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电功和电功率
第三节　电流的热效应
方式一　【情境导入】
展示如图13-3-1所示的图片:给电热水壶通电可以给水加热;给电烤箱通电可以把食物烤熟;计算机主机长时间工作后外壳会发热。这些用电器工作时有什么共同特点 (都要消耗电能、都会产生热)同学们根据自己的生活经验,一定能举出许多电流通过导体时,导体会发热的例子,这种现象就叫电流的热效应。在前面有关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,而连接的导线并不热。导线和用电器中通过的电流相同,用电器发热而导线却几乎不发热,这是为什么 引入新课。
图13-3-1
方式二　【生活现象引入】
同学们,当我们冬天从寒冷的室外回到温暖的室内,打开电暖器后,不一会儿就能感受到扑面而来的热气;晚上玩手机玩久了,手机也会变得热乎乎的。电暖器发热能帮助我们抵御严寒,手机发热却能让我们担心会不会出现故障。这些生活中常见的发热现象,其实都和一个重要的电学知识紧密相关,那就是电流的热效应。今天,就让我们一起深入探究电流热效应背后的奥秘。引入新课。
方式三　【实验导入】
实验器材:电池、导线、小灯泡、电阻丝(或细铁丝)、温度计。
实验步骤:
1.将电池、导线、小灯泡和电阻丝串联成一个简单电路。
2.打开电路,观察小灯泡亮起,同时用手轻轻触摸电阻丝,感受其温度变化。
3.用温度计测量电阻丝的温度变化。
教师提问:“你们观察到了什么现象 电阻丝为什么会变热 ”
引导学生讨论实验现象,并初步猜测电流通过导体时会产生热量。引入新课。
1.关于公式Q=I2Rt的推导与应用
当电路为纯电阻电路时,用电器所消耗的电能全部转化成内能,此时Q=W,所以此时计算电功的公式W=Pt=UIt=I2Rt=t都可以用来计算电热Q,且由推导公式可知,相同时间内,串联电路中,电阻越大产生的热量越多;并联电路中,电阻越小产生的热量越多。
2.其他实验设计:探究电流的热效应跟电阻大小的关系
目的 　探究电流的热效应跟电阻大小的关系
设计并进 行实验 　①将两段电阻不同的镍铬合金丝和铜丝(R镍铬>R铜)串联在电路中,闭合开关,比较相同时间内两段导体放出的热量的多少。 　②导体放出热量的多少可通过转换法进行观察比较。
实验 电路图
实验现象 　①与密封镍铬合金丝的烧瓶相连的气球先被吹起; 　②密封镍铬合金丝的烧瓶中的煤油升温快。
结论 　在电流、通电时间相同的情况下,导体电阻越大,电流通过导体产生的热量越多。
[中考解读] 焦耳定律是中考中有关电热计算问题的重要内容,经常考查有关热值、比热容和焦耳定律的综合性计算问题,同时也涉及实验探究性问题,例如探究电热的影响因素。中考中多以选择题、填空题、实验探究题和计算题的形式出现。
[考点对接] 1.电流的热效应
例1　(北京中考)如图13-3-2所示的家用电器中,利用电流热效应工作的是 (　　)
图13-3-2
[答案] A
[考点对接] 2.探究电流的热效应的影响因素
例2　(龙东中考)如图13-3-3所示是“探究通电导体产生的热量与　　　　　大小关系”的实验装置。通过左侧容器中电阻丝的电流为0.4 A,在1 min内电流通过右侧容器中电阻丝产生的热量为　　　　　J。
图13-3-3
[答案] 电流　12
[解析] 由图可知,右侧两个5 Ω电阻并联,然后与左侧5 Ω电阻串联,根据并联电路电流规律可知,通过左侧容器内5 Ω电阻的电流大于右侧容器内5 Ω的电流,两个容器内的电阻值都是5 Ω,通电相同时间,所以探究的是电流产生热量与电流大小的关系;如果通过左侧容器中电阻丝的电流是0.4 A,根据并联电路的电流特点,通过右侧容器中电阻丝的电流是I右=I左=×0.4 A=0.2 A,1 min内电流通过右侧容器中电阻丝产生的热量为Q=Rt=(0.2 A)2×5 Ω×60 s=12 J。
