第6节 电能（第3课时）（培优教学课件）科学浙教版九年级上册

第三章 能量的转化与守恒 九年级上册•浙教版 第6节 电能（第3课时） 夏天，你使用电热驱蚊器吗？冬天，你使用电取暖器吗？这些用电器工作时都会发热，你知道它们的工作原理吗？ 导入新课 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？ 导入新课 想一想 电器工作时会消耗电能，为什么会发热呢？ 电能 内能 学习目标 1. 了解电热器的主要组成部分 2. 知道电热器的工作原理电流—热效应 3. 描述焦耳定律内容 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 电能 重点难点 重点 1. 认识到电能可以转化为热能，了解电热的应用。 2. 知道电流通过导体时产生的热量和电流、电阻及通电时间的定性关系。 难点 通过学习电热的利用和防止，学会辩证地看待问题 1. 常用电热器 2. 电流热效应 3. 焦耳定律 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 学习内容 电能 一、常用电热器 第6节 电能 一、常用电热器 你知道以下用电器工作时的能量转化吗？ 用电器工作时，均将电能转化为内能 实质：从能量的转化看，电流通过导体发热的过程实质上是电能转化为内能的过程。 一、常用电热器 利用电流做功将电能转化为内能的装置叫做电热器 你知道还有哪些用电器是利用电流的热效应工作的？ 电暖气、电热锅、电热水器等需要加热的用电器 一、常用电热器 不同电热器的组成部分不同，常见电热器的组成部分包括‌发热体、电源、温控器、外壳等。 电热器的主要组成部分是发热体，它由电阻率大、熔点高的电阻丝绕在绝缘体上制成。 一、常用电热器 较亮 0.22 电热的利用 电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用了电流的热效应，这类用电器称为电热器，而电热器的主要部分是发热体。电热器的优点: 清洁卫生，没有环境污染，热效率高，还可以方便地控制和调节温度。 一、常用电热器 0.22 0.28 利用电热孵化器孵小鸡 一、常用电热器 电流的热量有时是有害的，应该及时解决。 （1）例如我们的电脑在工作时，电路元件发热，温度升高，会影响到电脑的稳定性，甚至烧坏电脑CPU。人们常常采用安装散热窗、使用微型风扇等方法及时散热。 电热的防止 散热窗 微型 风扇 一、常用电热器 0.28 电视机的后盖 （2）电视机散热方法： 在后盖开有很多孔，为了通风散热。 （3）投影仪的散热方法： 除在侧壁开孔外，内部还装有电风扇，工作时电风扇转动把热量吹到机器外面，可以降低灯泡、机器内部元件的温度。 散热窗 散热风扇 一、常用电热器 电流的热效应有什么利和弊？ 利：无污染，热效率高，方便控制和调节温度； 弊：在家庭电路中，由于长期的电流热效应，导线外的绝缘层会加速老化，甚至会燃烧而引发火灾；会影响家用电器的使用性能和寿命；浪费能源。 思考与讨论 一、常用电热器 一、常用电热器 怎样减少电流热效应的伤害呢？ 防止措施：加装散热系统，如散热电扇或为了更好散热而特别设计的结构（如散热窗）；减小电阻以减少由于电流热效应造成的能量损失，如超导材料的应用。 思考与讨论 二、电流热效应 第6节 电能 二、电流热效应 （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，这种现象叫做电流的热效应。 1. 电流的热效应 二、电流热效应 【提出问题】电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关? 【猜想及其依据】 （1）可能与通过导体的电流有关。因为导体在通入电流时才会发热，所以电流通过导体时产生热的多少跟电流有关； （2）可能与导体的电阻有关。导线和电熨斗串联接入电路，电流是相同的，电熨斗热的温度高，而导线几乎不热，电流产生的热可能与电阻有关。 （3）可能与通电时间有关。由生活经验可知，通电时间越长，电流产生的热量也会越多。 2. 探究影响电流的热效应的因素 二、电流热效应 【设计实验 】 （1）焦耳定律演示器：透明容器内部密闭并与U形管一端连通。容器内部有一段电阻丝，两个容器内部的电阻丝串联在一起接入电路。 排气孔 接线柱 二、电流热效应 视频演示——《电流通过导体产生的热量》 二、电流热效应 （2）实验原理：如图所示，U形管中液面高度的变化反映密闭空气的体积 变化。哪侧U型管中液柱出现的高度差越大，表明其的电阻丝产生的热量多。 电流产生热量 Q放 盒内空气吸热 热传递 Q吸 热膨胀 增大的体积 ΔV 液面高度差 Δh 可以用U形管两侧液面高度差Δh表示电流通过导体产生的热量Q。 转 换 Δh 二、电流热效应 （3）研究方法 a. 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。 b. 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。 二、电流热效应 （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 】 加热前 加热时 Δh右 Δh左 液面相平 二、电流热效应 （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。 