15.3 电热器 电流的热效应 第7课时 学案

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第7课时 电热器 电流的热效应
预习目标
1．认识电流的热效应，知道一般电热器的发热原理．
2．通过实验探究，知道电流通过导体所产生的热量与哪些因素有关，进一步体会控制变量法的运用．
3．理解焦耳定律，能应用公式变形得到焦耳定律的变形公式，了解变形公式的适用条件．
4．能应用焦耳定律及公式解决一些简单的问题．
教材导读
一、电热器
认真阅读教材P13“电热器”的内容，完成下列填空．
1．由于导体具有_______，所以当有电流通过时，导体会_______，将电能转化为_______能，这种现象称为电流的_______效应，电流产生的热量简称_______．
2．电热器主要是利用______________工作的装置，如_______、_______、_______等都是电热器．
3．电热器的主要部件：发热体和绝缘部分．发热体是用电阻率_______（大／小），熔点_______（高／低）的合金丝制成的，它的作用是让电流通过它时产生_______．它绕在绝缘材料上，绝缘部分的作用是将发热体与电热器的外壳隔绝起来，防止_______．
二、探究影响电流热效应的因素
认真阅读教材P13～P15“影响电流热效应的因素”的内容，完成下列填空．
1．提出问题
教材中提出的探究问题是_________________________________________________．
2．科学猜想
(1)教材P13小明的猜想是电热器所产生的热量与电流有关，他猜想的依据是_______
____________________________________________________________________________．
(2)教材P13小华的猜想是电热器所产生的热量与_______有关，她猜想的依据是____
____________________________________________________________________________．
(3)你还能猜想：电热器所产生的热量与_______有关，你猜想的依据是____________
____________________________________________________________________________．
3．设计实验_______、
(1)由于电热器通电所产生的热量可能与多个因素（如_______ 、_______和_______ ）有关，所以，同学们在实验中应当采用______________去探究．
①如探究电热器产生热量的多少与电阻的关系，则在实验中要保持电流相等和通电时间一定，可以将两个阻值_______（相同／不同）的电阻_______（串联／并联）在电路中，
②如探究电热器产生热量的多少与电流的关系，则在实验中要保持电阻相等和通电时间一定，只要在电路中串联一个_______，调节_______ 就可以改变电流的大小了．
(2)如何显示通电导体产生热量的多少？教材中给出的办法(观察教材中图15－10)是将一段_______浸没在一定质量的液体（如煤油）中，通电时_______产生的热量就会被液体_______，液体的温度就会_______，导体产生的热量越_______，液体吸热后温度的升高也越_______．因此，我们可以通过比较_______质量、_______液体的_______变化量来比较_______．
4．进行实验与收集实验数据
(1)按如图(a)所示的实物图，在图(b)的虚线框中画出其电路图．
(2)肖慧同学按照如图(a)所示的实验装置进行实验，她在甲、乙两个瓶子里装质量_______的煤油，瓶内各安装一根电阻丝，两瓶中电阻丝的电阻分别为R甲＝10 Ω、R乙＝20 Ω．两瓶中各插入一支温度计，她在测量并记录两瓶煤油的温度后，闭合开关，通电30 s后，再记录两瓶煤油的温度，得到温度的升高量．把通电时间和温度升高量填在表中（如表1、表2所示），这就是表中的第一组和第三组数据．然后，她将通电时间改为60 s，重复这个实验，获得第二组和第四组数据．
随后，她调节滑动变阻器，使电路中的电流增大为原来的2倍，重新进行相同的实验，记录两瓶煤油温度的升高量和加热时间的数据如表3、表4所示．
5．请你根据肖慧同学的实验数据，帮她归纳实验结论．
(1)对比第一组与第二组（或第三组与第四组、或第五组与第六组、或第七组与第八组）数据，可得出结论一：同一导体在通电_______不变时，产生的热量与_______成正比．
(2)对比第一组与第五组（或第二组与第六组、或第三组与第七组、或第四组与第八组）数据，可得出结论二：同一导体在通电____相等时，产生的热量与通电电流的____成正比．
