13.4 电流的热效应
导学目标
1.在观察实验的基础上引出焦耳定律。
2.知道电流的热效应，知道利用和防止电热的场合和方法。
3.理解焦耳定律的内容、公式、单位，并且会运用公式进行简单的计算。
4.知道科学研究中常用的转换法和控制变量法在本节实验中的运用。
5.体会科学探究过程。
重点：流产生的热量跟电阻、电流、通电时间的关系。
难点：理解焦耳定律。
自主学习
一、 电流的热效应
1.电流通过导体时电能转化成________的现象
2.探究电流产生的热量的影响因素
实验方法
①控制变量法。
在电流、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越________。
在电阻、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越________。
在电阻、电流相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越________。
②转换法：电流通过导体时产生热量的多少显示问题——给等量的液体加热，比较膨胀的体积(通玻璃管中液面高度的变化来反映)。
二、 焦耳定律
1.焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成________比，跟导体的电阻成________比，跟通电时间成________比。
2.表达式 __________。
3.电热的利用和防止
(1)电热的利用——电热器
原理：电流的________效应。应用如： 等。
（2）电热的防止
利用 、散热片、风扇吹风等方法加快散热。
合作探究
（一）探究：电流通过导体时产生的热的多少跟什么因素有关。
实验现象：接通电炉丝，用手摸跟电炉丝连接的导线，感觉温度的高低相同吗？
答：
1.提出问题：电炉丝和导线是串联的，电流相同，为什么电炉丝非常热而导线几乎不热呢？
2.猜想：电流通过导体时产生的热的多少可能跟________、________、____________有关。
3.设计方案
注意事项：
（1）.实验方法： 、 ；
（2）.实验器材：如图所示。
(3)怎样做到：
a.探究电热跟电阻的关系， ；
b.探究电热与电流的关系， ；
c.探究电热与通电时间的关系， 。
4.进行实验：
5.分析实验数据，得出结论
（1）在 相同时，通电时间越长，液体温度升高的越高，电流产生的热量越多。
（2）在 相同时，电阻越大，液体温度升高的越高，电流产生的热量越多。
（3）在 相同时，电流越大，液体温度升高的越高，电流产生的热量越多。
（二)焦耳定律
电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的定量关系可用焦耳定律描述。
1.内容是：
表达式为：Q=
公式中子母的含义和国际单位分别是什么？
求I、 R、 t的变形式怎么写？
2.例题：
一台额定电压为220 V的电炉，电炉丝电阻为55Ω，正常工作5 min，电炉丝产生的热量是多少？。
3.列举电热的利用和防止得出实例。
当堂检测
1．如图所示，下列常见电器中不是利用电流热效应工作的是( )
2．某电炉丝电阻为100 Ω，通电10 s产生的热量为4×103 J，则通过电炉丝的电流是( )
A．2 A B．4 A C．20 A D．40 A
3．将阻值为40 Ω的电阻丝接在电源两端，通电10 min，电流产生的热量是1.5×103 J。若将阻值为10 Ω的电阻丝接入同一电源的两端，通电10 min，电流产生的热量是( )
A．1.5×103 J B．3.75×103 J
C．7.5×103 J D．6.0×103 J
4.电风扇、白炽灯、电烙铁三个用电器上都标有“220 V 60 W”字样，正常工作时，相同时间内产生的热量
( )
A．电风扇最多 B．白炽灯最多
C．电烙铁最多 D．三者一样多
5．下列例子中，能防止电热危害的是( )
A．供取暖用的电褥子
B．高空飞行员所穿衣服里的电热保温装置
C．电动机外壳上有许多小孔
D．孵化家禽的电热孵化器
6.电热器是利用电流的________来加热的设备，一台额定电压为220 V的电炉，电炉丝电阻为44 Ω，正常工作10 min，电炉丝产生的热量是________J。
7.小明利用如图所示的装置，探究电流通过导体时产生热量的多少与电阻大小的关系。在两个相同的烧瓶中盛着质量和温度都相同的煤油，煤油中都浸泡着一段金属丝，甲烧瓶中的金属丝是铜丝，电阻比较小，乙烧瓶中的金属丝是镍铬合金丝，电阻比较大。
(1)通电一段时间后，小明发现________烧瓶中温度计的示数大，表明其他条件相同时，导体的电阻越________，产生的热量越多。
(2)本实验使用了控制变量的科学方法：通过两段金属丝串联的方式，控制____________及____________相同；还使用了转换的科方法：把导体产生的热量多少转换成________。为了保证这种转换的科学性，实验中应采取的措施是________________________________。
(3)小明想把该装置改成探究物质吸热能力的实验装置，则他应将其中一个烧瓶中的煤油换成________相同的水，将甲烧瓶中的铜丝换成与乙烧瓶中镍铬合金丝的________相等的镍铬合金丝，并将两个烧瓶中的金属丝做绝缘处理。
我的收获
13.4 电流的热效应
1.在观察实验的基础上引出焦耳定律.
2.知道电流的热效应,知道利用和防止电热的场合和方法.
3.理解焦耳定律的内容、公式、单位,并且会运用公式进行简单的计算.
4.知道科学研究中常用的转换法和控制变量法在本节实验中的运用.
【重点难点】
重点:电流产生的热量跟电阻、电流、通电时间的关系.
难点:理解焦耳定律.
【新课导入】
导入1:情景导入
多媒体展示图片:用电器.
师:这些用电器通电后都有一个共同的现象,想一想是什么?
生:发热.
