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例 题 用如图15-4-1所示的装置探究影响电流热效应的因素，三个相同的圆底烧瓶内均装有质量相等的煤油，电阻丝$R_1$、$R_2$、$R_3$浸没在煤油中，其中$R_1=R_3=6 \ \Omega$、$R_2=3 \ \Omega$。闭合开关前，记录煤油的初温$t_0$；同时闭合开关$S_1$、$S_2$，通电$5 \ \mathrm{min}$，记录电流$I$，煤油的末温$t$，结果如下表所示。则电阻丝$R_1$、$R_2$所在的圆底烧瓶中的煤油升温所吸收的热量之比为。 比较实验①③可知，导体产生的热量与有关；比较实验(填序号)可知，导体产生的热量与电阻有关。 若要探究导体产生的热量与通电时间的关系，应进行的操作是。
解 析 因为三个相同的圆底烧瓶内均装有质量相等的煤油，根据$Q=cm \Delta t$可得，煤油吸收的热量与其温度变化量成正比，电阻丝$R_1$所在的圆底烧瓶中的液体温度升高了$10 \ ° \mathrm{C}$，电阻丝$R_2$所在的圆底烧瓶中的液体温度升高了$4 \ ° \mathrm{C}$。 故吸收热量之比为$5:2$。
由题可知，$R_1=R_3=6 \ \Omega$，两个电阻丝阻值相同，由表格数据可知，实验③的电流大于实验①，升高的温度也多一些，由此可以说明电阻丝产生的热量与电流有关。
由题意可知$R_1=6 \ \Omega$、$R_2=3 \ \Omega$(电阻不同)，且实验①②电流相同，实验①升高的温度比实验②高，由此可以说明电阻丝产生的热量与电阻有关。
只闭合开关$S_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量就能够探究电阻丝产生的热量与通电时间的关系。
解 析 因为三个相同的圆底烧瓶内均装有质量相等的煤油，根据$Q=cm \Delta t$可得，煤油吸收的热量与其温度变化量成正比，电阻丝$R_1$所在的圆底烧瓶中的液体温度升高了$10 \ ° \mathrm{C}$，电阻丝$R_2$所在的圆底烧瓶中的液体温度升高了$4 \ ° \mathrm{C}$。 故吸收热量之比为$5:2$。
由题可知，$R_1=R_3=6 \ \Omega$，两个电阻丝阻值相同，由表格数据可知，实验③的电流大于实验①，升高的温度也多一些，由此可以说明电阻丝产生的热量与电流有关。
由题意可知$R_1=6 \ \Omega$、$R_2=3 \ \Omega$(电阻不同)，且实验①②电流相同，实验①升高的温度比实验②高，由此可以说明电阻丝产生的热量与电阻有关。
只闭合开关$S_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量就能够探究电阻丝产生的热量与通电时间的关系。
答案
5:2
电流
①②
只闭合开关$\mathrm{S}_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量
电流
①②
只闭合开关$\mathrm{S}_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量
解析
【分析】
首先，对于煤油吸收热量之比，根据吸热公式$Q_{\mathrm{吸}}=cm\Delta t$，由于煤油质量相等、比热容相同，吸收热量之比等于升高的温度之比，只需找到$R_1$、$R_2$对应的煤油升温值，计算比值即可。
分析实验①③时，$R_1$与$R_3$电阻相同，电流不同，煤油升温不同，由此可判断热量与电流有关；探究热量与电阻的关系，需控制电流和通电时间相同、改变电阻，因此选择电流相同的实验①②；探究热量与通电时间的关系，需控制电流和电阻相同、改变通电时间，据此确定操作方法。
【解析】
1. 计算煤油吸收热量之比：
已知煤油质量$m$相等，比热容$c$相同，根据$Q_{\mathrm{吸}}=cm\Delta t$，可得$\frac{Q_{1}}{Q_{2}}=\frac{cm\Delta t_{1}}{cm\Delta t_{2}}=\frac{\Delta t_{1}}{\Delta t_{2}}$。
