资源简介

(共20张PPT)
幻灯片 1：封面
课程标题：12.6 设计恒温电热杯
学科与年级：北师大版 九年级物理
教师姓名：[教师姓名]
幻灯片 2：学习目标
理解恒温电热杯的工作原理（利用电流的热效应，结合温控元件实现温度稳定），明确设计的核心需求（加热、恒温、安全）。
能根据设计需求选择合适的元件（加热元件、温控元件、电源、导线等），掌握元件的选型依据（如功率、阻值、温度范围）。
学会绘制恒温电热杯的电路图（包含加热回路和温控回路），能分析电路中各元件的作用，培养电路设计能力。
通过方案讨论与优化，了解设计中的实际问题（如安全防护、能耗控制），树立工程设计的严谨性与实用性意识。
幻灯片 3：课程引入
情境展示：
图片 1：市场上的恒温杯（可保持水温在 40-60℃）、实验室的电热杯（无恒温功能，易烧干）、家庭用的电热水壶（沸腾后自动断电）。
视频片段：普通电热杯加热水至沸腾后持续加热，水逐渐蒸发直至烧干；恒温电热杯加热至设定温度（如 55℃）后，自动停止加热，温度下降后又自动启动，保持水温稳定。
设计需求：生活中，我们需要一种能将水加热到适宜温度（如冲奶粉的 45℃、泡茶的 60℃）并保持恒温的电热杯，避免水温过高烫伤或过低影响使用。如何利用所学物理知识设计这样的恒温电热杯呢？
提问引导：恒温电热杯的核心是 “加热” 和 “恒温控制”。加热需要利用电流的热效应（Q=I Rt），恒温则需要通过温控元件控制电路通断。本节课我们将围绕这两个核心，逐步完成恒温电热杯的设计。
幻灯片 4：恒温电热杯的工作原理
核心原理拆解：
加热原理：利用电流的热效应 —— 电流通过电阻丝（加热元件）时，电能转化为内能（Q=I Rt），使电阻丝发热，热量传递给杯体和水，实现水的加热。
恒温控制原理：通过温控元件（如热敏电阻、双金属片温控器）监测水温，当水温达到设定值时，温控元件切断加热电路，停止加热；当水温下降到低于设定值时，温控元件接通电路，重新加热，从而维持水温在稳定范围（如 ±2℃）。
能量转化链条：电源电能 → 加热元件的内能（电流热效应） → 杯体和水的内能（热传递） → 温控元件控制电路通断，维持内能稳定。
关键需求分析：
需求类别
具体要求
物理依据
加热功能
能快速将水加热到设定温度（如 40-80℃）
选择合适功率的加热元件（P=U /R，功率越大，加热越快）
恒温功能
温度波动小（±2℃），能自动通断
温控元件的灵敏度高，动作温度精准
安全功能
防止干烧（无水时停止加热）、防漏电
加装干烧保护元件（如温度保险丝）、绝缘材料包裹导线
节能功能
恒温时减少电能消耗
温控元件及时切断电路，避免持续加热
幻灯片 5：核心元件选择与选型依据
1. 加热元件：
常见类型：电阻丝（如镍铬合金丝）、加热管（密封式，防漏电）、加热片（薄型，贴合杯底）。
选型依据：
功率计算：根据杯体容量（如 300mL 水）和加热时间需求（如 5 分钟加热到 60℃），结合水的比热容（c 水 = 4.2×10 J/(kg ℃)），计算所需功率。
示例：加热 300mL 水（m=0.3kg）从 20℃到 60℃，需吸收热量 Q=cmΔt=4.2×10 ×0.3×40=5.04×10 J；若加热时间 t=300s，所需功率 P=Q/t=5.04×10 /300≈168W，实际选择 200W 加热元件（考虑热量损失）。
阻值计算：根据电源电压（如 USB 供电 5V、家庭电路 220V），由 P=U /R 得 R=U /P。如 5V 电源、200W 加热元件，R=5 /200=0.125Ω（需选择低阻值、大电流的电阻丝）。
2. 温控元件：
类型 1：双金属片温控器（机械温控，成本低）：
原理：由两种热膨胀系数不同的金属片贴合而成，温度变化时，两金属片膨胀 / 收缩程度不同，导致金属片弯曲，触发开关通断（如温度升高到 60℃时弯曲断开，低于 58℃时恢复接通）。
优点：无需额外电源，直接控制电路通断，可靠性高；缺点：温度精度较低（±3℃），无法调节设定温度。
类型 2：热敏电阻（NTC）+ 控制电路（电子温控，精度高）：
原理：负温度系数（NTC）热敏电阻的阻值随温度升高而减小，通过检测其阻值变化，由单片机或比较器控制继电器通断加热电路，实现精准温控（±1℃），可调节设定温度。
优点：温度精度高，可按需设定温度；缺点：需要额外控制电路，成本较高。
选型依据：若为简易设计，选择双金属片温控器（如设定温度 55℃）；若追求精准温控，选择 NTC 热敏电阻 + 控制电路。
3. 电源与导线：