例3　(宜宾中考)(多选)如图13-3-4所示是探究电流热效应的实验装置,两个相同透明容器中分别密封着等量的空气和电阻R1、R2,其中R1=5 Ω,R2=R3=10 Ω。下列说法正确的是(　　)
图13-3-4
A.只闭合S1,可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系
B.只闭合S1,若电路中的电流为0.2 A,通电1 min电阻R1产生的热量为12 J
C.闭合S1和S2,通过R1的电流是R2电流的0.5倍
D.闭合S1和S2后,左侧U形管内液柱的高度差和右侧的高度差一样
[答案] AB
[解析] 由图可知,只闭合S1时,两个电阻R1、R2串联,电流相同,通电时间相同,电阻的大小不同,故可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系,A正确;只闭合S1时,若电路中的电流为0.2 A,通电1 min电阻R1产生的热量为Q=I2R1t=(0.2 A)2×5 Ω×60 s=12 J,B正确;闭合S1和S2,R2与R3并联,然后再与R1串联,因R2与R3电阻相同,所以通过R2和R3的电流相等,设通过R2的电流为I,由并联电路电流特点可知,通过R1的电流为2I,即通过R1的电流是R2电流的2倍,C错误;闭合S1和S2后,R2与R3并联,通过R1的电流是R2电流的2倍,又因为R2=2R1,由Q=I2Rt可知,左侧电阻R1放出的热量多于右侧电阻R2放出的热量,左侧U形管内液柱的高度差大于右侧的高度差,D错误。故选AB。
材料一——电流热效应的利与弊
(1)电流热效应的利
生活中和许多产业中都要用到电热,例如电炉通电后,电炉丝变得发红;电饭锅通电后,可以将生米煮成熟饭。这些都是电流热效应的有利应用。利用电流热效应的用电器还有电热水器、电烤箱、电熨斗、电取暖器等。
(2)电流热效应的弊
当大电流通过导线而导线又不够粗时,就会产生大量的热量,破坏导线外的绝缘层,从而导致多条导线的线路出现短路,引发电气火灾。为了避免导线过热,有关部门对各种不同横截面积的导线或电缆规定了最大允许电流(安全电流)。
短路电流的热效应是酿成电气火灾的主要原因。因为短路时电流很大,常为工作电流的几倍至几十倍,足以引燃短路点周围的可燃物质,从而导致电气火灾的发生。现在在一些电路设计及施工中,采取电气火灾监控系统来尽量减少和控制此类事件的发生及危害。
一些大功率电子元件在工作时要发热,例如电动机、变压器等在运行中会升温,这也是电流热效应引起的,温度过高会危及这些设备的安全,所以一般要想方设法采取散热措施,以便延长设备的使用寿命。
　　材料二——电热器的电阻丝为什么用电阻率大的合金丝制作
电热器的主要组成部分是发热体。发热体是由电阻率大、熔点高的合金丝绕在绝缘材料上做成的。发热体为何要用电阻率大的合金丝制成呢
采用电阻率大的合金丝,主要是为了在发热体功率一定时,使单位长度的电热丝上产生较大的热功率。这样,对于比热容小的电热丝,就可以达到较高的温度,使热量传递速度增加,提高热效率。同时,选用电阻率大的合金丝,可以使电热丝的横截面积增加一些,这就降低了单位面积上分担的功率(表面负荷),增加了有效辐射面积,大大延长了电热器的使用寿命。如果采用电阻率较小的金属丝(如铁丝),要达到与上述合金丝相同的电阻值,在横截面积保持不变的条件下,铁丝的长度将是合金丝的十几倍。这样,单位长度铁丝的发热功率太小,无法达到所需的温度。
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电功和电功率
第三节　电流的热效应