由实验数据，$R_1$对应的煤油升温$\Delta t_{1}=10\ \mathrm{° C}$，$R_2$对应的$\Delta t_{2}=4\ \mathrm{° C}$，因此$\frac{Q_{1}}{Q_{2}}=\frac{10\ \mathrm{° C}}{4\ \mathrm{° C}}=\frac{5}{2}$。
2. 分析实验①③：
$R_1=R_3=6\ \Omega$（电阻相同），实验③的电流大于实验①，且③中煤油升温更高，说明在电阻和通电时间相同的情况下，电流越大，导体产生的热量越多，即导体产生的热量与电流有关。
3. 探究热量与电阻的关系：
要探究导体产生的热量与电阻的关系，需控制电流和通电时间相同，改变电阻。实验①②中，$R_1$与$R_2$串联，电流相同、通电时间相同，$R_1≠ R_2$，煤油升温不同，因此比较实验①②可知导体产生的热量与电阻有关。
4. 探究热量与通电时间的关系：
要探究导体产生的热量与通电时间的关系，需控制电流和电阻相同，改变通电时间。操作方法为：只闭合开关$\mathrm{S}_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量（此时只有$R_2$工作，电阻和电流不变，通过改变通电时间探究热量与时间的关系）。
【答案】
$5:2$；电流；①②；只闭合开关$\mathrm{S}_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量
【知识点】
电流的热效应；控制变量法；吸热公式应用
【点评】
本题通过控制变量法探究电流热效应的影响因素，将电阻产生的热量转化为煤油升温的变化，考查了对焦耳定律实验的理解与应用，关键是准确运用控制变量法分析实验条件与现象。
【难度系数】
0.6
首先，对于煤油吸收热量之比，根据吸热公式$Q_{\mathrm{吸}}=cm\Delta t$，由于煤油质量相等、比热容相同，吸收热量之比等于升高的温度之比，只需找到$R_1$、$R_2$对应的煤油升温值，计算比值即可。
分析实验①③时，$R_1$与$R_3$电阻相同，电流不同，煤油升温不同，由此可判断热量与电流有关；探究热量与电阻的关系，需控制电流和通电时间相同、改变电阻，因此选择电流相同的实验①②；探究热量与通电时间的关系，需控制电流和电阻相同、改变通电时间，据此确定操作方法。
【解析】
1. 计算煤油吸收热量之比：
已知煤油质量$m$相等，比热容$c$相同，根据$Q_{\mathrm{吸}}=cm\Delta t$，可得$\frac{Q_{1}}{Q_{2}}=\frac{cm\Delta t_{1}}{cm\Delta t_{2}}=\frac{\Delta t_{1}}{\Delta t_{2}}$。
由实验数据，$R_1$对应的煤油升温$\Delta t_{1}=10\ \mathrm{° C}$，$R_2$对应的$\Delta t_{2}=4\ \mathrm{° C}$，因此$\frac{Q_{1}}{Q_{2}}=\frac{10\ \mathrm{° C}}{4\ \mathrm{° C}}=\frac{5}{2}$。
2. 分析实验①③：
$R_1=R_3=6\ \Omega$（电阻相同），实验③的电流大于实验①，且③中煤油升温更高，说明在电阻和通电时间相同的情况下，电流越大，导体产生的热量越多，即导体产生的热量与电流有关。
3. 探究热量与电阻的关系：
要探究导体产生的热量与电阻的关系，需控制电流和通电时间相同，改变电阻。实验①②中，$R_1$与$R_2$串联，电流相同、通电时间相同，$R_1≠ R_2$，煤油升温不同，因此比较实验①②可知导体产生的热量与电阻有关。
4. 探究热量与通电时间的关系：
要探究导体产生的热量与通电时间的关系，需控制电流和电阻相同，改变通电时间。操作方法为：只闭合开关$\mathrm{S}_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量（此时只有$R_2$工作，电阻和电流不变，通过改变通电时间探究热量与时间的关系）。
【答案】
$5:2$；电流；①②；只闭合开关$\mathrm{S}_2$，改变通电时间，观察温度计示数的变化量
【知识点】
电流的热效应；控制变量法；吸热公式应用
【点评】
本题通过控制变量法探究电流热效应的影响因素，将电阻产生的热量转化为煤油升温的变化，考查了对焦耳定律实验的理解与应用，关键是准确运用控制变量法分析实验条件与现象。
【难度系数】
0.6
