16.4科学探究：电流的热效应 课件-2024-2025学年沪科版物理九年级全一册

■考点一 电流的热效应 1. 概念：电流通过导体时电能转化为内能的现象叫做电流的热效应。 2. 应用：工厂利用电热炼铜，家庭利用电热烧水、做饭、取暖等。 3. 能量转化：在电流的热效应中，电能转化为内能。 4. 电流热效应的影响因素：电流大小、电阻大小、通电时间的长短。 [考点解读] -1- 16.4科学探究：电流的热效应 例 1 （南宁中考）下列家用电器主要利用电流的热效应工作的是 ( ) A. 电饭锅 B. 电冰箱 C. 电视机 D. 电风扇 典题精析 -2- -3- 解析：电饭锅工作时，主要将电能转化为内能，是利用电流的热效应，故 A 项符合题意；电冰箱工作时，主要将电能转化为机械能，不是利用电流的热效应，故 B 项不符合题意；电视机工作时，主要将电能转化为光能和声能，不是利用电流的热效应，故C 项不符合题意；电风扇工作时，主要将电能转化为机械能，不是利用电流的热效应，故 D 项不符合题意。 答案：A 易错：C 错因：不清楚电流的热效应的概念。 满分备考：电流热效应的实质是电能转化为内能。主要利用电流的热效应来工作的装置称为电热器，比如电炉子、电饭锅、电烙铁等。根据各用电器使用时的能量转化作出判断来解决此类问题。 ■考点二 焦耳定律 1. 发现：英国物理学家焦耳在 1840 年发现焦耳定律。 2. 内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。 3. 表达式 （1）公式：Q=I2Rt（适用于一切电路）。 公式中，电流 I 的单位是安（A）；电阻 R 的单位是欧（Ω）；时间 t 的单位是秒（s）；热量 Q 的单位是焦（J）。 （2）推导式：Q=UIt，Q= t（均只适用于纯电阻电路）。 4. 电能与电热的关系 如果用电器将电能全部转化为内能（纯电阻电路），则消耗的电能等于产生的热量，即 W=Q=UIt= t=I2Rt；但是如果电能只是部分转化为内能，计算电流产生的热量只能用 Q=I2Rt，计算消耗的电能只能用 W=UIt，且 W-Q 就等于电能转化成的除内能之外的其他能量是多少。 -4- 例 2 （自贡中考）把一个标有 “10 V 3 W”的小灯泡和定值电阻 R 串联后接在电压为 12 V 的电源上（如图所示），小灯泡恰能正常发光。该电路工作 10 s 定值电阻产生的热量是 ( ) A. 60 J B. 36 J C. 30 J D. 6 J 典题精析 -5- 解析：由 P＝UI 可得，小灯泡正常发光时的电流：IL= =0.3 A； 因串联电路中总电压等于各分电压之和，且小灯泡正常发光，所以 R 两端的电压：UR＝U-UL＝12 V-10 V＝2 V，因串联电路中各处的电流相等，该电路工作 10 s 定值电阻产生的热量：Q＝W＝URIt＝2 V×0.3 A×10 s＝6 J。 答案：D 满分备考：焦耳定律公式中的各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的，即通过哪段电路或哪个导体的电流，计算的就是该部分电路或该导体的电热；运用公式 Q=I2Rt进行计算时，公式中各物理量的单位要统一使用国际单位制中的 单位。 -6- 实验：探究电流产生的热量与哪些因素有关 1. 实验装置：如图所示。 甲 乙 2. 实验步骤：（1）按照图甲所示连接好电路，检查无误后接通电源，按下计时器同时记录温度计的示数。保持电流大小不变，每隔一定时间记录一次温度计的示数。 （2）取质量、温度均与（1）初始状态相同的煤油，仍按图甲连接好电路。闭合开关，调节滑动变阻器，增大通过电阻丝的电流，通电时间与（1）相同， 记录玻璃瓶内煤油的温度。 [实验突破] -7- （3）选取两根阻值不一样的电阻丝，两个装有初始温度相同、等质量煤油的玻璃瓶，按图乙连接电路，检查无误后接通电源，通电一段时间后，记录两个烧瓶内煤油的温度。 3. 实验结论：通电导体产生的热量与导体本身的电阻、通过导体的电流以及通电时间有关。导体的电阻越大、通过导体的电流越大、通电时间越长，电流通过导体时产生的热量就越多。 -8- 命题点： 1. 本实验中用到的物理研究方法：转换法和控制变量法； 2. 