教 材 解 读 　电流热效应是电学知识板块的关键内容之一,从知识的逻辑架构来看,电流热效应是对电能知识的进一步深化与应用。学生在了解了电能的基本概念、电能的转化方式以及电功率的计算等内容后,学习电流热效应能够更深入地理解电能在实际应用中是如何转化为热能的,是对电能利用形式的一种具体探究,起到了对之前所学电能知识的总结和应用的作用,让学生明白电流做功不仅可以转化为机械能等其他形式的能,还能大量转化为内能。同时,电流热效应的知识为后续学习家庭电路、用电安全、焦耳定律的应用等内容奠定基础。 　《物理课程标准》要求,“通过实验,探究并了解焦耳定律,用焦耳定律说明生产、生活中的一些现象”。本节课教材内容分两部分:第一部分,教材从能量转化的角度分析用电器为什么发热,从而引出电流热效应的概念,并且通过实验探究电流的热效应与哪些因素有关;第二部分,在实验探究得出电流热效应与导体的电阻、通过导体的电流、通电时间的定性关系的基础上,教材介绍了焦耳定律及其公式,给出了严格的定量关系。
学 习 目 标 物理观念 　1.形成电流热效应的基本概念,理解电流通过导体时电能转化为内能这一过程,清晰掌握电能、内能的概念以及二者在电流热效应情境下的转化关系。 　2.构建焦耳定律相关物理观念,知道电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定量关系,能从能量转化与守恒的角度,解释电流热效应现象。
科学思维 　1.掌握控制变量法,在探究电流热效应影响因素实验中,明确研究某一因素时对其他因素的控制,通过分析实验数据,运用比值、图像等数学方法总结出物理规律,提升逻辑推理能力。 　2.学会运用等效思维,例如在研究复杂电路中电阻产生热量时,将多个电阻等效为一个电阻来分析整体发热情况;通过类比不同用电器电流热效应现象,加深对其本质的理解,提高归纳和类比的思维能力。
科学探究 　1.能依据问题提出关于电流热效应影响因素的猜想,如猜想电流大小可能会影响产生热量多少,锻炼问题提出与假设猜想能力。 　2.自主设计实验方案,合理选择实验器材,规划实验步骤,学会用转换法将不易直接测量的热量转换为温度变化等易于测量的物理量,提升实验设计与操作能力。 　3.实验过程中,仔细观察现象、准确记录数据,对数据进行分析评估,判断实验结果与预期是否相符,若不符,能分析原因,改进实验方案,培养严谨科学态度与反思改进能力。
科学态度 与责任 　1.了解焦耳等科学家对电流热效应研究的历程,体会科学研究的艰辛与严谨,培养尊重科学事实、实事求是的科学态度和探求真理的科学精神。 　2.认识电流热效应在生活中的广泛应用,培养学生将所学知识应用于实际的能力,理论联系实际的意识,体会物理知识对生产、生活的重要意义,培养学生的学习兴趣。 　3.认识电流热效应的潜在危害,形成安全用电的意识,肩负起安全使用电器、保障生活安全的社会责任。
重点 难点 　重点:认识电流的热效应,探究电热的影响因素,理解及应用焦耳定律。 　难点:探究影响电流热效应的因素的实验设计;对焦耳定律的理解。
备课 资料 　word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 展示图片:给电热水壶通电可以加热水;给电烤箱通电可以把食物烤熟;计算机主机长时间工作后外壳会发热。这些热量是从哪里来的 学生讨论思考 情境引入,让学生知道物理来自生活
【新课教学】 探究点一:认识电流的热效应 教师引导:生活中有哪些用电器通电后会发热呢 学生思考回答。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
