内容正文:
第十六章 电流做功与电功率
上海科学技术出版社
义务教育物理课程标准实验教科书编写组 编著
致老师、同学
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①视频讲解—《探究影响导体产生热量的因素》
②视频讲解—《电流通过导体产生的热量跟电流的关系》
③视频讲解—《电流通过导体产生的热量跟电阻的关系》
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科学探究:电流的热效应
第十六章 电流做功与电功率
第四节
知道电流的热效应,了解电热的利用。(物理观念)
01
通过实验理解焦耳定律,记住焦耳定律的计算公式,并能应用公式进行简单的计算。(科学探究、物理观念)
02
通过探究电流产生的热量与哪些因素有关,学习控制变量法的应用。(科学探究、科学思维)
03
学习目标
课堂总结
02
课后作业全解
03
学习新课
01
综合提升训练
04
目录导航
导入新课
想一想
①导线和电熨斗串联,为什么电熨斗很热而导线并不很热?
②点亮的白炽灯泡过一会儿会烫手,说明什么?
学习新课
01
第四节 科学探究:电流的热效应
知识一 电流的热效应
(1)寻找以下用电器的共同特点
电热毯、电水壶、电饭煲、烤箱等。
分析:用电器工作时都要消耗电能,都会发热,在这个过程中,电能转化为内能。
(2)电流的热效应
电流通过导体时电能转化成内能的现象叫做电流的热效应。
1. 电流的热效应
知识一 电流的热效应
主要利用电流热效应工作的装置称为电热器。如图所示的电热油汀、蒸汽电熨斗、电暖器、电水壶和电炉等都是电热器。
2. 电热器
知识一 电流的热效应
【例题1】下列用电器不是利用电流热效应工作的是( )
A.电饭锅 B.电热毯
C.电风扇 D.电熨斗
ABD.电热毯、电熨斗和电饭锅工作时,主要是将电能转化为内能,是利用了电流的热效应, 故ABD不符合题意;
C.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工作的, 故C符合题意。
C
故选C。
知识二 探究影响电流热效应的因素
【提出问题】电流通过电热器产生的热量与哪些因素有关?
【进行猜想】
①电热器只有通电才会发热,它们产生的热量是否与电流有关?
②电炉丝和导线通过电流相同,为什么电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热?它们产生的热量是否与电阻有关?
③给水加热时,通电时间越长,水的温度越高,电流通过电热器产生的热量是否与时间有关?
知识二 探究影响电流热效应的因素
设计实验
如图所示,将一段电阻丝浸没在一定质量的液体(如煤油)中,通电时电阻丝产生的热量被液体吸收,液体的温度就会升高。因此,我们可以通过液体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少。
1. 如何比较通电时间对产生热量的影响?需要控制哪些物理量?如何进行控制?
2. 如何比较电阻丝中的电流大小对产生热量的影响?需要控制哪些物理量?如何进行控制?
3. 如何比较电阻丝的电阻大小对产生热量的影响?需要控制哪些物理量?如何进行控制?
知识二 探究影响电流热效应的因素
采用控制变量法进行实验:需要控制电阻与电流相同,而时间不等。
如图所示分别是实验电路图和实物图。进行实验时,连接好电路,检查无误后接通电源,按下计时器并同时记录温度计的示数。保持电流的大小不变,每间隔一定时间记录一次温度计的示数,并填写到设计好的表格中。
1. 探究电流产生的热量与通电时间是否有关?
设计实验
时间t/min
温度t/℃
知识二 探究影响电流热效应的因素
2. 探究电流产生的热量与电流大小是否有关?
采用控制变量法进行实验:需要控制电阻与通电时间相同,而电流不等。
取质量、温度均与上述实验初始状态相同的煤油,仍按图连接电路。闭合开关,调节滑动变阻器,增大通过电阻丝的电流,通电时间与前次相同,记录玻璃瓶内煤油的温度。
设计实验
时间t/min
温度t/℃
知识二 探究影响电流热效应的因素
采用控制变量法进行实验:需要控制电流与通电时间相同,而电流不等。
选取两根阻值不一样的电阻丝,两个装有初始温度相同(记为 t 0)、等质量(记为 m0)煤油的玻璃瓶,按图所示将实验器材连接起来。检查无误后接通电源,通电一定时间后,记录两个玻璃瓶内煤油的温度。
3. 探究电流产生的热量与电阻大小是否有关?
