻丝产生的热量的多少；电流产生的热量越多、空气吸收的热量越多、液面高度差越大；
（2）串联电路中各处的电流相等，又知甲图中两容器内电阻的大小关系，用控制变量法分析解答；
并联电路干路电流等于各支路电流之和，所以干路电流大于支路电流，据此分析乙图中两容器内电流的大小关系，运用控制变量法分析解答；
（3）根据U形管液柱的变化情况和电压表示数的变化判断电路的故障原因；
（4）已知电源电压相同，根据题意分别计算出甲乙两图中的电流大小，再根据焦耳定律Q=IRt比较相同时间内产生热量的多少．

解答 解：
（1）本实验是通过观察U形管中液面高度差来判断电流产生的热量的多少，液面高度差越大，电流产生的热量越多；
（2）在甲图中，两电阻串联的目的是为了探究电流产生热量跟电阻的关系；B电阻大于A电阻，B电阻产生的热量多，故可以得出结论：在电流相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多；
在乙图中，右侧容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，这样使左容器中的电阻在干路，右容器中的电阻在支路，干路电流大于支路电流，所以左则容器中电阻的电流大于右则容器中电阻的电流；在通电时间相同的情况下，可探究电流通过导体产生的热量与电流的关系；
（3）实验过程中，与D容器相连的U型管中液面仍然是相平的，说明电阻没有产生热量；用电压表测量C容器上量接线柱时，偏转较大，测量D容器上两接线柱时针偏转较小，由串联电路的分压原理可知，D容器中的电阻几乎没有电压，所以是D容器的两接线柱短路；
（4）由P=UI，I=$\frac{U}{I}$可知，电阻的发热功率为：P=I²R；
甲、乙所示的实验装置分别接入同一电路中，所以电源电压U相同，设R=5Ω；
图甲中总电阻为R₁=R+2R=3R，电路中的电流为I₁=$\frac{U}{{R}_{1}}$=$\frac{U}{3R}$；
A中电阻的发热功率为：P_A=${I}_{1}^{2}$R=$（\frac{U}{3R}）^{2}$×R=$\frac{{U}^{2}}{9R}$；
B中电阻的发热功率为：P_B=${I}_{1}^{2}$×2R=$（\frac{U}{3R}）^{2}$×2R=$\frac{2U}{9R}$；
图乙中，D容器中两个5Ω的电阻并联后的总电阻为：R_D=$\frac{1}{2}$R，
总电阻为R₂=R+$\frac{1}{2}$R=$\frac{3}{2}$R=1.5R，
电路中的电流为I₂=$\frac{U}{{R}_{2}}$=$\frac{U}{1.5R}$，
C中电阻的发热功率为：P_C=${I}_{2}^{2}$×R=$（\frac{U}{1.5R}）^{2}$×R=$\frac{4{U}^{2}}{9R}$；
D中电阻的发热功率为：P_D=${I}_{2}^{2}$×1.5R=$（\frac{U}{1.5R}）^{2}$×$\frac{1}{2}$R=$\frac{2{U}^{2}}{9R}$；
所以，四个容器中C电阻的发热功率最大，容器中空气温度升高的最快．
故答案为：（1）U形管内左右两管液面的高度差；（2）使电流相等；电流；电流；（3）D容器上两接线柱短路；（4）C．

点评 本题主要考查了学生对焦耳定律探究实验、串并联电路的电阻关系、电流关系的了解和掌握；正确理解和合理运用控制变量法是解答此题的关键．