电源：根据使用场景选择，如桌面使用可选 USB 电源（5V/2A）、家用可选 220V 交流电源（需加装电源适配器，将 220V 转为低压，如 12V）。
导线：选择导电性能好、绝缘性强的导线（如铜导线，绝缘皮为耐高温塑料），导线截面积根据最大电流选择（I=P/U，电流越大，截面积越大，避免导线发热）。
4. 安全元件：
温度保险丝：串联在加热电路中，当温度超过安全值（如 120℃，防止干烧）时，保险丝熔断，永久切断电路，避免火灾。
绝缘材料：杯体与加热元件之间用耐高温绝缘材料（如陶瓷片）隔离，防止漏电；导线接头处用绝缘套管包裹。
幻灯片 6：电路图设计（简易版）
设计思路：采用 “加热回路 + 温控回路” 的串联结构，双金属片温控器直接串联在电路中，实现自动通断；温度保险丝串联在干路，提供过温保护。
简易电路图（USB 5V 电源）：
USB电源正极（5V）→ 温度保险丝 → 双金属片温控器（常闭，55℃断开） → 加热元件（200W，R=0.125Ω） → USB电源负极
元件作用说明：
温度保险丝：干路保护，温度超过 120℃时熔断，切断整个电路，防止干烧或元件故障导致的高温。
双金属片温控器：温控核心，常温下闭合，电路导通，加热元件工作；水温达到 55℃时断开，停止加热；水温降至 53℃时闭合，重新加热。
加热元件：核心负载，电流通过时发热，加热水。
拓展版电路图（带 NTC 热敏电阻）：
12V电源 → 电源开关 → 温度保险丝 → 继电器（控制端） → NTC热敏电阻 → 单片机 → 电源负极
12V电源 → 继电器（负载端） → 加热元件 → 电源负极
说明：NTC 热敏电阻检测水温，将阻值信号传给单片机，单片机判断温度是否达到设定值，控制继电器通断（继电器负载端控制加热元件的电源），实现精准温控。
幻灯片 7：结构设计与实物组装建议
1. 结构组成：
部件名称
功能
设计要点
杯体
盛放水，传递热量
选用不锈钢或食品级塑料材质，杯底预留加热元件安装空间
加热模块
安装加热元件和温控元件
加热元件贴合杯底（增大接触面积，提高传热效率），温控元件紧贴杯壁（准确检测水温）
电路模块
放置电源、导线、安全元件
用绝缘外壳封装，避免水溅入，导线走向整齐，接头牢固
外壳
保护内部元件，方便手持
采用耐高温、防烫材质（如硅胶防滑套），预留电源接口
2. 组装步骤（简易版）：
固定加热元件：将加热片用耐高温胶水粘贴在杯体底部外侧，确保紧密贴合。
连接电路：按电路图顺序，用导线依次连接 USB 电源接口→温度保险丝→双金属片温控器→加热元件→电源负极，导线接头用焊锡焊接牢固，套上绝缘套管。
安装温控元件：将双金属片温控器用夹子固定在杯体侧壁（靠近底部，接触杯壁），确保能准确检测水温。
封装与测试：用绝缘外壳包裹电路部分，仅露出 USB 接口和杯体；接入电源，加入适量水，观察加热是否正常，温度达到设定值后是否自动停止。
幻灯片 8：设计方案的验证与优化
1. 功能验证实验：
实验目的：验证加热和恒温功能是否正常，安全元件是否有效。
实验器材：组装好的恒温电热杯、温度计（精度 0.1℃）、秒表、适量水（300mL）。
实验步骤：
向杯体加入 300mL 常温水（记录初始温度 t ，如 25℃），接入电源，开始加热，用秒表记录时间，每 1 分钟记录一次水温。
观察水温上升至设定温度（如 55℃）时，温控元件是否断开（加热元件停止发热，可通过触摸或电流表观察）。
继续观察水温变化，记录水温下降到重新加热的温度（如 53℃），计算恒温阶段的温度波动范围。
（安全测试）模拟干烧：杯内无水，接入电源，观察温度保险丝是否在温度过高时熔断（需在教师指导下进行，注意安全）。
验证标准：
验证项目
合格标准
加热速度
300mL 水从 25℃加热到 55℃，时间≤8 分钟
恒温精度
温度波动范围≤±2℃
安全保护
无水加热时，温度保险丝在 120℃前熔断
2. 常见问题与优化方案：
常见问题
原因分析
优化方案
加热速度慢
加热元件功率不足；加热元件与杯体接触不紧密
更换更大功率的加热元件；用导热硅脂填充加热元件与杯体之间的缝隙，提高传热效率
恒温波动大
温控元件安装位置不当（未紧贴杯壁）；温控元件精度低
将温控元件重新固定在杯壁底部，确保接触良好；更换高精度温控元件（如 NTC 热敏电阻）
导线发热
导线截面积过小；接头接触不良
更换更大截面积的导线（如电流 2A，选择 0.5mm 铜导线）；重新焊接接头，确保接触牢固
漏电风险
绝缘材料破损；加热元件密封不良
更换破损的绝缘套管；选用密封式加热管，避免水汽进入加热元件内部
幻灯片 9：设计案例展示与讨论
案例 1：简易 USB 恒温杯（学生设计）：