设计实验
时间t/min
温度tR1/℃
温度tR2/℃
知识二 探究影响电流热效应的因素
进行实验与收集证据
1. 同一根电阻丝,保持通过电阻丝的电流不变,改变通电时间,观察液体温度的变化。
实验现象:通电时间越长,温度计的示数变化越大。
实验结论:
对同一电阻丝,在电流大小不变的情况下,通电时间越长,煤油的温度越 ______,表明电流产生的热量越 _______。
高
多
知识二 探究影响电流热效应的因素
进行实验与收集证据
2. 将同一根电阻丝接入电路,观察在一定时间内液体温度的变化。保持时间一定,调节滑动变阻器,改变通过电阻丝的电流,进行多次实验。
实验现象:时间一定时,电流较大时温度计的示数变化大。
实验结论:对同一电阻丝,在通电时间相同的情况下,通电电流越大,煤油的温度越_____,表明电流越大,电流产生的热量越 _____。
高
多
实验结论:在通电电流大小不变,通电时间相同的情况下,电阻越大,煤油的温度越 _____,表明电阻越大,电流产生的热量越 _____。
知识二 探究影响电流热效应的因素
进行实验与收集证据
3. 将两段阻值不等的电阻丝R1和R2分别安装在两个相同装置中,然后将它们串联后接入电路,通电一段时间,观测两个装置中液体温度的变化。
实验现象:阻值较大的电阻R1对应的温度计的示数变化大。
高
多
知识二 探究影响电流热效应的因素
由上述实验可知,影响通电导体产生热量的因素有:电流、导体的电阻、通电时间。
实验结论
电流通过导体产生的热量与通过导体的电流、导体的电阻以及通电时间有关。通过导体的电流越大、导体的电阻越大、通电时间越长,电流通过导体产生的热量越多。
知识二 探究影响电流热效应的因素
视频演示——《探究影响导体产生热量的因素》
知识二 探究影响电流热效应的因素
交流讨论
探究影响电流热效应的因素(第2套经典方案)
(1)实验装置介绍(焦耳定律演示器)
透明的塑料容器内部密闭着等量的空气;容器内部的空气与U形管一端相连通。容器中各有一段电阻丝,两个容器里的电阻丝串联在一起接入电路。
【设计实验】
知识二 探究影响电流热效应的因素
(2)实验原理
如图所示,两个透明容器中密封着空气,U形管中液面高度的变化反映密闭空气的体积变化。同时使用两个密闭容器时,哪一侧U型管中液柱出现的高度差大,表明哪一侧的电阻丝产生的热量多。
加热前
加热时
Δh右
Δh左
液面相平
知识二 探究影响电流热效应的因素
(3)研究方法
①控制变量法
在探究电流通过导体产生热的多少跟电流、电阻、通电时间的关系时,每次实验应该控制两个物理量不变。
②转换法
实验中通过观察U形管液面的高度差来比较电流产生热量的多少,这种研究方法叫转换法。
U形管液面的高度差越大,电流产生热量越多。
知识二 探究影响电流热效应的因素
0.22
(4)实验电路
为了进行多次实验,需要改变通过两个电阻丝的电流,所以在电路中串联一个滑动变阻器,通过移动滑片改变电流。
知识二 探究影响电流热效应的因素
0.22
(5)进行实验
①探究电流通过导体时产生的热量跟电阻是否有关?
将两根阻值不等的电阻丝串联接入电路,使用学生电源供电(提供的电流大且稳定)。
②电流通过导体时产生的热量跟电流是否有关?
