15.4 探究焦耳定律
【课时衔接】
1.(额定电压)灯泡的亮度取决于 ;一盏灯标有“220 V 100 W”是表示
是220 V。
2.(额定功率与实际功率)有一盏“220 V 22 W”的节能灯,正常发光时灯的电阻为
Ω,当实际电压为110 V时,灯的实际功率为 W。(不考虑灯丝电阻的变化)
【基础通关】
3.实验证明,通过导体的电流产生的热量和 、 、 三个因素有关,表达式为Q= 。
4.日常生活中发生的火灾事故,大多是由短路导致的。小星同学猜想:通电导体发热的多少可能与电流大小有关。于是他和同学用完全相同的器材组成两个电路进行探究。开关同时闭合后,调节滑动变阻器使两电路中电流不同,如图甲、乙所示,实验中观察到A瓶中的温度计示数比B瓶高,说明A瓶中煤油吸收的热量比B瓶 。实验表明: 。
5.（教材变式练）电流通过导体,导体会发热的现象叫作电流的 效应,当电流一定时,导体的电阻越大,产生的热量就 。某电热器接在220 V的电源上,其电阻是484 Ω,则通电8 min能产生的热量是 J。
6.下列几组电器中,都是利用电流热效应工作的是 ( )
A.电视机、电灯、电瓶车
B.电烤箱、电风扇、电炉
C.电饭锅、电灯、空调
D.电炉、电烙铁、电熨斗
7.两个电阻R1和R2,且R1A.只用R1
B.只用R2
C.将R1和R2串联
D.将R1和R2并联
【素养提升】
8.如图,这是一电动机提升物体的示意图,电源电压为120 V。电动机将一个质量为50 kg的物体1 s内匀速上提0.9 m,电路中的电流为5 A。(g取10 N/kg)
(1)求该电动机工作1 s所产生的电热。
(2)求电动机线圈阻值。
(3)通过计算说明电动机的转子被卡住的危害。
参考答案
1.实际功率 灯的额定电压
2.2200 5.5
3.电流的平方 电阻 通电时间 I2Rt
4.多 在电阻和通电时间一定时,电流越大,电流产生的热量越多
5.热 越多 4.8×104
6.D
7.D
8.解:(1)由题意可知电动机1 s消耗的电能:
W=UIt=120 V×5 A×1 s=600 J
消耗的电能转化成机械能对物体做功,所以转化成的机械能:
W机=Gh=mgh=50 kg×10 N/kg×0.9 m=450 J
所以转化成的内能,即产生的电热:
Q=W-W机=600 J-450 J=150 J
(2)由Q=I2Rt可得,电动机线圈阻值:
R===6 Ω
(3)电动机正常工作时的发热功率:
P热=I2R=(5 A)2×6 Ω=180 W
电动机被卡住时,电动机可看成是纯电阻电路,此时电动机发热功率为P热'===2400 W,远大于正常工作时的发热功率,短时间电动机温度过高,所以容易烧坏。
215.4 探究焦耳定律(巩固训练)
【课时衔接】
1.(电流热效应)小陈家里有“1000 W”的电饭煲、“500 W”的电熨斗、“1000 W”的电吹风各一个,同时使用时它们之间是 (选填“串”或“并”) 联的。若让它们各自正常工作相同时间, 产生的热量最多, 消耗的电能最少。
2.(焦耳定律)小明家的空调电辅热系统的电阻丝阻值为40 Ω,工作时的电流为5 A,则通电10 s电阻丝产生的热量为 J。
【基础通关】
3.如图甲所示,这是物理实验小组探究“电流通过导体产生热的多少与什么因素有关”的实验装置。两个透明容器中封闭着等量的空气,且都有一段电阻丝。将透明容器与U形管相连,接入电路。
(1)组装之前,U形管内注入适量红墨水,U形管 (选填“属于”或“不属于”)连通器。
(2)图甲是探究在通电时间相同和 相同的情况下,导体产生的热量与 大小是否有关的装置。
(3)实验中通过观察 的变化反映密闭空气温度的变化,在研究许多物理问题时都会用到这种方法,下列研究实例采用的研究方法与此相同的是 。
A.探究电流与电压、电阻的关系
B.用铁屑显示磁体周围磁场分布
C.研究光的传播时,引入“光线”
D.扩散现象表明分子在不停地做无规则运动
(4)由图乙所示,电流表的示数为 A,在这种情况下,右侧容器中定值电阻在10 s内产生的热量是 J。
(5)某实验小组发现通电一段时间后,其中一个U形管中的液面高度几乎不变,发生此现象的原因可能是 。
【素养提升】
4.计算电流通过电风扇产生的热量,下面公式选用正确的是 ( )
A.UIt B.t
C.I2Rt D.前面三个都可以