二、电流热效应 （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。 二、电流热效应 0.22 （4）实验电路图、器材如下所示： 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。 二、电流热效应 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 相等 5 10 相等 2 大 小 相等 相等 （5）实验记录表 二、电流热效应 0.28 【进行实验】 （1）探究电流通过导体产生的热量跟电阻的关系 将两根阻值不等的电阻丝串联接入电路。闭合开关，通电一段时间，观察U形管液面高度差的变化。 二、电流热效应 视频演示——《电流通过导体产生的热量与电阻的关系》 二、电流热效应 （2）探究电流通过导体产生的热量跟电流的关系 在右方密封盒外并联一个5Ω的电阻R3，目的是改变通过盒内电阻的电流大小，由于R3的分流作用，因此通过两个容器中电阻的电流不同I1=2I2。从而研究电流通过导体产生的热量跟电流的关系。 闭合开关，通电一段时间后，观察U形管液面高度差的变化。 I1=2I2 I1 I2 二、电流热效应 视频演示——《电流通过导体产生的热量与电流的关系》 二、电流热效应 （3）探究电流通过导体产生的热量跟时间的关系 闭合开关，通电一段时间后，观察同一个密封盒U形管液面的高度差的变化。 Δh 二、电流热效应 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 【收集证据】 大 大 小 小 二、电流热效应 （1）分析实验步骤（1）可发现：在电流和通电时间相等的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多。 （2）分析实验步骤（2）可发现：在电阻和通电时间相等的情况下，电流越大，电流产生的热量越多。 （3）分析实验步骤（3）可知，在电流和电阻相等的情况下，通电时间越长，电流产生的热量越多。 【分析论证 】 二、电流热效应 归纳实验结论 （1）在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。 （2）在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。 （3）在电流相同、电阻相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。 二、电流热效应 实验结束后，小红说她在一本书上看到用如图所示的装置也可以探究电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关。请你对该装置进行评价。 该装置中，两个相同的烧瓶盛有质量相同、温度相同的同种液体；烧瓶内插有温度计，可以测量液体的温度。 烧瓶内部有两个阻值不同的电阻丝，组成串联电路接入电路中。 通过比较烧瓶内液体的温度可以探究影响电流通过导体产生热量的因素。 【交流讨论】 三、焦耳定律 第6节 电能 三、焦耳定律 R1：R2＝1：2 h1：h2＝1：2 电流通过导体时产生的热量跟电阻是否成正比？ 思考一下 三、焦耳定律 电阻丝 电子温度计探头 电流产生的热量 Q放 水的温度变化量 Δt 盒内水吸收的热量 Q吸=cmΔt 【实验原理】 转 换 1.探究电流通过导体产生的热量跟电阻是否成正比？ 三、焦耳定律 【实验方案】 将不同阻值的电阻串联接入电路，使用稳定电源，并记录数据。 控制变量法 控制电阻，通电时间一定 三、焦耳定律 0.6 1.3 1.9 2.5 3.1 3.7 Δt/℃ R/Ω 结论：在电阻和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量跟电阻成正比。 三、焦耳定律 【实验方案】 将阻值一定的定值电阻与滑动变阻器串联接入电路，调节滑动变阻器改变电流，使用稳定电源，并记录数据。 2.电流通过导体产生的热量跟电流的定量关系。 三、焦耳定律 视频演示——《电流通过导体产生的热量与电流的定量关系》 三、焦耳定律 0.2 0.9 2 3.6 5.6 8.1 0.25 1 2.25 4 6.25 9 结论：在电阻和通电时间一定时，电流通过导体产生的热量跟电流二次方成长比。 三、焦耳定律 1. 焦耳定律 英国物理学家焦耳用近40年的时间做了400多次实验，发现了电流通过导体产生的热量跟导体电阻、通过导体的电流及通电时间之间的关系，即焦耳定律。 （1）内容： 电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。 （2）公式： Q = I2Rt  三、焦耳定律 （3）公式中Q = I2Rt 各量单位： 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） 1焦耳=1安2×1欧×1秒 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 （5）物理学家——焦耳 三、焦耳定律 0.22 2. 