使两个密闭容器内部的电阻一样大,在右边容器的外部,将一个阻值相同的电阻R3和这个容器内的电阻R2并联;由于R3的分流作用,因此通过两个容器中电阻的电流不同。
知识二 探究影响电流热效应的因素
(5)实验记录表
实验次数 电流关系 电阻大小/Ω 通电时间
关系 U形管液面
高度差⊿h
左 右 左 右 左 右 左 右
1(左图) 相等 5 10 相等
2(右图) 大 小 相等 相等
大
大
小
小
知识二 探究影响电流热效应的因素
【归纳实验结论】
电流通过导体产生的热量与通过导体的电流、导体的电阻以及通电时间有关。通过导体的电流越大、导体的电阻越大、通电时间越长,电流通过导体产生的热量越多。
知识二 探究影响电流热效应的因素
1. 视频演示——《电流通过导体产生的热量跟电阻的关系》
2. 视频演示——《电流通过导体产生的热量跟电流的关系》
知识二 探究影响电流热效应的因素
【例题2】如图是探究“影响电流热效应的因素”的实验装置,电阻丝R1和R2分别密封在两只完全相同的烧瓶中,且R1>R2,瓶中装有质量相等的煤油。开关闭合,电路接通一段时间后,下列对两烧瓶的对比分析和判断正确的是( )
A.因为通过两电阻丝的电流相等,所以两电阻丝两端的电压相等
B.因为通过乙瓶电阻丝的电流大,所以乙瓶的温度计示数变化快
C.因为甲瓶中煤油的比热容要小,所以甲瓶的温度计示数变化快
D.因为甲瓶中电阻丝产生的热量多,所以甲瓶的温度计示数变化快
D
知识二 探究影响电流热效应的因素
AB.由图知:两段电热丝串联在同一电路中,所以通过的电流相同,因为R1>R2,由欧姆定律得,R甲两端的电压大于R乙两端的电压,故AB错误;
CD.已知R1>R2,表明该实验条件下,导体的电阻越大,电流产生的热量越多。甲瓶温度计示数升高快,实验中加热的是相同质量的同种物质,说明甲瓶中电热丝产生的热量多,故C错误,D正确。 所以选D。
(1)为了探究电流通过电阻产生的热量与电流的关系,小明设计了图甲装置,在烧瓶内安装一根电阻丝,并插入一支温度计,该实验通过比较________________,来判断相同时间内不同电流产生的热量多少。实验中烧瓶内液体选择了煤油而不是水,主要是因为煤油_________,吸热升温现象明显。
知识二 探究影响电流热效应的因素
【例题3】在探究“影响电流热效应的因素”实验中:
比热容小
温度计升高的示数
知识二 探究影响电流热效应的因素
(2)小明先测量烧瓶内煤油的温度后,闭合开关,通电30s再测量烧瓶内煤油的温度,得到温度的升高量,然后再移动滑片改变电流大小,重复上述操作,获得以下数据如表:由此得出:同一导体,_____________其产生的热量越多。
(3)若要探究电热与电阻的关系,可选择图乙中____(A/B)烧瓶中的电阻与甲图中的烧瓶电阻_______(串联/并联)。
(4)如果利用上述实验装置探究“水和煤油吸热升温现象”,则应选择乙图中_____(A/B)烧瓶与甲图中的烧瓶并联,并将其中一烧瓶中的液体换成___________。
B
等质量的水
通电时间相同,电流越大
串联
A
实验
次数 电流
/A 通电
时间/s 电阻
/Ω 升高
温度/℃
1 0.3 30 10 1.5
2 0.6 30 10 6.0
知识二 探究影响电流热效应的因素
(1)煤油比水的比热容小,质量相同,吸收相同的热量,煤油的温度变化比较大,温度计示数变化明显,实验效果比较好。
(2)由表格数据知,同一导体,电阻相同,通电时间相同,电流越大,温度升高量越大,说明电流产生热量越多。
(3)电流产生的热量跟电流大小、电阻大小、通电时间有关。探究电流产生热量多少跟电阻的关系,控制电流和通电时间不变,改变电阻的大小。由于串联电路中电流处处相等,通电时间相同,所以选择乙图中的B电阻与甲图中的烧瓶电阻串联。
(4)“比较水和煤油比热容的大小”,可以采用质量相同,吸收热量相同的不同物质,所以选择A烧瓶,由于电阻相同,和甲图烧瓶并联,电压相同,电流产生热量相同,并且把烧瓶A的液体换成和甲图中质量相同的水。
知识三 焦耳定律
1. 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。
2. 公式: Q = I2Rt
公式中各物理量及其单位:
I 表示电流,单位是安培(A)
