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第十五章 电功和电热
第3节 电流的热效应 焦耳定律
1.知道电流的热效应及其应用。
2.通过实验探究，知道影响电流热效应的因素。
3.理解焦耳定律的内容。
4.掌握焦耳定律的公式、计算及应用。
想一想
①导线和电熨斗串联，为什么电熨斗很热而导线并不很热？
②点亮的白炽灯泡过一会儿会烫手，说明什么？
电流的热效应：导体中有电流通过时会发热，电能转化为内能，这种现象称为电流的热效应。
生活中，有许多用电器就是利用电流的热效应工作的，如电饭锅、 电烙铁、电熨斗和电热油汀等，如图所示。利用电流热效应工作的用电器称为电热器。
电饭锅
电烙铁
电熨斗
电热油汀
知识点一、电流的热效应
电流热效应也有不利甚至有害的一面。例如，手机、计算机、电视机等用电器，工作时由于电流热效应而发热，不仅浪费电能，还可能会因温度过高而损坏，甚至会引发安全隐患。
电流热效应的危害
电热器只有在通电时才发热，它们产生的热量 应该与电流有关。
电饭锅是通过导线接入电路的。通电时，内部发热体温度很高，而导线却几乎不发热。它们产生的热量可能与电阻有关。
猜一猜：通电导体产生热量的多少可能与哪些因素有关
你赞成小明和小华的猜想吗 是否还有其他影响因素 怎样探究
知识点二、影响电流热效应的因素
装置与原理
如图15-12所示，将一段电阻丝浸没在一定质量 的液体(如煤油)中，通电时电阻丝产生的热量被液体吸收，因此我们可以通过液体温度的变化来比较电阻丝产生热量的多少。
图15- 12 实验装置
转换法
活动15 .2 探究影响电流热效应的因素
想一想
1.探究电阻丝中的电流大小对产生热量多少的影响时，需要控制哪些物理量不变 如何进行控制
2.探究电阻丝的电阻大小对产生热量多少的影响时，需要控制哪些物理量不变 如何进行控制
电阻，通电时间
电流，通电时间
如：通过滑动变阻器改变电流，通电时间相同。
如：不同电阻值的电阻丝串联，通电时间相同。
做一做
1.参照图15-12,在三个相同的容器中分别安装一段电阻丝R 、R 、R , 阻值分别为6Ω、6Ω、3Ωc
2.按图15-13所示的电路图连接电路， 采用学生电源为电路供电。记录各容器中液体的初温。
图15-13 实验电路
3. 闭合开关 S 、S1, 调节滑动变阻器R , 使电流表的示数为1.5A, 分别记录2min 、4min 时电阻丝 R 所在容器中液体的温度。断开开关，分别算出液体升高的温度。
4. 闭合开关 S 、S , 调节滑动变阻器R , 使电流表的示数为1A, 分别记录4min 时电阻丝R 、R 所在容器中液体的温度。断开开关，分别算出液体升高的温度。
议一议
1.在步骤3中，通过电阻丝R的电流一定，两次通电时间不同，液体升高的温度不同。由此你能得出什么结论
2.在步骤3和步骤4中，阻值相同的电阻丝R 、R 通电时间(4min) 相同，通过的电流不同，液体升高的温度不同。由此你能得出什么结论
3.在步骤4中，阻值不同的电阻丝R 、R 通电时间相同，通过的电流相同，液体升高的温度不同。由此你能得出什么结论
电流，电阻一定时，通电时间越长，导体产生的热量越多。
电阻，通电时间一定时，电流越大，导体产生的热量越多。
电流，通电时间一定时，电阻越大，导体产生的热量越多。
实验表明，电流越大，电阻越大，通电时间越长，导体产生的热量越多。
电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。 这个规律叫作焦耳定律。
Q = I2 R t
热量 电流 电阻 时间
J A Ω s
物理量：
单位：
内容：
1.
公式：
2.
焦耳通过大量实验研究，于1840年发现了电流通过导体时产生的热量与电流、电阻、通电时间的关系：
知识点三、焦耳定律
小明发现将电饭煲接入家庭电路通电后，电饭煲温度逐渐升高将饭煮熟，但与电饭煲连接的导线却几乎不热，你能帮助小明解释其中的原因吗
导线和电饭煲串联，电流、通电时间都相同，而电饭煲加热盘的电阻比导线的电阻大得多，根据Q=I2Rt可知，电流通过电饭煲产生的热量多，因此电饭煲热而导线却不热.
思考
小明发现家里的空调、电饭锅等大功率家用电器的电源线明显比台灯等小功率家用电器的电源线粗，这是为什么？
空调、电饭锅等功率较大的用电器，工作时通过导线的电流较大，如果导线横截面积过小，导线电阻就会过大，在一定时间内电流通过导线产生的热量越多，容易引起火灾等安全事故.
思考
当电动机通电但电动机不转时，消耗的电能只会让电动机线圈发热，
(相当于纯电阻电路)
当电动机工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，同时，电动机线圈也会发热：
电能(W ) 内能(Q)+机械能(E)
W = UIt
Q =I2Rt
E=W–Q
此时，W =UIt=Q=I2Rt .
