资源简介

18.4　焦耳定律
◇核心素养目标◇
1.知道电流热效应的现象及能量的转化。
2.通过探究影响电流热效应的因素，理解焦耳定律的内容，能够利用焦耳定律公式进行简单的计算。
3.会利用焦耳定律解释一些生活中的简单现象。
4.举例说出生活中利用电热的实例，了解电热的危害和防治方法。
5.通过实验探究，培养学生的动手操作的能力和理论分析的能力，体会运用控制变量法和转换法进行实验。通过讨论和交流，培养合作学习的态度和意识。
◇教学重难点◇
1.教学重点：焦耳定律、电流热效应的应用、电热的计算；对焦耳定律的理解及用焦耳定律的知识来解释生活中的现象，分析相关的问题。
2.教学难点：电热大小的影响因素的猜想和实验设计；组织指导学生在探究过程中认真观察、分析，并得出正确结论。
◇教学过程◇
一、新课导入
大雪过后，一些地方的电线上会结厚厚的冰，给人们的生活带来了很多不便，也造成一定的经济损失。为此，科技人员研究出“直流融冰”技术，使冰熔化，避免了巨大的经济损失。你知道这种融冰技术的原理吗？
二、教学步骤
探究点1　电流的热效应
［阅读课本］P120“电流的热效应”
［思考］电饭锅通电后发热用来煮饭，手机长时间使用也会发热，你还能列举哪些用电器通电后发热的例子？
［提示］电水壶通电后会发热，电动机工作时会发热，电脑工作时会发热等。
［思考］导线和电炉丝串联接入电路中，为什么电炉丝热得发红而导线并不是很热？产生这种现象的影响因素有哪些？
［提示］电流通过导体时产生热的多少可能与导体的电阻大小有关。
［思考］当电路短路时，为什么会发热烧毁导线呢？
［提示］电流通过导体时产生热的多少可能与电流的大小有关，电路短路时，电流很大，所以会发热烧毁导线。
［思考］为什么手机用时间久了才会感觉到发热呢？
［提示］电流通过导体时产生热的多少可能与通电时间有关。
［思考］P121“图18.4 3”这个实验设计控制了哪些物理量相同，改变了哪个物理量呢？
［提示］控制了电阻和通电时间相同，改变的是电流大小。
［思考］该实验是如何比较两个导体产生热量的多少？采用的是什么方法？
［提示］通过比较U形管中液面高度的变化来比较导体产生热量的多少。U形管液面高度的变化反映了密闭容器中空气温度的变化，即电阻丝产生热量的多少。实验采用的是“转换法”。
［思考］这一实验现象说明了什么？
［结论］在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一段电阻丝的电流越大，这段电阻丝产生的热量越多。
［习题］如图是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻间关系”的实验装置，两个透明容器中密封着等量的空气，电路正确连接后，通电进行实验的过程中，下列说法正确的是 （　　）
A.左边容器电阻丝中的电流比右边容器电阻丝中的电流大
B.U形管中液面高度的变化反映电阻丝产生热量的多少
C.要保持两个电阻丝两端电压相等
D.通电时间相同，两个容器中空气吸收的热量相同
［分析］两个阻值不同的电阻丝串联，通过电阻丝的电流相同，即左边容器电阻丝中的电流等于右边容器电阻丝中的电流；由实验装置可知，电流通过导体产生热量使容器中的空气受热膨胀，从而导致U形管中的液面发生变化，虽然产生热量的多少不能直接观察，但可以通过U形管液面高度差的变化来判断；此装置用来探究电流产生的热量与电阻的关系，故需要保持通过两个电阻丝的电流相等，不需要保持两个电阻丝两端电压相等；两电阻丝串联，电流相同，根据Q=I2Rt可知，由于题图中右边容器的电阻丝阻值较大，在相同时间内，右边容器的电阻丝产生的热量较多，所以右边容器中空气吸收的热量较多。
［答案］B
［思考］如何探究产生热量的多少与通电时间的关系呢？
［提示］电路中只接入一根电阻丝，第一次通电5 s，第二次通电20 s，观察U形管中液面的变化情况。
［结论］在电阻相同、通过电阻的电流相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。
［归纳提升］当电流通过导体时，电流越大、电阻越大、通电时间越长，产生的热量越多。
［习题］如图所示，甲、乙、丙、丁四个相同容器里装有质量和初温相同的水，每个容器放入同种材料绕成的导电线圈，其电阻R1=R3，R2=R4，R2=1.5R1。若同时通电，经过一段时间后，这四个容器中的水温从高到低的顺序是 （　　）
A.甲、乙、丙、丁 B.丁、丙、乙、甲
C.丙、丁、乙、甲 D.甲、乙、丁、丙
［分析］左图中，R1与R2串联，根据串联电路特点和焦耳定律Q=I2Rt可知，在电流和通电时间相同的情况下，电阻大的产生的热量多。因为R2=1.5R1，所以Q2>Q1。右图中，R3与R4并联，根据并联电路特点和焦耳定律公式的变形式Q=t可知，在电压和通电时间相同的情况下，电阻小的产生的热量多。因为R4>R3，所以Q3>Q4。左图中，通过R2的电流I2=，所以Q2=R2t=R2t；右图中，通过R4的电流I4=，所以Q4=R4t=R4t；因为R2=R4，且通电时间相同，所以电流大的产生的热量多。因为I4>I2，所以Q4>Q2。这样我们得出了这四个电阻产生的热量关系是Q3>Q4>Q2>Q1，即四个容器中的水温从高到低的顺序是丙、丁、乙、甲。