被加热的材料选用煤油或空气的原因：利用其比热容①_______ ，可以使实验现象更明显； 3. 控制变量法的应用； 4. 转换法的应用：利用②_________来反映电阻丝产生热量的多少； 5. 多次测量的目的：避免偶然因素对实验结论的影响，得出普遍规律； 6. 实验数据分析与结论总结：在电阻和通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，产生的热量③_______； 在电流和通电时间相同的情况下，电阻④_________，产生的热量越多；在电阻和通过电阻的电流相同的情况下，通电时间越长，产生的热量⑤________。 -9- 命题点答案： ①较小 ②升高的温度 ③越多 ④越大 ⑤越多 -10- ■易错点 混淆实验探究的目的 例 如图所示，两个透明容器中密闭着等量的空气，A、B两 U 形管内的液面相平，电阻丝的电阻R1＝R2＝R3。小明用图示装置进行实验，探究电流通过导 体时产生的热量Q跟什么因素有关，下列说法正确的是( ) A. 此实验在探究电热Q与电阻R是否有关 B. 通过R1的电流和通过R2的电流大小相等 C. 电阻R1两端的电压和R2两端的电压相等 D. 通电后，A管的液面将会比B管的液面高 [易错分析] -11- 解析：由题知，电阻丝的电阻R1＝R2＝R3；装置中 R2、R3并联后再与R1串联，通过R1的电流I1＝I2+I3，而 I2＝I3，所以右边容器中通过R2的电流I2是左边通过R1 电流的一半，即研究电流产生的热量与电流的关系，故A项错误；由图知，通过 R1的电流I1＝I2+I3，而I2＝I3，所以通过电阻 R1和 R2 的电流不相等，故B项错误；已知R1＝R2＝R3，所以R2、R3并联后的总电阻是 R2= R1，由于串联电路中，用电器两端电压与其阻值成正比，所以电阻R1两端的电压大于R2两端的电压，故C项错误；左右两容器中的电阻相同，而通过电阻R1的电流大于R2的电流，通电时间相同，由 Q＝I2Rt 可知，A容器中电阻 R1产生的热量多，则A管的液面将会比B管的液面高，故D项正确。 答案：D 易错：A 错因：误以为装置左右两端通过电阻丝的电流相同，探究的是电热与电阻的关系。 -12- 易错警示：要学会利用控制变量法和转换法探究电流产生热量多少和各影响因素之间的关系。能通过实验装置分析探究实验的目的，并且在叙述电流产生热量与其中一个因素的关系时，要注意用控制变量法。 -13- ■题型一 电流的热效应 例 1 下列电器中，主要利用电流的热效应工作的是 ( ) A. 电铃 B. 电话机 C. 电视机 D. 电暖器 解析：电铃、电话机、电视机在工作时，主要是电能转化为机械能、声能、光能等，不是全部转化为内能，不是利用电流的热效应工作的，故 A、B、C 项 不符合题意。电暖器工作时，电能全部转化为内能，利用电流的热效应，故 D 项符合题意。 答案：D 题型解法：电流的热效应主要用来制作电热器，就是把电能全部转化为内能，对物体进行加热，因而利用电流热效应工作的电热器，不会产生机械能、化学能、声能、光能等其他能量，判断时根据其能量转化方向进行判断。 [题型探究] -14- ■题型二 探究电流的热效应 例 2 （鄂州中考）如图是探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置。甲、乙是完全相同的密闭容器，里面密封着等量的空气，U 形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化，闭合开关前，A、B 两U形管内液面相平。 （1）实验中，乙容器外部的电阻的作用是为了 使左右容器内导体的______不相等； （2）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 形管中液面高度的变化来 显示甲、乙容器内空气温度的变化，这里采用的物理研 甲 A B 乙 究方法是___________； （3）通过对比观察，______（选填“甲”或“乙”）容器中导体的电阻产生的热量较多。由此可知，在电阻和通电时间相同时，电流越_____ ，导体产生的热量越多。 -15- 解析：（1）乙容器外部的电阻的作用是为了使左右容器内导体的电流不相等，因为左右容器内两导体的阻值相等，必须让两电阻的电流不同才能探究电流产生的热量与电流大小的关系；（2）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做转换法；（3）由图知，A 管的液面高度差比 B 管的液面高度差大，说明甲容器中气体膨胀程度较大，温度上升得较高，因此甲容器中电阻产生的热量较多；两个电阻的阻值相同，通电时间相同，但电流不同，通过甲的电阻的电流大；由此可得，在电阻相同、通电时间相同的情况下，电流越大，电流产生的热量越多。 -16- 答案：（1）电流 （2）转换法 （3）甲 大 题型解法：“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验中电流产生的热量不易直接测量，应用转换法，在实验时，通过对等量的空气加热，根据气体的热胀冷缩，产生的热量越多，气体膨胀程度越大，U 形管内液面高度差越大；电流产生的热量与电流大小、电阻和通电时间有关，研究与其中一个因素的关系时，要控制另外两个因素相同，用到控制变量法。 -17- ■题型三 有关焦耳定律的计算 例 3 某同学组装了一台直流电动机模型，他将电动机模型接入如图甲所示的电路中，已知电源电压 U＝6 V，并保持不变，接通电路后，电动机没转动时，电流表读数为 2 A；电动机正常转动时，电流表读数为 0.5 A，已知电动机能量转化如图乙所示，求： 甲 乙 （1）电动机正常转动时，电路的总功率 P； （2）电动机正常转动 1 min 消耗的电能 W 和线圈产生的热量 Q； （3）电动机将电能转化成机械能的效率η。 -18- 解：（1）电动机正常转动时，电路的总功率：P＝ UI＝6 V×0.5 A＝3 W。 （2）t＝1 min＝60 s，电动机正常运转时消耗的电能：W＝UIt＝6 V×0.5 A×60 s＝180 J。电动机不转时， 由 I= 得，电动机线圈的电阻：R= =3 Ω。线圈产生的热量：Q＝I2Rt＝（0.5 A）2×3 Ω×60 s＝45 J。 （3）由图乙知电动机将电能转化为两部分分别为：机械能和内能。电机输出的机械功：W′＝W-Q＝ 180 J-45 J＝135 J，能量利用率：η= ×100%= ×100%＝75%。 答：（1）电动机正常转动时，电路的总功率为 3 W；（2）电动机正常转动 1 min 消耗的电能 W 为 180 J；线圈产生的热量为 45 J；（3）电动机将电能转化成机械能的效率为 75%。 -19- 题型解法：公式 Q=I2Rt 是电热的计算公式，W=UIt 是电流做功的计算公式，如果电流做功时只有热效应，则两公式是等效的；如果电流做功时，有电能转化为其他形式的能量，如电动机工作时，电能一部分转化为内能，一部分转化为机械能，则 Q=I2Rt 只是转化为电热的部分，W=UIt 则是总的电功。只有对纯电阻电路才有 W=Q，对非纯电阻电路有 Q＜W。 -20- 1. 电流的热效应 （1）概念：电流通过导体时电能转化为 _______能的现象叫做电流的热效应。 （2）探究实验：探究电流产生的热量与哪些因素有关的实验中，将电流产生的热量的多少通过 ______________________ 来反映；在探究电流产生的热量与通电时间关系时，必须在 ______ 和 ______ 相同的情况下比较；在探究电流产生的热量与电流大小关系时，必须在 ________ 和通电时间相同的情况下比较；在探究电流产生的热量与电阻大小关系时，必须在 ________ 和通电时间相同的情况下比较。 ▍课前预习/新知导引 第四节 科学探究：电流的热效应 -1- 第四节 科学探究：电流的热效应 -2- 2. 焦耳定律 （1）内容：电流通过导体时产生的热量跟 __________ 成正比，跟 __________ 成正比，跟 ________ 成正比。 （2）公式：________，变形公式为 Q=W=UIt= （适用于纯电阻电路） 注意：在纯电阻电路中，电能全部转化为电热，而没有转化为其他形式的能，即 Q=W，则有 Q=UIt，Q= t； 对于电能没有全部转化为电热的非纯电阻电路，如含有电动机的电路，则有 Q＜W，此时计算电功只能用 W=Pt=UIt。 