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。 三、焦耳定律 3. 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。 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Q=W Q放= W总=Pt=UIt= U2t/R =I2Rt 上述公式适用于纯电阻电路。如电炉、电热器、电熨斗等。 三、焦耳定律 ②非纯电阻电路 在该类电路中，当电流通过用电器时，电能主要转化为其它形式的能量，只有一部分转化为内能 。 此时电能=内能+机械能 ，所以Q＜W。 例如：当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，有少部分转化为内能发热。 W总＝UIt =W机械能＋Q热量 三、焦耳定律 推导公式 电功 电功率 焦耳定律 适用条件 基本公式 W=UIt P=UI Q=I2Rt 普遍适用 纯电阻电路 Q=W 4. 电功、电功率、焦耳定律计算公式及其适用范围 W=t=I2Rt P==I2R Q=t=UIt 三、焦耳定律 思考与讨论 电吹风机和电熨斗通电时都会发热，哪种用电器可以认为是将电能全部转化成了内能？ 电熨斗通电时可以认为将电能全部转化为内能，而电吹风机将一部分电能转化为内能，将另一部分转化为机械能，使被加热的空气能以较大的速度运动，形成风。 三、焦耳定律 【例题】如图是电饭锅的电路图。电饭锅工作时有两种状态：当自动开关S接通时，电饭锅处于加热状态，将锅内的水加热直到烧开；当自动开关S断开时，电饭锅处于保温状态。图中R2是加热用的电热丝，阻值为55欧；R1是电阻，阻值为145欧。试求： （1）在加热状态下，电饭锅正常工作30分钟产生多少热量？ （2）在保温状态下，电饭锅消耗的功率多大？ 解：（1）在加热状态下，开关S接通，电路中只接入电热丝R2，因此通过 R2的电流： 根据焦耳定律，R2上产生的热量：。 （2）在保温状态下，开关S断开，电阻R1与电热丝R2相串联，假设此时电路中的电流为I′，根据串联电路的电压特点：，， 电饭锅消耗的功率： 。 三、焦耳定律 思考与讨论 上面这个问题还可以用什么方法来求解？ （1）由于电饭锅将电能全部转化为内能，因此产生的电热等于其消耗的电能，即等于电流做的功。 （2） 三、焦耳定律 思考与讨论 ①电能没有全部转化为内能（非纯电阻电路）时，W=UIt 求得总消耗的电能； Q=I2Rt 公式求得内能。 电功与与电热的关系（W与Q的关系） 用电器 电能 机械能 内能 其他能 W=UIt Q=I2Rt ②电能全部转化为内能（纯电阻电路）(电热器电路)时， 即：W > Q =Pt=UIt=U2t/R=I2Rt W = Q 四、课堂总结 第6节 电能 四、课堂总结 ①电流通过导体时电能转化成内能的现象。 ②电流通过导体产生热的多少跟电流、 电阻、通电时间有关。 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  I 为电流，单位A；R为电阻，单位Ω； t 为时间，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W与电热Q：纯电阻电路中Q=W 非纯电阻电路中Q＜W 应用：电热器。防止：散热器等。 电流的 热效应 焦耳定律 电热的利 用和防止 焦耳定律 五、练习与应用 第6节 电能 五、练习与应用 （1）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？ 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。 五、练习与应用 较暗 较亮 0.22 0.28 第一种说法，在通电时间和电压相同的情况下，根据Q=U2t/R可知，电阻越小，产生的热量越多；第二种说法，在通电时间和电流相同的情况下，根据Q=I 2Rt 可知，电阻越大，产生的热量越多。两种说法在各自前提下都是正确的，所以二者不矛盾。 2、额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。二者似乎有矛盾，这是怎么回事? 五、练习与应用 3、在家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根连接起来，而连接处往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾。这是为什么？ 在家庭电路中，导线相互连接处若接触不良，该处的电阻较大，因为导线连接处与导线串联在电路中，通过的电流相等、通电时间相等，由 Q=I2Rt可知连接处产生的热量较多，往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾。 五、练习与应用 4、电流的热效应有时对我们有益，我们利用它；有时对我们有害，需要减少电流导致的发热，或者尽快把发出的热散发掉。 （1）列举两个生活或生产中利用电流热效应的实例； （2）列举两个生活和生产中为防止电流热效应产生危害而采取的措施。 （1）电暖器、电烙铁、电饭锅都是利用电流的热效应来工作的，把电能转化为内能。 （2）电视机、计算机在工作时产生的热量是有害的，电视机外壳的散热窗、计算机的散热风扇可以散失热量，防止电流热效应产生的热量带来的危害。 六、提升训练 第6节 电能 六、提升训练 1. 下列家用电器中，属于电热器的是（　A　） A. 电取暖器 B. 电风扇 C. 电话机 D. 洗衣机 A 六、提升训练 2、如图所示为“探究焦耳定律”的实验示意图。用该实验装置在“研究电流 做功产生的热量与电阻的关系”实验时，需要控制甲、乙两装置中相等的量 是（　B　） A. 电阻和电流 B. 电流和通电时间 C. 电阻和通电时间 D. 电压、电流和通电时间 B 六、提升训练 3、如图所示，两个透明容器中密闭着等量的空气， 、 两 形管内的液面 相平，电阻丝的电阻 。小明用如图所示的装置进行实验，探究 电流通过导体时产生的热量 跟什么因素有关。下列说法中，正确的是( ) D A.此实验探究的是电热 与电阻 是否有关 B.通过 的电流和通过 的电流大小相等 C.电阻 两端的电压和 两端的电压相等 D.通电后， 管内的液面将会比 管内的液面高 六、提升训练 4、将两根电阻丝R1、R2分别插入甲、乙两瓶等量煤油中，串联接入电路， R1∶R2＝2∶3，通电一段时间后，R1、R2产生的热量之比为（　C　） A. 4∶9 B. 9∶4 C. 2∶3 D. 3∶2 C 六、提升训练 5、某同学为探究电流通过导体产生热量的多少跟电阻的关系，设计了如下电路图，其中正确的是（　B　） B 六、提升训练 6、电焊机利用电流的热效应来熔化焊条。某型号的电焊机接在电压为 的家庭电路上，输出电压为 ，输出功率为 。编号为 甲、乙、丙、丁的四种绝缘橡胶铜芯线在常温下的安全载流量（长时间 通电的最大安全电流）如下表所示。从安全的角度考虑，该电焊机的输 出导线应该选用( ) 导线编号 甲 乙 丙 丁 导线横截面积 1.0 2.5 6 10 安全载流量 12 28 47 68 六、提升训练 A.甲 B.乙 C.丙 D.丁 [解析] 输出电压为 ，输出功率为 ，根据 ，计算出电流 ，即电焊机工作时的电流为 ，表中对应的铜芯线安全载流量应大于 ，对应导线编号为丁。 √ 六、提升训练 7、如图所示为探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关的实验装 置。图甲中的电阻丝通电一段时间后，右侧 形管中液面的高度差比左侧 形管大，说明电流通过导体产生的热量跟______有关。图乙实验是探究电流 通过导体产生的热量跟______有关，通电一段时间后，电流通过 产生的热 量与通过 产生的热量之比为_____。 电阻 电流 <m></m> 六、提升训练 8、某兴趣小组在研究“电阻丝产生的热量与电阻、电流及通电时间的定量关 系”时，制作了如图甲所示的实验装置：有机玻璃盒内装有电阻丝、水和电 子温度计，盒外采用优质保温材料包裹。 （1）采用优质保温材料的目的是减少实验过程中 的散失。 （2）保持水的质量和电流不变，换用不同阻值的电阻丝R，记录水温变化ΔT 和通电时间t的数据，整理部分数据并绘制图像如图乙所示。根据上述实验， 可以得出结论： 。 热量　 当电流和通电时间一样时，电阻丝产生的热量与电阻成正比 六、提升训练 （3）保持水的质量、电阻和通电时间不变，改变电流大小，相关数据整理如 下表所示。请分析表中数据，并将表中所缺的数据补上。 电流I/A 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 升高的温度ΔT/℃ 0.4 0.9 ⁠ 2.5 3.6 1.6　 六、提升训练 9、图甲是两挡电热锅，图乙是其内部简化电路，R1、R2均为发热体，将开关 S分别置于1、2两位置时，电热锅处于不同的挡位。已知电热锅的高温挡功率 为840W，R2阻值为121Ω。 求：（1）电热锅低温挡功率是多少？ 【答案】（1）P低＝＝＝400W 六、提升训练 （2）发热体R1的阻值是多少？ 【答案】（2）P1＝P高－P低＝840W－400W＝440W，由 P＝可知，R1的阻值：R1＝＝＝110Ω　 六、提升训练 （3）不计热量损失，用高温挡将锅内420g初温20℃的粥温度升高60℃，至少需要多长时间？[c粥＝4×103J/（kg·℃）] 【答案】（3）Q吸＝c粥mΔt＝4×103J/（kg·℃）×420×10－3kg×60℃＝1.008×105J，不计热量损失，电热锅消耗的电能： W＝Q吸＝1.008×105J，t＝＝＝120s。 六、提升训练 10、如图所示为一电动机提升物体的示意图，电源电压为 。电动 机将一个质量为 的物体在 内匀速提升 ，电路中的电流为 。 取 六、提升训练 （1）求该电动机工作 产生的电热。 [答案] 由题意可知，电动机 内消耗的电能 ； 消耗电能转化成的机械能对物体做功，所以转化成的机械能 ； 所以转化成的内能，即产生的电热 。 六、提升训练 （2）求电动机线圈的阻值。 [答案] 由 可得，电动机线圈的阻值 。 （3）当该重物上升到一定高度时，电动机的转子突然被卡住，为什么这种情况下电动机容易被烧坏？ [答案] 电动机的转子被卡住时，电动机可看成纯电阻电路，通过电动机的电流过大，将电能全部转化为内能，所以电动机温度过高，容易被烧坏。 $$