元件选择：USB 电源（5V/2A）、200W 加热片（R=0.125Ω）、55℃双金属片温控器、120℃温度保险丝、不锈钢小杯（300mL）。
优点：成本低（约 20 元）、体积小、便携；缺点：恒温精度较低（±3℃），仅适用于低压场景。
案例 2：家用精准恒温杯（商用简化版）：
元件选择：220V 转 12V 电源适配器、300W 加热管、NTC 热敏电阻（精度 ±0.5℃）、单片机（STM32）、继电器、防干烧传感器。
优点：恒温精度高（±1℃），可通过按键调节温度（40-80℃），带干烧保护；缺点：电路复杂，成本较高（约 80 元）。
小组讨论：
对比两个案例，分析简易版与精准版的适用场景差异（如学生宿舍、家庭厨房）。
若要设计一款面向户外露营的恒温杯，需要考虑哪些特殊需求？（如便携、电池供电、耐摔）
如何在设计中进一步降低能耗？（如优化加热元件功率、减少热量散失 —— 杯体加保温层）
幻灯片 10：课堂小结
知识框架回顾：
设计原理：加热（电流热效应 Q=I Rt）、恒温（温控元件控制电路通断）。
元件选择：加热元件（功率、阻值计算）、温控元件（双金属片 / NTC）、安全元件（温度保险丝）、电源与导线（匹配电流与电压）。
电路设计：简易版（串联温控器）、拓展版（NTC + 单片机 + 继电器）。
验证优化：功能验证（加热速度、恒温精度）、问题优化（传热、绝缘、能耗）。
重点强调：设计的核心是 “需求导向”—— 根据使用场景（家用 / 户外、低压 / 高压）选择合适的元件和方案；同时需兼顾安全性（防漏电、防干烧）和实用性（加热速度、恒温精度），将物理理论与工程实践结合。
幻灯片 11：课堂练习
某恒温电热杯采用 USB 5V 电源，加热元件功率为 150W，求加热元件的电阻值（忽略温度对电阻的影响）。
若用该电热杯加热 200mL 水（初始温度 20℃），假设加热效率为 80%（即 80% 的电能转化为水的内能），求将水加热到 50℃所需的时间（c 水 = 4.2×10 J/(kg ℃)，ρ 水 = 1g/cm ）。
双金属片温控器的工作原理与_____（选填 “热胀冷缩”“电流的磁效应” 或 “电磁感应”）有关，其作用是_____。
为防止恒温电热杯干烧，应在电路中串联_____元件，其工作特点是_____。
幻灯片 12：课堂练习答案
解：由 P=U /R 得，R=U /P=5 /150≈0.167Ω
答：加热元件的电阻约为 0.167Ω。
解：① 水的质量 m=ρV=1g/cm ×200cm =200g=0.2kg
② 水吸收的热量 Q 吸 = cmΔt=4.2×10 ×0.2×(50-20)=2.52×10 J
③ 电能 W=Q 吸 /η=2.52×10 /0.8=3.15×10 J
④ 时间 t=W/P=3.15×10 /150=210s=3.5 分钟
答：所需时间为 3.5 分钟。
热胀冷缩；当水温达到设定值时切断电路，温度下降后接通电路，实现恒温控制。
温度保险丝；温度超过安全值时熔断，永久切断电路，防止干烧引发危险。
幻灯片 13：拓展思考
若要实现多档位加热（如 “快速加热” 和 “慢加热”），可在电路中增加一个开关和一个电阻，如何设计电路？（提示：将两个电阻并联，开关控制其中一个电阻的通断，不同组合实现不同功率）
商用恒温杯常用 “PID 温控”（比例 -
北师大版2024版物理九年级全册【精做课件】
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
12.6设计恒温电热杯
第十二章 欧姆定律
a
i
T
u
j
m
i
a
N
g
任务一 认识敏感元件
1. 温度、光照、压力、化学气体等对有些材料
制成的电阻影响很大，利用这些材料制成的热敏电阻、光敏
电阻、压敏电阻、气敏电阻等敏感电阻，可以作为自动控制
电路中的敏感元件，当环境中对应因素变化时，其阻值会增
大或减小，发出控制信号，实现自动控制。
（1）家用电器：燃气泄漏报警器。
工作原理：当有燃气泄漏时，报警器电路中的气敏电阻阻值
减小，报警电路中的电流______（选填“增大”“减小”或“不
变”），相当于开关______（选填“闭合”或“断开”），报警器
______（选填“报警”或“不报警”）。
增大
闭合
报警
（2）家用电器：光控灯。
工作原理：当没有光照时，光控灯电路中的光敏电阻阻值减
小，所在电路的电流______（选填“增大”“减小”或“不变”），
相当于开关______（选填“闭合”或“断开”），光控灯______
（选填“工作”或“不工作”）。