［答案］C
探究点2　焦耳定律
［阅读课本］P121“焦耳定律”
［思考］焦耳定律的内容是什么？
［提示］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。如果热量用Q表示，电流用I表示，电阻用R表示，时间用t表示，则焦耳定律为Q=I2Rt。
［思考］你能用前面所学的知识推导出焦耳定律吗？
［提示］电流通过导体时，如果所做的功全部转化为内能，即W=Q，由W=UIt，将U=IR代入，可得Q=I2Rt
［思考］电吹风工作时，消耗了1000 J的电能，电流在电阻线上产生的热量等于1000 J吗？
［提示］电吹风工作时把电能转化为内能，还有一部分转化为动能，消耗的电能大于产生的电热，所以产生的热量小于1000 J。
［归纳提升］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和消耗的电能W的关系是Q=W，这样的电路称为纯电阻电路。例如电炉、电饭锅、电热水器、电烤箱、电热水壶等；像电动机、电视机等消耗的电能除转化为内能外还转化为其他形式的能，那么，电流产生的热量Q和消耗的电能W的关系是Q［习题］电视机、电动机、电暖气都标有“220 V200 W”，把它们并联在220 V的电压下，则相同时间内产生热量最多的是？为什么？
［分析］由W=Pt可知，三个用电器消耗的电能一样多。电视机：W=Q+E光；电动机：W=Q+Ek；电暖气：W=Q，所以相同时间内电暖气产生的热量最多。
［答案］电暖气产生的热量最多，原因见上述分析。
［思考］你知道“直流融冰”技术的原理吗？
［提示］“直流融冰”一般会在输电线路中输入3000 A左右的大电流，当电阻、通电时间一定时，电流越大，产生的热量越多，产生的热量可以把电线上的冰全部熔化。
［思考］P123“想想议议”
［提示］这两种情况下有不同的变量，前者是在电压一定时，电阻越小，电流越大，电热与电流是二次方的关系，所以电流对电热影响较大。后者的前提是在电流一定时，电阻越大，电热越多。
［习题］一根60 Ω的电阻丝接在36 V的电源上，在5 min内共产生多少热量？
［分析］通过电阻丝的电流
I==0.6 A
电流产生的热量
Q=I2Rt=（0.6 A）2×60 Ω×5×60 s=6480 J
［答案］6480 J
［习题］某校师生自制了一台电烘箱。电烘箱的电阻丝通过5 A的电流时，每分钟产生的热量是6.6×104 J的热量。求这台电烘箱的电功率和电阻丝工作时的电阻。
［分析］电烘箱的电功率
P==1.1×103 W
电阻丝工作时的电阻
根据P=UI=I2R可得R==44 Ω
［答案］1.1×103 W；44 Ω
探究点3　电热的利用和防止
［阅读课本］P123“电热的利用和防止”
［思考］电热对我们是有利的还是有害的？
［提示］既有利又有害，电饭锅、电水壶等电热是有利的；手机、电脑等电热是有害的。
［思考］生活中电热器件有哪些优点？
［提示］具有清洁卫生、无污染、效率高、便于调节温度等优点。
［思考］我们如何防止电热带来的危害？
［提示］电视机的后盖有很多孔，就是为了通风散热，使用时一定要把防尘布罩拿开；电脑里安装了微型风扇及时散热等。
［归纳提升］电热器的优点：清洁卫生、效率高、方便调温；防止电热措施：设法散热、加散热窗、加风扇。
［习题］下列各种方法和措施中，不是为了防止电热危害的是 （　　）
A.电脑机箱中安有电风扇
B.炎热夏天，连续长时间工作的电视机要停用一会儿
C.天气潮湿时，长期不用的电器隔一段时间要通一次电
D.电视机的后盖上有许多散热孔
［分析］电脑机箱中安有电风扇，是为了加快空气流动速度，加快散热，使电脑内产生的热量能及时散出，属于防止电热危害；炎热夏天，连续长时间工作的电视机要停用一会儿，是为了防止产生过多的热量，影响电视机的正常使用，属于防止电热危害；天气潮湿时，长期不用的电器隔一段时间要通一次电，是利用电热来防潮，属于利用电热的例子；电视机的后盖上有许多散热孔，是为了把各电器元件产生的热量及时散出，属于防止电热危害。
［答案］C
三、板书设计
第4节　焦耳定律
1.电流的热效应
电能转化为内能
2.影响电流产生热量的因素
（1）电流的大小
（2）电阻的大小
（3）通电时间
3.焦耳定律
（1）内容
（2）公式：Q=I2Rt
4.电能与电热的关系
（1）纯电阻电路：W=Q
（2）非纯电阻电路：W>Q
5.电热的利用和防止
（1）电热的优点：清洁卫生、无污染、效率高、便于调节温度
（2）电热的利用：电饭锅、电水壶、热水器、电熨斗
（3）防止电热措施：设法散热、加散热窗、加风扇
◇教学反思◇
在探究电热跟哪些因素有关的过程中，从猜想到设计实验，再到得出实验结论，需要引导学生经过认真的思考和讨论来完成实验设计，充分调动学生的学习积极性和创造能力，设计出多种实验方案，并对每一种方案的优缺点进行评估，使学生设计实验的能力得到锻炼，同时也能很好地渗透物理思想。利用焦耳定律进行简单计算，培养学生利用公式解决实际问题的能力，进一步熟悉公式。通过一系列的问题交流，使学生对电热的利用和防止有更深入的认识。
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