教师提问:这些热量是从哪里来的呢 大家可以从能量转化的角度分析吗 学生回答:是由于通电后,电流通过用电器做功,将电能转化为内能。 教师肯定学生的猜想,并引导学生总结:电流通过导体时,导体会发热。这种现象叫作电流的热效应。 探究点二:探究电流的热效应与哪些因素有关 (1)提出问题 电流的热效应与哪些因素有关呢 怎样确定电流产生热量的多少呢 (2)猜想与假设 情境引导思考:刚才我们分析了,电流的热效应来源于电流通过用电器做功,电能转化为内能。由此你猜想,电流的热效应与哪些因素有关 用电热水壶烧水时,电炉丝和导线上的电流相同那为什么电炉丝可以用来加热,而导线并不很热呢 用电热水壶烧水,刚开始水时不会立刻沸腾,需要一段时间。由此你猜想,电流的热效应还可能与什么因素有关 学生猜想:电流的热效应可能与通过导体的电流、导体的电阻、通电时间有关。 (3)制订计划 教师提问:怎样判断产生电热的多少 学生结合电热水壶烧水的例子进行分析:电流通过导体产生的热量,使水的温度升高,因此可以用水温升高的多少来反映产生电热的多少。 教师提问:结合之前学习过的比热容的知识,如果要用物质温度升高的多少来反映产生电热的多少,还需要控制哪些变量 学生阅读,思考,交流结论 问题引导学生进行合理的猜想 思考回答 从常见的用电器入手,认识电流热效应。 引导学生用转化法和控制变量法进行方案制定,渗透实验方法。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
学生回答:还需要让物质种类和质量都相同。 教师肯定学生的回答,并介绍实验仪器,是用电热器加热相同质量的煤油,通过煤油温度升高的情况来判断通电导体产生热量的多少。 教师提问:如果要探究电流的热效应与某一因素的关系,我们应该用什么方法 讨论具体应该怎么操作,设计电路图。　　 指导学生完成电路设计,明确操作步骤。 请学生自己设计表格,讨论交流,设计的表格如下: 实验序号电流/A通电时间/s温度升高/℃R1R2123
(4)进行实验与收集证据 学生利用上述装置组装电路,进行实验探究,记录数据并填入表格。 分析与论证 小组讨论实验现象,并得出结论: 电流、通电时间相同时,电阻越大,产生的热量越多。 电阻、通电时间相同时,电流越大,产生的热量越多。 电流、电阻相同时,通电时间越长,产生的热量越多。 讨论方案、画图设计 思考、交流 实验激发兴趣,问题引导思考,在实验和思考中提高思维和科学素养。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
教师总结:这个实验虽然能说明电流产生的热量与电阻、电流、通电时间的定性关系,但无法确定它们之间的定量关系。 在科学史上,英国物理学家焦耳在经过大量实验后,最先确定了电流产生的热量与电流、电阻、时间的定量关系:电流通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,跟通电时间成正比,这个规律叫作焦耳定律,用公式表示为Q=I2Rt。 提问:那么是不是所有的电路中电流做的功都等于产生的热量呢 教师讲解:电熨斗、电热水壶、电饭煲等电器工作时,电流通过用电器做功,电能全部转化为内能,所以Q=W,这种电路叫作纯电阻电路。我们以前学习过W=UIt,U=IR,所以可以推导出Q=W=I2Rt。 教师提问:对于有电动机的电路,比如电风扇工作时,电能转化为什么能呢 学生回答:电能转化为机械能和内能。 教师提问:此时电流做的功W与电流产生的热量Q之间的大小关系如何 学生回答:此时W>Q。 教师总结:这种电路叫作非纯电阻电路,电流做的功只有一小部分转化为内能,但不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路,Q=I2Rt总是成立的。 学生介绍焦耳生平 学生讨论、交流 通过科学家事迹,渗透科学家精神 通过学生比较熟悉的能量转换,从电功和电热角度认识纯电阻和非纯电阻电器的区别。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
探究点三:电流热效应的应用实例 教师提问:我们生活中的哪些常用电器是利用电流的热效应工作的呢 学生回答:电熨斗、电热水壶、电饭煲、电取暖器、电烤箱等。 教师补充:在科研、生产中,孵化器、电烤箱、烘干机等也应用了电流的热效应。 教师提问:观察图片,为什么很多电器都设计了散热结构 学生思考回答:电流热效应会带来一些危害。 讨论:用电热水壶烧水和用燃气烧水相比,从能量利用、环保以及经济的角度考虑,哪种方法更好 课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 举例回答,了解电流热效应的应用与危害 培养学生辩证看待事物的意识。
