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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
逐点
导讲练
课堂小结
作业提升
学习目标
课时讲解
1
课时流程
2
实验探究：电流通过导体时产生热量
焦耳定律
电热的利用与防止
知识点
实验探究：电流通过导体时产生热量
知1－讲
感悟新知
1
1. 电流通过导体时，电能转化为内能的现象叫电流的热效应，如电流通过电炉丝时，电炉丝发光发热，电饭锅通电时发热把饭煮熟。
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2. 问题: 用电器通电时产生的热量是多少，能否定量计算？
猜想: 可能与电流的大小、电阻、通电时间有关。
证据:
知1－讲
感悟新知
(1)设计实验
① 取两个阻值不同的电阻丝，放入质量相等的煤油中，然后串联起来，可以探究电流产生的热量与电阻的关系。
② 只取一个电阻丝，改变通过的电流，保持通电时间相等，可以探究电流产生的热量与电流的关系。
③ 保持电阻和电流不变，改变通电时间，可以探究电流产生的热量与通电时间的关系。
知1－讲
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(2)进行实验
知1－讲
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(3)实验步骤
① 在两个相同的烧瓶中装入质量相等、初温相同的煤油，瓶中接入两根电阻丝，且让其电阻值R 甲>R 乙，然后在瓶中分别插入一支温度计。
如图1 所示，让两电阻丝串联，
检查电路连接无误后，接通电
路一段时间，记录两瓶中煤油
的温度值变化。
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② 在两瓶中的煤油温度降低一些后，只把甲瓶接入电路，调节滑动变阻器的滑片，增大电路中的电流，重做上述实验，通电时间与上次相同。
③ 保持电路中的电流大小不变，再延长甲瓶电阻丝的通电时间，记录温度的变化情况。
知1－讲
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(4)论证：图2 甲结论：①在电流及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在电阻及通电时间相同的情况下，
通过电阻的电流越大，这个电阻产
生的热量越多。
③在两次实验中，通电时间越长，
电阻产生的热量就越多。
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深度理解
电流的热效应的实质是电能转化为内能，但是不同的用电器电能转化的情况不同。
(1) 纯电阻电路
(2) 非纯电阻电路
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方法点拨
在烧瓶中放入等量的煤油，在该实验中的设计意图
(1) 在不计热量损失的情况下，电流通过电阻丝产生的热量全部被煤油吸收，由Q=cmΔt 可知，在c、m一定的情况下，可以通过Δ t(温度计的示数变化) 来间接反映电流产生热量的多少。
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(2) 采用煤油而不是水是因为煤油的比热容较小，在吸收相同热量时，煤油的温度变化大，易于观察。
(3) 分析实验数据时，应分别选取电流和通电时间相同、电阻不同，电阻和通电时间相同、电流不同。电流和电阻相同、通电时间不同的三组数据进行比较、归纳出结论。这是控制变量法在分析实验数据时的应用。
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知1－练
[中考·兰州] 在探究“电流通过导体产生热量的多少
与哪些因素有关”的实验中，采用了如图2 所示电路。
例 1
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解题秘方：本题探究影响电流通过导体时产生热量的因素。
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(1)为了在短时间内达到明显的实验效果，两烧瓶中应装入质量和初温都相同的 ______(填“水”或“煤油”)，实验中通过观察 __________________来比较电流通过导体产生热量的多少。
煤油
两支温度计示数变化
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解析：根据Q 吸=cmΔt 知，只有两个烧瓶中装入初温和质量均相同的煤油时，才能通过煤油的温度变化量来反映电流产生热量的多少；若将烧瓶中装有水，则由Q=cmΔt可知：在相同质量的水和煤油中，吸收相同的热量时，由于水的比热容大，温度升高的示数少，温度计的示数变化不明显，故为了实验效果明显，应选用质量相同的煤油而不用水；实验中通过观察两支温度计示数变化来比较电流产生的热量的多少，这里用到了转换法。
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(2)如图甲所示，两烧瓶中装有阻值不同的电热丝，可以探究电流通过导体产生的热量与______的关系。
电阻
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解析：如图甲所示，两电阻串联，通过两电阻的电流和通电时间相同，改变电阻，可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系。
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(3)如图乙所示，两烧瓶中装有阻值
相同的电热丝，闭合开关，调节
滑动变阻器的滑片，使两电流表
示数 ______ (填“相同”或“不
同”)，可以探究电流通过导体
产生的热量与______的关系。
不同
电流
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解析：如图乙所示，两烧瓶中装有阻值相同的电热丝，闭合开关，控制电阻和通电时间相同，通过调节滑动变阻器改变电路中的电流，观察同一个烧瓶中煤油升高的示数变化，可以探究电流通过导体产生的热量与电流的关系。
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实验改进点拨
“探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关”也可以采用如下的设计方式：
将四段电阻丝a、b、c、d分别密封在完全相同的容器内，容器内封存一定量的空气，其中图3 乙中另取5 Ω电阻在容器外与容器内电阻并联。
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这种设计的优点
(1) 容器内封闭一定量的空气，空气受热时容易膨胀，导致容器内的气压增大，使U 形管两侧液面存在高度差，便于实验观察；即电流通过电阻产生热量的多少是通过观察U 形管中液面的高度差来体现的。
