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第四节 探究焦耳定律
设计说明 本节主要内容有：探究通电导体放出的热量与哪些因素有关，焦耳定律及其公式，电流热效应的应用与控制。本节是在前面学习了电能、电功的基础上，研究电能转化为内能的定量关系，探究并了解焦耳定律，了解电流热效应的应用与控制。焦耳定律是能量守恒定律在电热转换中的体现，是物理学中的重要规律，是解决电热问题的主要理论依据，在生产和生活中有许多应用。 教学时要以焦耳定律为核心，以“探究—规律—应用”为主线，让学生经历探究通电导体放出的热量与哪些因素有关的实验过程，学习焦耳定律的内容和公式，了解电流热效应在实际中的应用与控制，即让学生较为系统地认识焦耳定律这一科学规律的来龙去脉。教学中不仅让学生学习焦耳定律的内容和公式，而且注重科学探究过程，注重物理知识与生产、生活的联系，从知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观三个方面全面落实课程目标。 教学目标 【知识与技能】 1.了解焦耳定律，用焦耳定律说明生产、生活中的一些现象。 2.知道电流的热效应及其在实际中的应用与控制。 【过程与方法】 通过实验，探究通电导体放出的热量与哪些因素有关。在设计实验的过程中运用控制变量法和转换法。 【情感态度和价值观】 通过学习焦耳定律,意识到各种自然现象(如电和热)之间存在联系,并辩证地看待电流热效应在生活中的利与弊。 重点难点 教学重点 焦耳定律的内容及实验探究过程。 教学难点 探究通电导体放出的热量与哪些因素有关的实验设计。 教学方法 实验探究、观察、讨论和分析相结合的教学方法。 教具、学具 多媒体课件、学生电源(输出电流大于2 A)、广口瓶2只、量筒、开关、煤油、电阻丝5 Ω、10 Ω各2只、电炉丝、吹塑板、温度计2只、电吹风、电炉等。 授课时数 1课时 教学过程 导入新课 同学们根据自己的生活经验，一定能举出许多电能变成内能的例子。通过对电能的学习，大家已经了解了电流通过导体时，导体会发热。 在小灯泡的发光实验中，同学们曾有意地去触摸过小灯泡，感觉小灯泡发热。有没有同学触摸过导线，连接小灯泡的导线热不热？同学们有没有考虑过这样的问题：导线和用电器中流过了相同的电流，用电器发热而导线却几乎不发热，这是为什么？ 用电器和导线不同的是电阻，今天我们就来一起探讨电流经过用电器时产生的热量与电阻是什么关系？ 讲授新课 一、通电导体放出的热量跟哪些因素有关 多媒体课件展示：电熨斗、电烤箱、电炉、电烙铁等。 【交流总结】电流通过导体，导体会发热的现象，叫做电流的热效应。 【提出问题】电流的热效应与哪些因素有关？ 【思考】1.浴霸灯泡和电线串联在电路中，电流相同，灯泡下面非常热，电线却不怎么热，这是为什么？（电阻不同） 2.如果将小功率的浴霸灯泡换成大功率的浴霸灯泡，灯泡下面更热，这又是为什么？（电流不同） 3.浴霸灯泡通电的时间更长，会产生更多的热量，这说明了什么？（时间不同） 【猜想】影响电热大小的因素——导体的电阻、导体的电流、通电时间等。 【思考】我们应该采用什么样的研究方法？ 【交流总结】控制变量法 活动：探究通电导体放出的热量跟哪些因素有关 设计实验：用电阻丝给瓶内等质量的煤油加热，观察温度计示数，进而比较电热的多少。 【教师点拨】由于电流通过用电器所产生热量的大小不易直接进行观察比较，实验中将通过煤油温度的变化来比较产生热量的多少。即运用了转换法。 【演示实验】如图所示的实验装置，在两个相同的烧瓶中装等量和初温相同的煤油，瓶中各装一根电阻丝，甲瓶中电阻丝的电阻比乙瓶中的小，串联起来，通电电流通过电阻丝产生的热量使煤油的温度升高，瓶内温度计的示数升高，电流产生的热量越多，温度计示数升得越高。观察瓶内温度计示数的情况，就可以比较电流产生的热量。 步骤： 1.两个电阻串联，它们的电流相等，加热的时间相同，甲瓶相对乙瓶中的电阻较小，乙瓶中的温度计示数上升得高。 数据记录： 温度 电阻　　
表明：电阻越大，电流产生的热量越多。 2.在瓶中温度计示数降回到原来的初温后，调节滑动变阻器，加大电流，重做实验，让通电的时间与前次相同，两次实验比较乙瓶前后两次温度计示数上升的高度，第二次温度计示数上升得高。 表明：电流越大，电流产生的热量越多。 3.如果加长通电的时间，瓶中温度计示数上升越高。 表明：通电时间越长，电流产生的热量越多。 【归纳总结】通电导体产生的热量跟导体的电阻、导体中的电流以及通电时间有关。 分析评估： 1.为什么要用煤油，用水不可以做吗？ 【教师点拨】其实完全可以用水来代替煤油，只不过时间可能要长一些才能从温度计上读出温度值。 2.为什么是等量的煤油，不是等量的行吗？ 【教师点拨】只有等量的煤油，才能通过它们的温度变化讨论电流产生的热量。这样的方法就是控制变量法。 【实验拓展】为了探究影响电热的因素，实验室准备了两个装满煤油的烧瓶、两个带有橡皮塞的粗细均匀的相同玻璃管，两根不同阻值的电阻丝以及滑动变阻器、开关、导线、电源等。两个实验小组根据提供的实验器材，分别设计了如图甲、乙所示的两个方案： 甲 乙 (1)这两个方案的共同点是通过观察什么知道电热的多少？ (2)甲方案探究的问题是什么？ (3)乙方案探究的问题是什么？ 【交流总结】(1)电热的多少在实验中是通过转换法体现出来，此题中是通过玻璃管中液面的高度来体现的，液面上升得越高，表示产生的电热越多；(2)在甲图中由于两根电阻丝是串联的，故通过它们的电流和通电时间相同，所以研究的是在电流和通电时间一定时，电热与电阻的关系；(3)图乙中的电阻丝是并联的，故电压和通电时间相等，所以研究的是在电压和通电时间一定时，电热与电阻的关系。 二、焦耳定律 1.内容：电流流过导体时产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。 