有关电动机的电热讨论
拓展
电能
用电器
内能
机械能
其他
W = UIt
Q = I2Rt
电风扇、电视机等非电热用电器：
W>Q= I2Rt
电暖器，电饭煲等电热用电器：
此时： Q=W=UIt =
U2
R
= I2Rt
t
电热器工作时，电能几乎全部转化为内能，可以认为电热器产生的热量等于电流做的功，因而也可以用Q=W=UIt 计算它产生的热量。而其他用电器工作时，只有一部分电能转化为内能，产生的热量小于电流做的功。 例如，电动机工作时大部分电能转化为机械能，此时只能根据焦耳定律计算电动机中电阻产生的热量。
例题：某电热器接入220V 的电路中正常工作时，其发热体的电阻为55Ω。求该电热器在20min内产生的热量。
分析：根据已知条件，可以先由欧姆定律计算出通过发热体的电流，再由焦耳定律计算出电热器在20min 内产生的热量。
解答：通过发热体的电流
该电热器在20 min 内产生的热量
Q=I Rt =(4A) ×55 Ω×20×60s =1.056×10 J
反思：本题可以按照Q=W=UIt 的思路求解吗
电功 电功率 焦耳定律 适用范围
基本 公式
导出 公式
电功、电功率和焦耳定律计算公式对比
U2
R
t
W=
=I Rt
W
t
P=
=UI
U2
R
P=
=I R
W=UIt =Pt
Q=I Rt
Q =UIt = =Pt
U2
R
t
适用于纯电阻电路W=Q
普遍适用
芯片体积小、内部元件密集，电流产生的热量不易散发。如果不采取有效的散热措施，芯片会因温度过高而影响工作性能甚至损坏。
计算机的中央处理器 (CPU) 芯片、显卡的图形处理器 (GPU) 芯片，通常都装有散热器。散热器一般由电扇和散热片组 成，如图15-14所示。CPU或 GPU芯片通过导热性能良好的铜片 与散热片接触，产生的热量能迅速传导到散热片上。散热片与空气的接触面积大，加之电扇对其吹风，促进空气流通，从而达到散热的目的，将芯片的工作温度控制在允许范围内。
图15-14 芯片的散热器
生活 物理 社会 芯片的散热
随着新材料和新技术的应用，超薄计算机、手机等小型电子设备芯片的散热措施有了更多的选择。例如，采用石墨散热片，不仅散热效果好而且能有效防止芯片局部过热；或者将导热凝胶覆盖在芯片表面，使芯片与散热部件充分接触，从而提高散热效率；此外，还有一种真空腔均热板装置，它类似于一个微型“空调”,通过内部工作物质汽化、液化的不断循环进行散热。
内容
公式
电功、电热有关计算公式及其适用范围
电流的热效应
焦耳定律
电流的热效应
概念
电热器
电流的热效应的危害
影响电流热
效应的因素
转换法、控制变量法
实验设计
影响电流热效应的因素:电流、电阻、通电时间
焦耳定律
物理量 — 对应的单位
应用
1.图所示的几种用电器正常工作时，不是利用电流的热效应工作的是（ ）
A．电热水器 B．电风扇 C．电饭锅 D．电烤箱
C
A B C D
2.如图是探究“影响电流热效应的因素”的实验装置，电阻丝R1和R2分别密封在两只完全相同的烧瓶中，且R1＞R2，瓶中装有质量相等的煤油。开关闭合，电路接通一段时间后，下列对两烧瓶的对比分析和判断正确的是（　　）
A．因为通过两电阻丝的电流相等，所以两电阻丝两端的电压相等
B．因为通过乙瓶电阻丝的电流大，所以乙瓶的温度计示数变化快
C．因为甲瓶中煤油的比热容要小，所以甲瓶的温度计示数变化快
D．因为甲瓶中电阻丝产生的热量多，所以甲瓶的温度计示数变化快
D
3.两个电热器的阻值之比为 2:5，把它们并联起来接入电路中，相同时间内它们产生的热量之比是 ( )
A . 5 : 2 B . 2 : 5
C . 4 : 25 D . 25 : 4
A
A.本实验采用的研究方法有“控制变量法”和“转换法”
B.通电后会发现在相同时间内乙产生的热量是丙产生热量的2倍
C.若要探究导体的电阻对电热的影响，应该选择观察甲、乙
D.图丙中外接 5Ω电阻的作用是改变流过电阻 E 的电流，使通过电阻 A 、E 的电流不同
4.利用图中 5 个阻值相等的电阻完成“焦耳定律”的探究实验， 以下说法错误的是 ( )
B
5 .如图甲所示将小灯泡 L和电阻 R接入电路中，图乙是小灯泡 L和电阻R的I -U图像。同时闭合开关S1 、 S2 时， 电流表示数为 0.7A 。下列说法正确的是 ( )
A.电源电压为 4V
B.小灯泡电阻为 10Ω
C.小灯泡 L 和电阻 R 电功率之比为 2 ∶5
D.在 5min 内电阻 R 产生的热量为 120J
D

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