(2) 图3 甲， 两个容器中的电阻丝串联，通过两电阻丝的电流和通电时间相同，但阻值不同，所以方便探究电流产生的热量与电阻大小的关系。
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(3) 图3 乙， 右侧容器外连接的5 Ω电阻，则左侧电阻丝c 在干路上，右侧电阻丝d 在支路上，根据并联电路电流规律可知通过两电阻c、d 的电流不同。
知识点
焦耳定律
知2－讲
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2
英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840 年最先精确地确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和时间的关系：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。这一规律被称为焦耳定律。
知2－讲
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(1)如果用Q 表示电流通过导体产生的热量，I 表示导体中的电流，R 表示导体的电阻，t 表示通电时间。焦耳定律可以用公式表示为Q=I2Rt。
(2)单位：I——A；R——Ω；t——s；Q——J。
知2－讲
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(3)适用范围：任何电阻不为零的用电器，都可以用焦耳定律计算它产生的电热。
(4)推导式：在纯电阻电路中，电流做的功全部用来产生热量，即Q=W=Pt=IUt= t。
知2－讲
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深度理解
正确理解焦耳定律
(1) 焦耳定律是由实验总结出来的，只要有电流通过导体，就可以用它来计算所产生的热量。
(2) 公式中的各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的。
(3) 在运用公式Q=I2Rt进行计算时，公式中各个物理量的单位一定要统一使用国际单位制中的单位。
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知2－练
[中考·广安] 如图4 所示，电源电压保持不变，滑动变阻器R 的最大阻值为40 Ω，小灯泡L 标有“5 V 2.5 W”的字样，将滑片移到最右端，
闭合开关S，电流表示数为
0.3 A，忽略温度对灯丝电阻
的影响。求：
例2
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知2－练
(1)灯泡正常发光时的电阻；
解：由P=UI=可知，灯泡正常发光时的电阻
RL===10 Ω。
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(2)电源电压；
解：由电路图可知，滑动变阻器R 与小灯泡L 串联，
电压表测R 两端的电压，电流表测电路中的电流，将滑片移到最右端时，滑动变阻器接入电路的电阻R=40 Ω，由串联电路的电阻特点可知，此时电路中的总电阻R 总=R+RL=40 Ω+10 Ω=50 Ω，由欧姆定律可知，电源电压U=IR 总=0.3 A×50 Ω=15 V。
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知2－练
(3)将滑片移到某位置，电压表示数为10 V，滑动变阻器电阻丝1 min 内产生的热量。
解：由串联电路的电压特点可知，小灯泡两端的电压UL′=U－UR′=15 V－10 V=5 V，
此时电路中的电流I′===0.5 A，则滑动变阻
器电阻丝1 min 内产生的热量
Q=W=UR′I′t=10 V×0.5 A×60 s=300 J。
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方法点拨
导体产生热量计算公式的选择
任何电路 纯电阻电路
Q=I2Rt Q=Pt
Q=UIt
知识点
电热的利用与防止
知3－讲
感悟新知
3
1. 利用 电热器是利用电热的设备，其主要组成部分是发热体，凡是需要利用电流热效应来加热升温的用电器都属于电热的利用，如电饭锅、电炉、电熨斗、电取暖器、电热水器等都是利用电热工作的用电器。
制作发热体的电阻丝必须要求电阻大，同时为了使电阻丝在很高的温度下不会熔化，应选择熔点高的材料。
知3－讲
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2. 电热的防止 很多情况下电热是一种浪费甚至
造成危害，如果产生的热量过多，会使用电器温度过高，导致绝缘体材料老化，甚至烧坏。所以，在利用电热的同时，也要对电热加以防止。
防止的方法：
(1)减少产生的热量，如缩短用电的时间。
(2)及时散热，如电视机的散热孔、电动机外壳上的翼状散热片。
知3－讲
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拓展一步
电流的三大效应
(1) 电流的热效应：电流通过具有电阻的导体时会产生热量，生活、生产中许多地方都要用到电热，我们可以利用电流的热效应制作电热器，但同时用电器中通过电流时产生的热量可能造成危害。在制作和使用用电器时还要采取有效措施进行散热，以防止电热造成的危害。
知3－讲
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(2) 电流的磁效应：任何通有电流的导体，都可在其周围产生磁场。电磁铁、电铃等就利用了电流的磁效应。
(3) 电流的化学效应：主要是电流中的带电粒子( 电子或离子)参与而使物质发生了化学变化。电解水、电镀等都利用了电流的化学效应。
感悟新知
知3－练
下列现象或装置，利用了电流热效应的是( )
①电视机后盖有许多小孔②电动机外壳上装散热片
③长期不用的电视机隔一段时间通电一次去潮湿
④白炽灯⑤电脑机箱里装有小风扇
⑥电暖手宝
A. ①②⑥ B. ①②⑤ C. ③④⑥ D. ②③⑥
例 3
感悟新知
知3－练
解题秘方：电流通过导体时产生电热对人们有利的我们可以利用，相反，对我们有害的需要防止，尽量防止其产生，如果不能避免，则想办法散热，以降低危害。
解析：①电视机后盖有许多小孔是为了把各电器元件产生的热量及时散失掉，故①不符合题意；②电流通过电动机产生的热量是有害的，电动机外壳上装有散热片可以用来散热，故②不符合题意；
感悟新知
知3－练
答案：C
③家电长时间停用，隔一段时间应通电一次利用电热防止家电受潮，再次使用时被损坏，故③符合题意；④白炽灯通电后发热发光，是利用电流的热效应工作的，故④符合题意；⑤过多的热量会影响计算机的正常工作，机箱内有风扇，是为了散失热量，故⑤不符合题意；⑥电暖手宝将电能转化为内能，是利用电流的热效应工作的，故⑥符合题意。
课堂小结
科学探究：电流的热效应
电热
电热的相关因素
焦耳定律
电热的应
用与防护
电动机的效率

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