【教师点拨】“电流产生的热量与电流的平方成正比”的含义是：当时，。 2.公式： 3.单位：——安，——欧，——秒，——焦。 4.说明：焦耳定律是从实验中总结出来的规律，它适用于任何情况下的电热的计算。 【小资料】焦耳（James Prescott Joule，1818—1889），英国物理学家。他用近40年的时间做了400多次实验，研究热和功的关系。通过大量的实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。 【拓展】理论推导 焦耳定律是焦耳在大量实验基础上归纳总结得出来的规律，还需要理论上的支持，我们能不能通过理论来推导出焦耳定律的数学表达式呢？学生讨论推导。 在一定的条件下，根据电功公式和欧姆定律公式推导出焦耳定律公式。如果电流通过导体时，其电能全部转化为内能，而没有同时转化为其他形式的能量，也就是电流所做的功全部用来产生热量。那么，电流产生的热量就等于电流做的功，即，根据欧姆定律推导得出。 通过理论推导，同样得出了焦耳定律的数学表达式，达到理论和实践的完美统一。 【问题回扣】为什么用导线连接的电炉通电后，电炉很快发红发热，而导线却不热？ 【交流总结】导线和用电器(电炉或电饭锅或电灯)中通过的电流相同，但是导线的电阻较小，而那些用电器的电阻较大，所以，那些用电器发热，而导线几乎感觉不到热。 【问题回扣】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 【交流总结】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,其前提条件是电压相同；按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多，其前提条件是电流相同，两者并不矛盾，要注意公式成立的条件。 例题：一根60Ω的电阻丝接在36 V的电源两端，在5 min内共产生多少热量 解：，由焦耳定律得。 三、电流热效应的应用与控制 【教师点拨】生活中有些电热我们要利用，有些电热我们是防止。关于电热的利用，同学们已经了解了许多，比如电烙铁、电熨斗、电饭锅、电烤炉、电炉。刚刚举出的都是利用电来加热的设备，都是常见的电热器。同学们知道了利用电热的好处，但有些时候，有些地方的电热会造成危害，还要设法防止。 电视机使用过程中会发热，如果连续使用时间过长，还会烧坏电视机；有些导体上的绝缘材料会因温度过高，使绝缘材料迅速老化，甚至烧坏；电脑中还装有风扇，也是为了散热，减少电热的危害；农村抽水、磨面用的电动机连续工作一段时间后要暂停一会，等凉了再用，是为了防止电热可能造成的危害。 【交流总结】将电器置于通风良好处；勿使电器淋雨或受潮；长期不用的电器隔一段时间应该通电一次。电器工作时，置于通风良好的地方，是为了使电器更好地散热、防止电热产生危害。 课堂小结 一、通电导体放出的热量跟哪些因素有关 1.当电流一定时，导体的电阻越大，产生的热量越多。 2.当电阻一定时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多。 3.通电时间越长，产生的热量越多。 二、焦耳定律 1.电流流过导体时产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。 2.公式： 三、电流热效应的应用与控制 1.利用电热：电炉、电熨斗、电饭锅等。 2.防止危害： （1）电视机后盖有散热孔； （2）电脑用风扇散热。 当堂达标 1.下列家用电器，利用电流的热效应工作的是(　　) A.电暖气B.洗衣机C.电风扇D.电视机
2.电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫，而连接的导线却不怎么热，主要是(　　) A.通过导线的电流小于通过电阻丝的电流 B.导线的绝热皮隔热 C.导线的电阻远小于电阻丝的电阻 D.导线散热比电阻丝快 3.下列用电器均标有“220 V　100 W”，在额定电压下工作相同时间产生热量最多的是(　　) A.电热水袋　　B.电视机 　　 C.电风扇　 　 D.电灯 ４.某导体电阻为10Ω，通电5 min产生的热量是1 200 J，当通过该导体的电流增大为原来的2倍时，在相等时间内产生的热量是_______J。 5.下列情况中防止电热危害的是(　　) A.电视机背后有散热窗 B.家电长时期不使用，隔一段时间要通电一次 C.家庭电路一般安装保险丝 D.大型爆破工程用电热引发炸药 6.探究“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验。 如图甲和乙所示，两个透明容器中密闭着等质量的空气，两容器中的电阻丝串联起来，连接到电源两端，通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度差的变化。 （1）在图甲中，通过两电阻丝的电流_______；该装置是探究电流通过导体产生的热量与导体_______的关系。 （2）在图乙中，是探究电流通过导体产生的热量与通过导体________的关系。 （3）在该实验中，我们是通过观察U形管中两侧液面的_________来比较各容器中电阻丝产生热量的多少的。 参考答案 1.A 2.C 3.A 4.4 800 5.A 6.（1）相等 电阻 （2）电流大小 （3）高度差 板书设计 一、通电导体放出的热量跟哪些因素有关 电流、电阻和通电时间 二、焦耳定律 1.内容：电流流过导体时产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。 2.公式： 三、电流热效应的应用与控制 教学反思

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