(3)对比第一组与第三组（或第二组与第四组、或第五组与第七组、或第六组与第八组）数据，可得出结论三：在通电______和通电_____相等时，产生的热量与导体_____成正比．
6．实验结论
电流通过导体时产生热量的多少与导体的______、通过导体的______和______有关．
三、焦耳定律
认真阅读教材P15“焦耳定律”的内容，完成下列填空．
1．英国物理学家_______经过多年的研究，做了大量的实验，在1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和时间的关系：电流通过某段导体时产生的_______，与通过这段导体的电流的_______成正比，与这段导体的_______成正比，与通电的_______成正比，这个规律叫做
2．焦耳定律的公式
(1)决定式：Q＝_______，该公式普遍适用，即无论电流通过导体时除了发热是否还有其他形式的能量产生，发热这一部分产生的能量都可用这一公式计算．
(2)推导式：对于纯电阻用电器（即电能全部转化为内能来发热，而不转化为其他形式能量的用电器），Ω＝W＝UIt＝t；但对于非纯电阻用电器，Q_______（>／＝/<）w，因为，在一些情况下，电流所做的功只有_______转化为内能，例如，电流通过电动机做功时，大部分电能转化为_______，而仅有少量的电能转化_______，所以，电热的推导式Q＝W＝UIt＝t仅适用于纯电阻电路．
四、电热的危害
认真阅读教材P16“生活·物理·社会”中的内容，完成下面的填空．
电流通过用电器时产生的热量过多，温度过高，超过一定限度就会_______用电器，所以在电动机、计算机的CPU等用电器上都装有_______装置，
例题精讲
例1 小明仔细观察家中的电视机、电风扇、白炽灯和节能灯，发现它们上面都标有"220V 40 W”的字样，若它们都在额定电压下工作相同的时间，则产生热量最多的是( )．
A．白炽灯 B．节能灯 C．电风扇 D．电视机
提示：四种用电器的额定电压和额定功率都相同，根据W＝Pt可知，它们在额定电压下工作相同的时间，电流做功相同，但电流做功转化的形式不同．白炽灯将电能主要转化为内能和光能，白炽灯属于电热器；而节能灯将电能绝大部分转化为光能，少部分转化为内能；电风扇将电能绝大部分转化为机械能；电视机将电能绝大部分转化为光能和声能，所以节能灯、电风扇、电观机都不属于电热器．
解答：A
点评：本题主要考查各种用电器的能量转化形式．同学们在判断此类问题时，应注意电功的实质，电热器是将电能全部转化为内能的装置．
例2 一只标有“220 V 500 W”的电炉，正常使用时，每分钟放出的热量是______J．
提示：本题中因为电流通过电炉时，将电能全部转化为内能，所以计算电流通过电炉时产生的热量，不仅可以用Ω＝I2Rt来计算，还可以用Q＝W＝Pt＝UIt＝t等公式进行计算．分析本题条件，发现用Q＝Pt计算最为简便，即Ω＝W＝Pt＝500 WX 60 s＝3×104 J．
解答：3×104
点评：同学们在解答电热有关的计算题时，要结合题目要求，灵活地运用电热计算的基本公式Q＝I2Rt及推导式Q＝W＝Pt＝UIt＝t．
例3 如图所示的电动机是一种使用广泛的动力机械，从能量转化的
角度看，它主要是把电能转化为机械能，还有一部分能量在线圈中以热量
的形式散失掉．现有一台电动机，当电动机两端加220 V电压时，通过电动
机线圈的电流为50 A．求：
(1)1 min内该电动机消耗的电能是多少？
(2)若该电动机线圈的电阻是0.4 Ω，则线圈每分钟产生的热量是多少？
(3)这台电动机1 min内所做的机械功是多少？
提示：电动机是非纯电阻性用电器，它在正常工作时消耗的电能、产生的电热，只能用普遍适用的公式进行计算，即只能用W＝UIt、Q＝I2Rt这些公式进行计算，在选准公式计算前，要注意统一单位，本题中时间的单位要换成s．
解答：(1)消耗的电能W＝UIt＝220 V×50 A×60 s＝6.6×105 J．
(2)产生的热量Q＝I2Rt＝(50 A)2×0.4 Ω×60 s＝6.0×104 J．
(3)所做的机械功W机＝W－Q＝6.6×105 J－6.0×104 J＝6.0×105 J．
点评：从题中结果可以看出，电流通过电动机所做的功不等于它在1 min内放出的热量，这是因为电动机在工作的过程中主要是将电能转化为机械能．但由于内部有电阻，必然要产生热量，但转变成内能的部分只占消耗总能量中很少的一部分，因此在用焦耳定律进行计算时，要注意公式的适用条件．
例4 电熨斗通电一段时间后变得很烫，而连接电熨斗的导线却不怎么热，这主要是因为 ( )
A．导线的电阻远小于电熨斗电热丝的电阻，导线消耗的电能很少
B．通过导线的电流小于通过电熨斗的电流
C．导线散热比电熨斗快
D．导线的绝缘皮隔热