R 表示电阻,单位是欧姆(Ω)
t 表示时间,单位是秒(s)
Q表示热量,单位是焦耳(J)
知识三 焦耳定律
焦耳在研究热的本质时,发现了热和功之间的转换关系,最终发展出热力学第一定律。
他用近40年的时间做了400多次实验,研究热和功的关系。即焦耳定律。
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818年12月24日—1889年10月11日),出生于曼彻斯特近郊的沙弗特,英国物理学家,英国皇家学会会员。
人物介绍
主要成就
3. 物理学家——焦耳
知识三 焦耳定律
4. 推导焦耳定律
若电流做的功全部用来产生热量,
即 Q = W
因为电功 W = UIt
根据欧姆定律 U = IR
所以 Q = W = UIt = I2Rt
可见,在消耗的电能全部用来产生热量时,根据电功公式和欧姆定律推导出的结论与焦耳定律一致。
知识三 焦耳定律
5. 电功与电热
(1)电功与电热的区别
电功是指电流通过一段电路所做的功,它的大小表示电路消耗电能的多少,也表示有多少电能转化为其他形式的能。
电热是指电流通过一段电路做功时,电能转化为内能的那一部分。
两者表示的意义不同,是两个不同的概念。
知识三 焦耳定律
(2)电功与电热的联系
①纯电阻电路
该类电路中,电流通过用电器时,电能全部转化为内能,电流产生的热量就等于消耗的电能,即电热等于电功 Q热量=W 。
例如,电取暖器、电饭煲、热水器等这些用电器工作时电能全部转化为内能,产生的热量均可用下列公式计算:
Q放= W总=Pt=UIt= U2t/R =I2Rt
知识三 焦耳定律
②非纯电阻电路
在该类电路中,电流通过用电器时,电能主要转化为其它形式的能量,只有一部分转化为内能,即电热小于电功 Q热量<W 。
例如,电风扇、洗衣机等。这种情况下,计算电流产生热量的公式为: Q =I2Rt
I 表示电流,R 表示用电器(电动机)的电阻。
知识三 焦耳定律
因为电炉丝与导线串联,电流与通电时间相等,但是电炉丝的电阻远大于电线的电阻,根据焦耳定律 Q=I 2Rt 可知,在相同时间内,电炉丝产生的热量远大于导线产生的热量,所以电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热。
想一想
你现在明白了吗?电炉丝通电时,为什么电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热?
知识三 焦耳定律
【例题4】某电热器接入220V的电路中正常工作时,其电阻丝的电阻为55Ω,则该电热器在20 min内会产生多少热量?
分析:根据欧姆定律可求出通过电阻丝的电流,根据焦耳定律可求出由热器在20min内产生的热量.
解: 通过电阻丝的电流 I=U/R=220V/55Ω=4A
电热器产生的热量Q=I²Rt=(4A)² ×55Ω×20×60s=1.056×106J
答:电热器在20min内产生的热量为1.056×106J
反思:可以用电功的公式W=UIt来求解吗?
也可以用电功的公式W=UIt求解。因为电热器产生的热量等于电流做的功。
知识三 焦耳定律
【例题5】某品牌的电烤箱内部简化电路如图所示,R1和R2均为电热丝。其高温挡功率为1100W,低温挡功率为440W,求:
(1)电路中R1的阻值多少?
(2)电烤箱在高温挡正常工作10min所产生的热量是多少J?
(3)电烤箱在低温挡正常工作时,R2的功率是多少W?
知识三 焦耳定律
(1)当S1闭合、S2断开时,R1、R2串联;当S1、S2闭合时,电路为R1的简单电路. 由 可知, R1、R2串联时,电路中的电阻最大,电功率最小,电烤箱为低温挡;电路为R1的简单电路时,电功率最大,电烤箱为高温挡;
R1的阻值
(2)电烤箱在高温挡正常工作10min所产生的热量
Q=W=P高t=1100W×10×60s=6.6×105J
(3)低温挡正常工作时电路的电流
低温挡正常工作时R1的功率
P1=I低2R1=(2A)2×44Ω=176W
因为电路的总功率等于各用电器电功率之和,所以低温挡正常工作时,
R2 的功率 P2=P低﹣P1=440W﹣176W=264W
02
课堂总结
第四节 科学探究:电流的热效应
课堂总结
①电流的热效应:电流通过导体电能转化成内能的现象.