5.（素养拓展练）如图,这是探究“电流通过导体时产生热量与哪些因素有关”的实验装置,两个透明容器中密封着初温、质量相同的空气。
(1)利用甲装置可探究电流产生的热量与 的关系,通电一段时间后, (选填“左”或“右”)侧容器相连的U形管中液面的高度差较大。
(2)乙装置中的电阻R3的作用主要是使电阻R1和R2中的电流 (选填“相等”或“不相等”)。
(3)通过观察乙装置, (选填“左”或“右”)容器中导体产生的热量较多。由此可知,在电阻和通电时间相同时,电流越 (选填“大”或“小”),导体产生的热量越多。
(4)乙装置中,如果R3断路,在通电时间相同时,与R3没有断路时相比较,U形管中两侧液面的高度差将 (选填“变大”、“变小”或“不变”)。
6.小亮家里的一款迷你电饭锅,电路图如图所示,额定电压为220 V,电饭锅有加热和保温两挡,“加热”时额定功率为550 W,发热电阻R1和R2阻值不随温度变化,电阻R1在“保温”状态和“加热”状态时功率之比为1∶400。
(1)正常“加热”状态,通过电饭锅的电流是多少
(2)正常“加热”状态,通电10 min产生的热量是多少
(3)R2的阻值是多少
7.小明家的电热饮水机,有加热和保温两种工作状态,饮水机热水箱内水温达到92 ℃时开关S1自动断开,处于保温状态;当水温降至一定温度t时,S1又闭合重新加热。饮水机的铭牌数据如下,电路原理图如图所示。
热水箱 水量 额定 电压 加热时 功率 保温时 功率 加热 效率
2 kg 220 V 440 W 40 W 91%
(1)求电阻R1的阻值。
(2)求正常加热时通过饮水机的电流。
(3)在无人取水情况下,饮水机重新加热一次的时间为5 min,则加热一次消耗的电能是多少 在无人取水情况下,下降到多少℃开始重新加热 [c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
参考答案
1.并 电饭煲 电熨斗
2.1×104
3.(1)属于
(2)电流 电阻
(3)U形管液面高度差 BD
(4)2 200
(5)透明容器密闭性不好
解析:(1)由图甲知,U形管内注入适量红墨水,上端开口,下端相连通,所以属于连通器;
(2)由图甲知,阻值不同的电热丝串联在两个密闭容器中,通过的电流和通电时间都相同,所以探究的是电流产生的热量与电阻的关系;
(3)电流通过导体产生热量的多少不能直接观察,但空气温度的变化可以通过液面高度差的变化来反映,采用的是转换法;
A.探究电流与电压、电阻的关系,采用的是控制变量法;
B.用铁屑显示磁体周围磁场分布,采用的是转换法;
C.研究光的传播时,引入“光线”,采用的是模型法;
D.扩散现象表明分子在不停地做无规则运动,采用的是转换法;故选BD;
(4)由图乙知,电流表选择的是0~3 A量程,对应的分度值是0.1 A,电流表示数为2 A;
右侧容器中定值电阻在10 s内产生的热量是Q=I2Rt=(2 A)2×5 Ω×10 s=200 J;
(5)由Q=I2Rt可知,电阻丝R1和R2在相同时间内产生的热量不同,则U形玻璃管中应该出现液面高度差;而其中一个U形玻璃管中液面高度几乎不变,说明与此相连的透明容器有可能漏气,也可能是对应的容器内的电热丝短路。
4.C
5.(1)电阻 右
(2)不相等
(3)左 大
(4)变小
6.解:(1)加热时的电流:
I===2.5 A
(2)通电10 min产生的热量:
W=Pt=550 W×10×60 s=3.3×105 J
(3)由I=得R1的电阻:
R1===88 Ω
当开关S断开时,电路中电阻R1和R2串联,电路的电阻最大,根据P=可知,此时为保温状态,“保温”状态时R1的功率与“加热”状态时R1的功率之比为1∶400,故R1∶R1=1∶400;I保∶I加=1∶20
即∶=1∶20
解得R2=1672 Ω
7.解:(1)当开关S闭合,S1断开时,饮水机为保温状态,则电阻R1的阻值:
R1===1210 Ω
(2)当开关S、S1闭合时,R1、R2并联,饮水机为加热状态,此时通过饮水机的电流:
I===2 A
(3)加热一次消耗的电能:
W=P加t=440 W×5×60 s=1.32×105 J
加热一次水吸收的热量:
Q吸=W·η=1.32×105 J×91%=1.2012×105 J
需要下降的温度:
t-t0===14.3 ℃
开始重新加热的温度:
t0=92 ℃-14.3 ℃=77.7 ℃
2