提示：导线的电阻很小，电熨斗的电阻很大，在电路中，导线和电熨斗是串联的，电流和通电时间相同，由焦耳定律公式Q＝I2Rt可知，当I和t相同时，R越大，产生的热量越多，故电流通过电熨斗产生的热量比导线产生的热量大得多．
解答：A
点评：同学们在解本题时要注意“导体的电阻越大，导体产生的热量越多”这句话不完全正确，要注意它成立的条件是“在电流和通电时间都相同时”．
例5 以下实例中，不属于利用电热的是 ( )
A．用电饭锅煮饭 　　　　　　 B．用电熨斗熨衣服
C．用电烙铁焊接 　　　　　　 D．在电视机外壳上开散热窗
提示：开散热窗主要是为了减少电流热效应对用电器的损害．
解答：D
点评：对于电热器来说，我们要利用电热，故电热是有用的；对于非电热器来说，我们不需要它来产生电热，故电热是有害的，
例6　小明和小红想利用如图所示的装置探究“导体产生的热量与电阻大小的关系”．两瓶煤油中都浸泡着一段金属丝，烧瓶A中的金属丝是铜丝，电阻比较小，烧瓶B中的金属丝是镍铬合金丝，电阻比较大．实验时用温度计来显示煤油的温度．
(1)这两个烧瓶中所盛煤油的质量应该_______．
(2)小红问小明：“水比较容易获得，干嘛不用水代替煤油．”对于这个问题，小明和他的同学给出了下列四种答案，你认为合理的是 ( )
A．因为煤油有颜色便于观察 　　　　B．因为煤油有比较大的热值
C．因为煤油有比较小的密度 　　　　 D．因为煤油有比较小的比热容
(3)实验中，小明和小红发现B烧瓶中温度计的示数升高得快．这表明，在电流和通电时间相同的情况下，导体的电阻越_______ ，产生的热量越多．
提示：在如图所示的装置中，因为铜丝与镍铬合金丝串联，所以闭合开关后，两者的电流和通电时间相同，电流通过它们做功，消耗的电能转化为内能，产生电热的多少只与电阻的大小有关．实验中产生的电热传递给瓶中的煤油，煤油吸热升温，根据Ｑ＝cm△t，可知，为了用△t的大小显示Q的大小，应控制两瓶中煤油的质量相等，根据△t＝可知，由于c煤油△t水，即在相同的时间内，盛煤油比盛水的瓶中的温度计的示数上升的值大，便于观察和比较，
解答：(1)相等　(2)D　(3)大
点评：为了探究电热与电阻大小之间的关系，在本实验的装置中应控制相同的因素有电流、通电时间、液体的种类和质量、温度计的型号等．本题着重考查了控制变量法、转换观察法、比较法和归纳法等科学方法．
热身练习
1．小李同学自制了一个简易“电热驱蚊器”，它的发热元件是一个阻值为1.0×104Ω的电阻．将这个电热驱蚊器接在电压为220 V电源的两端时，100 s内产生的热量为______J．
2．一个10 Ω的电阻，通过它的电流为1A，通电10 s产生的热量为_______J；一只“220 V 440 W”的电烙铁，在额定电压下使用，1 min产生的热量是_______J．
3．近年来，我国城乡许多地区进行了供电线路改造，改造的内容之一就是把电线换成更粗的，使它的电阻_______，电流在导线上产生的热量_______，在线路改造时，还把电能表换成额定电流更大的，改造后家庭中可以使用的用电器的总功率将_______。
4．要使电热器在单位时间内供热减少一半，以下方法中，正确的是 ( )
A．电阻丝不变，把加在它两端的电压减少一半
B．电阻丝不变，把通过它的电流减少一半
C．保持电压不变，把电阻丝的电阻减小一半
D．把电热器的电阻和加在它两端的电压均减小一半
5．假设所有导体都没有电阻，当用电器通电时，下列说法中正确的是 ( )
A．电热杯仍然能加热 B．电风扇仍然能转动
C．电饭锅仍然能烧饭 D．电熨斗仍然能熨衣服
6．为了探究“影响电热的因素”，实验室准备了两个装满煤油的烧瓶、两个带有橡皮塞的粗细均匀的相同玻璃管、两根不同阻值的电阻丝以及滑动变阻器、开关、导线、电源等．两个实验小组根据提供的实验器材，分别设计了如图甲、乙所示的两个方案．
(1)这两个方案的共同点是通过观察______________知道电热的多少．
(2)甲方案探究的问题是____________________________________________________．
(3)乙方案探究的问题是____________________________________________________．
7．一台电风扇的电动机的额定功率为6.6 kW，电动机线圈的电阻为0.2 Ω，接在220 V电源上，求：
(1)1 min内电流做了多少功？
(2)2 min内电流通过电动机产生的热量是多少？
参考答案
1．484 2．100 26400 3．变小 变小 变大 4．D 5．B 6．(1)玻璃管中液面的高度 (2)在电流一定时，电热与电阻的关系 (3)在电压一定时，电热与电阻的关系 7．(1)3.96×105 J (2)2.16×104 J
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