师:对!这些热量都是通过电能得来的,电流通过导体时电能转化成内能,这种现象叫电流的热效应.本节我们来学习有关电热的知识.
导入2:实验导入
演示实验:将如图所示三个用电器同时接入电路中,一段时间后,让学生感觉体验:电炉丝已经发烫,灯泡有些热,电风扇只是微微有热感.
师:为什么都是用电器,它们产生的热量会有这么大的差别呢?学习了本节内容,你们就明白了.
导入3:设疑导入
师:我们家里都有电饭锅、电熨斗,你们有没有发现这样一个问题,连接它们的电线与它们是串联的,也就是说,通电时,通过导线和用电器的电流是相同的,那为什么当电饭锅、电熨斗发热、发烫时,而这些电线却不怎么热呢?学生产生疑问.
师:通过本节的学习,我们就可以解决这些问题了.
【课堂探究】
一、电流的热效应
1.电流热效应的定义
实验1:灯泡发光一段时间后,用手触摸灯泡,有什么感觉?想想为什么.
实验2:电风扇使用一段时间后,用手触摸电动机部分,有什么感觉?想想为什么.
结论:以上实验表明:电流通过导体时,导体会发热,这种现象叫做电流的热效应.
2.探究:电流通过导体时产生的热的多少跟什么因素有关.
演示实验:接通电炉丝,让学生用手摸跟电炉丝连接的导线,感觉温度的高低.
(1)提出问题:电炉丝和导线是串联的,电流相同,为什么电炉丝非常热而导线几乎不热呢?
(2)猜想:电流通过导体时产生的热的多少可能跟电阻有关.
(3)设计方案
注意事项:
(1)实验方法:
(2)实验器材:如图
(3)怎样做到:
a.探究电热跟电阻的关系;
b.探究电热与电流的关系;
c.探究电热与通电时间的关系.
(4)进行实验.
(5)分析实验数据,得出结论.
在电流和电阻相同时,通电时间越长,液体温度升高得越高,电流产生的热量越多.
在电流和通电时间相同时,电阻越大,液体温度升高得越高,电流产生的热量越多.
在通电时间和电阻相同时,电流越大,液体温度升高得越高,电流产生的热量越多.
二、焦耳定律
电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的定量关系可用焦耳定律描述.
1.内容: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.
2.表达式为:Q=I2Rt.
要求学生说出:公式中字母的含义和国际单位分别是什么?变形公式有哪些?
3.例题:一台额定电压为220 V的电炉,电炉丝电阻为55 Ω,正常工作5 min,电炉丝产生的热量是多少?
三、电热的利用和防止
1.观察:如图所示,(a)是一台电动机,(b)是一台电视机.电动机的外壳制成许多皱折形状,电视机的外壳后有许多孔窗.这种形状或结构对电动机和电视机有什么好处?
2.观察下图,哪些电器是利用电流的热效应来工作的?
1.下列用电器中,利用电流热效应工作的是( B )
A.电视机 B.电热毯
C.电风扇 D.电脑
2.如图所示,把电阻丝和刮去绝缘皮的铜导线串联在由学生电源供电的低压电路中,把两片相同的纸分别绕在电阻丝和铜导线上,通电一段时间后电阻丝使纸片燃烧,而与它串联的铜导线却没有使纸片燃烧,发生这种现象是因为( C )
A.通过电阻丝的电流大,而通过铜导线的电流小
B.铜导线是导体,导体都没有电阻
C.电阻丝的电阻比铜导线的电阻大得多
D.电阻丝的通电时间比铜导线长
3.
在探究电流通过导体时产生热的多少与什么因素有关时,采用了如图所示的实验装置.这是用来探究电流通过电阻丝产生的热量与( B )
A.导体的电阻的关系
B.通过导体的电流的关系
C.导体的长度的关系
D.通电时间的关系
4.将阻值分别为50 Ω和30 Ω的甲、乙两电阻串联后接在电源上,相同时间内,甲、乙两电阻产生的热量之比为 5∶3 ;若将甲、乙两电阻并联后接在同一电源上,相同时间内,电流通过甲、乙两电阻做功之比为 3∶5 .?
5.在探究“电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”的实验中,某同学采取了如图所示的实验装置(两个透明容器中封闭着等量的空气).
(1)实验中通过观察 U形管中液面高度差 变化来比较电流通过电阻产生热量的多少.?
(2)观察图(甲)中的A,B管,在通电时间相等时,发现B管液面上升得高,则表明电流通过导体产生的热量多少与 电阻 有关.?
(3)采用图(乙)实验装置,可以得出结论:在电阻和通电时间相同时, 电流 越大,电路产生的热量越多.?
(4)该实验中用到了控制变量法和 转换 法.?
6.某物理兴趣小组设计并制作了一台恒温箱.恒温箱采用220 V恒定电压供电,箱内装有一根电热丝,恒温箱组装好后,经测量发现该电热丝每秒供热1 210 J.(设电热丝的电阻不随温度改变)求:
(1)该恒温箱的发热功率;
(2)电热丝的阻值.
解析:(1)电热丝每秒供热1 210 J,由电功率的公式P=可知该恒温箱的发热功率P=1 210 W.
(2)由P=变形可得电热丝的阻值
R===40 Ω.
答案:(1)1 210 W (2)40 Ω
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;白炽灯通电后,一会儿热得烫手;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,破坏导线的绝缘性能,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截面积的导线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影响.
一些大功率电子元器件在工作中要发热,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.
