Question

10．在如图1所示的装置中，甲、乙是两个完全相同的密闭容器，密闭容器中两个阻值分别为5Ω和10Ω的电阻组成一个串联电路，闭合开关前，A、B两U形管内液面相平．用这套装置完成“探究电流相同时，通过导体产生的热量与电阻大小的关系”的实验．

【制定计划与设计实验】由于电流产生的热量不易直接测量，因此在实验中是通过观察U形管中液面的高度差来显示甲、乙容器内空气温度的变化，这里采用了转换法的探究方法．
【分析与论证】通过对比观察，相同时间内乙（选填“甲”、“乙”）容器中导体的电阻产生的热量较多．由此可知，在电流强度和通电时间相同时，电阻越大，导体产生的热量越多．
英国物理学家焦耳经过多年的研究，做了大量的实验，得出了焦耳定律．焦耳定律可以用公式表示为Q=I²Rt．
【交流】另一实验小组用图2所示的装置来完成本实验．图中两个密封的烧瓶内盛满质量和温度都相同的煤油，瓶中插有两端开口的细玻璃管．两瓶煤油中都浸泡着一段电阻丝，烧瓶A中的金属丝的电阻为5Ω，烧瓶B中的金属丝的电阻为10Ω．为了在较短的时间内达到明显的实验效果，该实验小组选用了煤油而不选用水，主要是由于煤油的比热容较小，升温较快．
【实验拓展】将图2装置改装后可测量煤油的比热容．方法是：分别向两个相同的烧瓶中（内部电阻丝阻值相同）加入初温均为t₀、质量相等的水和煤油，通电一段时间后，分别读出温度计的示数为t_水、t_煤油，请写出煤油比热容的表达式c_煤油=$\frac{{t}_{水}-{t}_{0}}{{t}_{煤油}-{t}_{0}}•{c}_{水}$ （已知水的比热容为c_水）．

Answer 1

分析 （1）电阻产生的热量越多，容器内空气的膨胀程度越大，液柱上升的高度越大．电流产生的热量不能用眼睛直接观察，可通过液面高度差的变化来反映，用能直接观测的量来显示不容易直接观测的量的方法叫转换法．
（2）观察AB两管中液面的高度可判断产生热量的多少，可以得出：在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多．
（3）在较短的时间内达到明显的实验效果，即要求液体升温较快，根据吸热公式可知，应选用比热容小的液体；
（4）根据题意可知，在相同时间内，相同的电阻串联产生的热量相等，即Q_煤吸=Q_水吸，根据吸热公式可得到煤油的比热容．

解答 解：【制定计划与设计实验】实验中是通过观察“U”形管中液面的高度差来显示甲、乙容器内空气温度的变化．像这种用能直接观测的量来显示不容易直接观测的量的方法叫转换法；
【分析与论证】由图1可知，B液柱的液面较高，说明乙容器中的电阻产生的热量多．由此可知：在电流强度和通电时间相同时，电阻越大，导体产生的热量越多．
焦耳定律可以用公式表示为：Q=I²Rt；
【交流】要在较短的时间内达到明显的实验效果，即要求液体升温较快；在吸收热量相同、液体质量相同时，根据Q_吸=cm△t可知，要液体升温较快，应选用比热容较小的煤油；
【实验拓展】图2装置中，两电阻丝阻值相同，它们串联电流相同，通电一段时间后，电流产生的热量相同，则煤油和水吸收的热量相同．
已知它们的质量相同，设为m．
根据前面分析结合吸热公式有：c_煤油m（t_煤油-t₀ ）=c_水m（t_水-t₀ ），
解得：c_煤油=$\frac{{t}_{水}-{t}_{0}}{{t}_{煤油}-{t}_{0}}•{c}_{水}$．
故答案为：
【制定计划与设计实验】高度差；转换法；
【分析与论证】乙；大；Q=I²Rt；
【交流】煤油的比热容较小，升温较快；
【实验拓展】$\frac{{t}_{水}-{t}_{0}}{{t}_{煤油}-{t}_{0}}•{c}_{水}$．

点评 此题考查了电流产生热量的决定因素，实验过程中渗透了转换法和控制变量法的应用，有一定的综合性．