增大
闭合
工作
（3）电热杯的温度检测系统应使用的敏感元件是__________。
热敏电阻
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2. 热敏电阻的典型特点是对温度敏感，不同温度
下表现出不同的阻值。按电阻随温度变化的特点不同，可分
为正温度系数热敏电阻器 和负温度系数热敏电阻器
。温度越高，其阻值越大； 温度越高，其阻值
越小。为研究热敏电阻 属于哪种热敏电阻，小丽按如图所
示的电路进行实验，其中 为定值电阻，此外还准备有温度
分别为、和的适量的水，热敏电阻 已
做防水处理。
（第2题）
（1）实验时应该控制__________不变。
电源电压
（2）接下来的操作是将已做防水处理的热敏
电阻 先后依次放入_________________的水
中，然后观察电流表示数变化情况。
温度为、和
（3）小丽观察到____________________________，说明热
敏电阻属于 。
电流表示数随温度升高而变大
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任务二 设计恒温电热杯的温度显示系统
（第3题）
3. 你需要参加“恒温电热杯的温
度显示系统”的设计活动，备选器材有学生电
源、数字电流表、数字电压表、定值电阻 、
开关、导线和两种热敏电阻、 ，其阻值
随温度的变化如表。
0 20 40 60 80 100
0.10 0.12 0.19
（第3题）
（第3题）
（1） 的阻值随温度的升高而______
（选填“变大”“变小”或“不变”）。
变大
（2）选择数字电流表作为输出显示器，
设计的电路如图所示，闭合开关后，被
测温度越高，电流表示数越____。
大
（3）用数字电压表作为输出显示器，在电
路中增加定值电阻 ，热敏电阻只能使用
一个，且被测温度越高，电表示数越大。
你选择的热敏电阻是____________；在虚
线框中设计出此时的电路图。
（或）
如图所示 或
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任务三 制作恒温电热杯的电子测温装置
4. 某同学在学习完敏感电阻后，
用热敏电阻制作了一个恒温电热杯的简易电
子测温装置。
（1）由于该同学没有热敏电阻的详细参数，
为了测量热敏电阻 阻值随温度变化的关系，
该同学设计了如图甲的电路，实验步骤如下：
①先将单刀双掷开关掷向1，调节热敏电阻 所处的温度
，记下电流表的相应示数 ；
②然后将单刀双掷开关掷向2，调节电阻箱 使电流表的示
数为___，记下电阻箱相应的示数；
③逐步升高温度，在不同温度下重复步骤①和②；
④根据实验数据，作出热敏电阻的阻值随温度 变化的图像
如图乙所示。
（2）实验室提供了如下器材：电压为 的电源、
灵敏毫安表（量程）、滑动变阻器 、
定值电阻 、电压表、开关、导线若干。该同学
设计测温范围为 的电子测温装置，设计电路如图丙
所示，并进行了如下操作：
①调节热敏电阻所处温度为，调节滑动变阻器 ，使毫
安表满偏，然后保持 滑动位置不变；
②写出毫安表的电流值和温度 的关系式：_________。
（3） 另一名同学小睿用电压表作为温度显示仪，
设计了如图丁所示的电子测温装置，发现此电子测温装置的
精确度不高，在不改变电表的条件下，要增大其精确度，可
以适当______定值电阻 的阻值。
增大
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任务四 设计恒温电热杯的控温工作流程
5. 小明设计了一个恒温电热
杯，要求在 能自动保温，如图是
他画出的恒温电热杯的工作程序流程图。
（1）根据实验要求，将流程图补充完整：
①______；②______；③____；④____。
低于
高于
否
是
（2）由流程图可知，当测温系统所测的温度__________时，
若加热电路仍在工作，则电路报警。
高于
（3） 小明的设计______准确反
映水的温度，____按要求实现自动接通电
路，______按要求实现自动切断电路。
（均选填“能”或“不能”）
不能
能
不能
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必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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