学点1　电流的热效应
观察教材P119所示图片(如图13-3-5所示),思考下列问题:
图13-3-5
问题1:三个用电器通电后都会发热,将　电　能转化为　内　能。事实表明,电流通过导体时,导体会发热,这种现象叫作　电流的热效应　。
问题2:实验探究——探究影响电流热效应的因素
观察演示实验:用电热水壶烧水。
(1)问题与猜想
同学之间交流、讨论,电热水壶烧刚通电时,水并不能立即沸腾,而需要一定的时间,此时与电热水壶相连的导线却不怎么热,由上述现象,我们可以猜想通电导体放出的热量可能与导体的　电阻　和　通电时间　有关,还可能与　电流大小　有关。
(2)制定方案
从生活中的一些现象猜想到多个因素影响通电导体放出的热量,故在探究的过程中采用　控制变量　法。实验中通电导体放出的热量不能够直接观察到,故探究过程中通过观察烧瓶内液体温度的变化来反映,这种研究问题的方法是　转换　法。
(3)设计实验
步骤一:在探究导体产生的热量与电阻的关系时,应该控制　通过导体的电流　和　通电时间　不变,改变　电阻　大小。实验中为了达到这一目的,采用了两个不同阻值的电热丝　串　联,然后观察温度计示数的变化。如图13-3-6甲所示。
图13-3-6
　　步骤二:在探究导体产生的热量与电流的关系时,应该控制　电阻　和　通电时间　不变,改变　电流　大小,为了达到目的,采用的方法是　在各支路中串联一个滑动变阻器　。比较相同时间内,通过电热丝的电流不相同时,产生的热量是否相同,如图乙所示。
　　步骤三:实验中应该测出　电流　、　通电时间　,知道电阻的大小关系,要注意的问题是　控制变量法　和　转化法　应用,控制液体的　质量　、　种类　,容器,加热工具,温度计等相同。
(4)进行实验并记录数据
实验序号 电流/A 通电时间/s 温度升高/℃
R1 R2
1
2
3
(5)分析与论证:
在电热丝阻值和电流大小相同的条件下,通电时间越长,液体温度升高得越　高　,表明电流产生的热量越　多　。
在电流大小和通电时间相同的条件下,电热丝的阻值越大,液体的温度升高得越　高　,表明电流产生的热量越　多　;
在电热丝阻值和通电时间相同的条件下,通过电热丝的电流越大,液体的温度升高得越　高　,表明电流产生的热量越　多　。
学点2　焦耳定律
阅读教材P121~122,回答下列问题:
问题1:焦耳定律:电流通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　通电时间　成正比。这个规律叫作焦耳定律。
问题2:焦耳定律的公式为　Q=I2Rt　,其中Q表示　电流通过导体时产生的热量　,单位是　J　,I表示　导体中的电流　,单位是　A　,R表示　导体的电阻　,单位是　Ω　。
[知识拓展] 电流通过导体时,如果电能全部转化为内能,而没有同时转化为其他形式的能量,那么电流产生的热量Q等于消耗的电能,即Q=W=UIt。此时结合欧姆定律还可推导出另一个公式　Q=t　,故此时W和Q的关系为W=Q=　Pt　=　UIt　=　I2Rt　= t　。
问题3:电流的热效应在科研、生产、生活中被广泛应用,如图13-3-7所示的　电热蚊香器　、　电熨斗　是利用电流的热效应工作的;而笔记本电脑、电动机等工作过程中发热也是　电流热效应　的结果,但这属于能源浪费,又有烧坏用电器的隐患,所以很多用电器采用设置　散热孔　、　散热片　或在发热部位安装　散热风扇　等方法散热。
图13-3-7
21世纪教育网(www.21cnjy.com)

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