第四节 科学探究：电流的热效应 -3- ■考点 1 电流的热效应 1. 如图所示的用电器中，利用电流热效应工作的是( ) 计算器 电风扇 电暖气 电视机 A B C D ▍考点集训/夯实基础 第四节 科学探究：电流的热效应 -4- 2. 如图所示是研究电流发热规律的一个实验装置，图中将两根不同的电阻丝串联起来接入电路是为了 ________________，小明同学通过该实验得出的实 验结论是：当电流一定时，导体的电阻越大，导体产生的热量越多。另一位同学指出他的结论不严密，请你将正确的结论写出来：_____________________ ____________________。 （第 2 题图） 第四节 科学探究：电流的热效应 -5- 3. 小明同学利用如图所示的装置来探究电流产生的热量与哪些因素有关，他在两个相同的玻璃瓶中装等质量的煤油，瓶中放置相同的电阻丝，在相等的 时间内通过大小不同的电流，结果发现两玻璃瓶中温度计的示数变化是不同的，这说明电流产生的热量 ( ) A． 与电荷量有关 B． 与电流的大小有关 C． 与电阻有关 D． 与通电时间有关 （第 3 题图） 第四节 科学探究：电流的热效应 -6- ■考点 2 焦耳定律 4. 某导体的电阻是 5 Ω，通过 1 A 的电流时，1 min 产生 ________ J 的热量。 5.（教材 P133，T1 原创）车床照明灯正常工作时的电压是 36 V，电阻是 24 Ω，则该照明灯正常工作 30 min时， 电流通过灯丝产生的热量是_______ J。 6. 如图所示，甲电阻丝的阻值小于乙电阻丝的阻值。比较通电后两根电阻丝各自两端的电压U 甲、U 乙 以及它们在相同时间内分别产生的热量 Q 甲、Q乙 的大小，下面关系中正确的是 ( ) A． U 甲=U 乙，Q 甲=Q 乙 B． U 甲＜U 乙，Q 甲＞Q 乙 C． U 甲＜U 乙，Q 甲＜Q 乙 D． U 甲＞U 乙，Q 甲＜Q 乙 （第 6 题图） 第四节 科学探究：电流的热效应 -7- 7. 用同种材料制成两段长度相等、横截面积不同的圆柱形导体，甲比乙的横截面积大，如图所示。将它们并联在电路中，通电一段时间后，比较甲、乙两导体升高的温度。下列说法正确的是 ( ) A． 甲导体产生的热量多 B． 乙导体产生的热量多 C． 甲、乙两导体产生的热量相同 D． 条件不足，无法判断 （第 7 题图） 第十六章 电流做功与电功率 -10- 1.（1）内 （2）液体温度升高的多少 电阻 电流 电阻 电流 2.（1）电流的二次方 导体的电阻 通电时间 （2）Q=I2Rt ▍课前预习/新知导引 第四节 科学探究：电流的热效应 第十六章 电流做功与电功率 -11- 1. C 提示：计算器工作时主要把电能转化为光能与声能，不是利用电流热效应工作的；电风扇主要是把电能转化为机械能，不是利用电流热效应工作的；电暖气工作时将电能转化为内能，是利用电流热效应工作的；电视机工作时主要把电能转化为光能与声能，不是利用电流热效应工作的。 2. 使通过的电流和通电时间相同当电流和通电时间一定时，导体的电阻越大，导体产生的热量越多 3. B 提示：从题中可以看出电阻和通电时间是相同的，电流的大小是不同的，研究的是电流产生的热量与电流大小的关系。 4. 300 提示：t=1 min=60 s，1 min 电流通过导体产生的热量：Q=I2Rt=（1 A）2×5 Ω×60 s= 300 J。 ▍考点集训/夯实基础 第十六章 电流做功与电功率 -12- 5. 97 200 提示：车床照明灯正常工作时，通过灯的电流：I= =1.5 A ，该照明灯正常工作 30 min 时，电流通过灯丝产生的热量：Q=I2Rt=（1.5 A）2×24 Ω×30×60 s= 97 200 J。 6. C 提示：由于两电阻丝串联，流过它们的电流 I 相等，通电时间 t 相等，由题意知： R 甲＜R 乙，由 U=IR 知：U 甲＜U 乙；由 Q=I2Rt 知：Q 甲＜Q 乙。 7. A 提示：题目中导体甲和乙材料相同，长度相等，但甲比乙的横截面积大，则甲的电阻比乙小。 图中导体甲和乙并联，根据公式 Q=I2Rt= t 知，导体两端电压相等时，相同时间内导体产生的热量和导体的电阻成反比，导体甲的电阻小，产生的热量多。 $$