②电热器:主要利用电流热效应工作的装置.
③影响电流热效应的因素:电流、电阻和时间.
①内容:电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比,
与导体的电阻成正比,与通电时间成正比.
②公式: Q=I2Rt
I 为电流,单位A;R为电阻,单位Ω;
t 为通电时间,单位s; Q为热量,单位J.
③推导公式:Q=t=UIt 适用于纯电阻电路.
④电功与电热:纯电阻电路 Q=W 非纯电阻电路 Q<W.
电热器
焦耳定律
科学探究
电流的热效应
03
课后作业全解
第四节 科学探究:电流的热效应
课后作业全解
1.一电热器电阻丝的电阻为120Ω,接在220V 的电路中,通电15min 产生__________ J 的热量。
电热器电阻丝为纯电阻电路,则由
可得通电 15 min 产生的热量
3.63×105
课后作业全解
2.在相等的时间内,电热丝甲比电热丝乙放出的热量多,则( )
A.甲的电阻一定比乙的电阻大
B.甲两端的电压一定比乙两端的电压大
C.甲消耗的电功率一定比乙消耗的电功率大
D.通过甲的电流一定比通过乙的电流大
电热丝通电后放出热量,其增加的内能由电能转化而来;由Q=W=Pt可知:在相同时间内产生热量多,就意味着单位时间内电流做的功多,则甲消耗的电功率一定比乙消耗的电功率大,而功率的大小可能与导体两端的电压、通过的电流、本身的阻值有关;所以无法比较电热丝甲与电热丝乙两端的电压、通过的电流、本身的阻值大小。故选C。
C
课后作业全解
3.一台电动机的额定电压是 220 V,其电阻是 1 Ω。正常工作时,通过的电流为5 A,则电动机因发热损失的功率为( )
A.48 400 W B.25 W
C.1 100 W D.1 075 W
电动机因发热损失的功率
P热=UI=I2R=(5A)2×1Ω=25W
故ACD不符合题意,B符合题意。
故选B。
B
课后作业全解
4.某导体电阻为20Ω,通电1min 产生的热量是 4800J。求:
(1)通过它的电流为多少?
(2)当通过它的电流增大1倍时,在相同的时间内产生的热量是多少?
(1)通过它的电流为
(2)当通过它的电流增大1倍时,在相同的时间内产生的热量是
Q=I²Rt=(4A)² ×20Ω×60s=1.92×104J
课后作业全解
1. 电线通电后会发热是什么原因?
答:因为电线也有电阻,根据焦耳定律可知,电线也会发热。
答:因为发热盘与导线串联,所以电流I一样,又因为发热盘的电阻比导线大得多,根据焦耳定律公式Q=I2Rt可知,通电的时间相同,发热盘产生的热量比导线大得多,所以发热盘非常热而导线却不热。
2. 示例:给电饭煲通电后,电饭煲里的发热盘非常热,但是连接电饭煲的导线却不怎么热,这是为什么?
04
综合提升训练
第四节 科学探究:电流的热效应
综合提升训练
1. 下列四种电器,利用电流热效应工作的是( )
A. 洗衣机 B. 电视机
C. 录音机 D. 电饭煲
电饭煲是利用电流热效应工作的。洗衣机主要把电能转化为机械能;电视机主要把电能转化为光能与声能;录音机主要转化为机械能。 所以选D。
D
综合提升训练
2. 将规格都是“220V 180W”的一台电风扇和一床电热毯,都接入家庭电路中,通电时间相同,则下列说法正确的是( )
A. 电风扇产生的热量多
B. 电热毯产生的热量多
C. 二者产生的热量一样多
D. 无法比较二者产生的热量
B
①家庭电路中,电压U=220V,二个用电器的功率相同;
② 电风扇工作时,主要把电能转化为机械能,产生的热量很小;电热毯工作时把电能几乎全部转化为内能,所以产生热量多的是电热毯。
所以选B.
综合提升训练
3. 小华的爷爷购买了一个电热水器,使用时发现通电不长时间,其电源线很热,甚至能闻出橡胶的焦味,于是决定用他学过的物理知识向消费者协会投诉,他可从以下哪个方面的鉴定提出投诉( )
A.电压太高 B.导线太短
C.导线太粗 D.导线太细
根据焦耳定律Q=I2Rt,当导线中的电流、通电时间一定时,引起电热过多的原因是电阻太大; 因为材料、长度、横截面积、温度都影响电阻,由生活经验可知,商家不能通过长度、温度作弊的,只能从材料、横截面积方面,所以应该是导线太细导致电阻过大的原因。
D
故选D。
综合提升训练
4. 用如图的装置探究影响电流热效应的因素,电阻丝R1和R2分别密封在两只完全相同的烧瓶中,且R1<R2,瓶中装有质量相等的煤油。下列说法正确的是 ( )
A.该装置用来探究电流热效应与电流大小的关系
B.闭合开关后,装R1电阻丝的烧瓶中温度计示数上升较快
C.实验中,通过温度计示数的变化来比较电阻丝产生热量的多少
D.观察实验现象可知:在其它条件相同时,电阻越大产生的热量越少
C
综合提升训练
①由图可知,两电阻丝串联,电流、通电时间都相同,但电阻不同,故该实验探究的是电流产生的热量与电阻的关系,故A错误;
②由焦耳定律Q=I2Rt可知,电流和通电时间相同时,电阻越大,放出的热量越多,由于R1<R2,故R2放出的热量多,温度计示数升的高,故B与D错误;
③通电后电流通过电阻丝做功,产生热量使煤油的温度升高,通过观察温度计的示数大小来判断电流产生的热量的多少,这个研究方法可以称之为转换法,故C正确.
故选C。
综合提升训练
5. 如图甲所示是某品牌电饭煲,图乙是该电饭煲的原理图。它有高温和保温两档,通过开关S进行调节,R0与R为阻值不同的电热丝。现在将该电饭煲接在220V的电源上,用高温档工作时,电路的总功率为1000W;用保温档工作时,电路的总功率为440W。求:
①电饭煲在高温档时,开关S应____(选填“闭合”或“断开”)。
②电热丝R0的阻值是多少?
③当电饭煲处于保温档时,电路中的电流是多少?
闭合
48.4Ω
2A
综合提升训练
①由公式P=UI=U2/R知,电压一定时,P与R成反比,开关S应闭合时,电阻R被短路,电路中的电阻最小,电路的电功率最大。所以电饭煲在高温档时,开关S应闭合。
②由公式P=UI=U2/R得电热丝R0的阻值是:
R0=U2/P=(220V)2/1000W=48.4Ω
③由题意分析知,开关S断开时,电路串联,电路的总电阻最大,电路的总功率最小,电路处于保温状态。由公式P=UI得当电饭煲处于保温档时,电路中的电流是: I保=P保/U=440W/220V=2A
综合提升训练
6. 学校物理探究小组用如图所示装置探究影响电流热效应的因素。
(1)在A、B两烧瓶内装入初温和质量都相等的煤油,RA和RB串联是为了控制_______ 和加热时间相同,如果有秒表,利用该装置______ (选填“可以”或“不可以”)探究电热与电流的关系;
(2)如果要用该装置来探究不同液体的吸热特点,则将对实验器材作哪些改进__________ 、_________。
可以
见解析
见解析
电流
综合提升训练
(1)由图可知,两电阻串联, 根据串联电路电流规律可知,通过两电阻的电流相等。
探究电热与电流的关系,应该控制电阻相等,改变通过电阻的电流,由图可知,通过移动滑动变阻器的滑片可以改变电路中的电流,移动滑片多次实验,观察A烧瓶中温度计的变化可以探究探究电热与电流的关系。
(2)如用该装置探究不同物质的吸热能力,根据控制变量法,则应对器材作如下调整为使相同时间内放出的热量相同,应将两电阻丝的阻值换成相同的;探究不同物质的吸热能力,根据控制变量法,A、B两烧瓶内应装初温和质量相等的不同种液体。
Lavf59.27.100
Lavf59.27.100
Lavf59.27.100
$$