人教版-物理人教版物理电功率 第四节电与热 导学案

第4节电与热
学习目标、重点、难点
【学习目标】
1．知道电流的热效应；
2．理解焦耳定律的内容、公式、单位及其运用。

【本节重点】电流产生的热量跟电阻、电流、通电时间的关系。

【本节难点】理解焦耳定律。

运用公式进行简单的计算。

本节知识概览图
新课导引
生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象产生（如图所示）.
电流通过导体产生的热量与哪些因素有关？
教材精华
知识点1 电流的热效应
电流通过导体时电能转化成热，这个现象叫做电流的热效应.
电流热效应的实质：电流通过导体是将电能转化为内能的过程，同时也是电流做功的过程.
2.对不同的用电器来说，在消耗相同电能的情况下，电能转化为内能的多少是不同的.如电炉、电饭锅、电烙铁等用电器就是利用电流的热效应来工作的，在不考虑能量损耗的情况下可以近似认为电能全部转化为内能.但对于电风扇、电冰箱、电视机、洗衣机等用电器，它们的主要目的不是将电能转化为内能，而是转化为其他形式的能量，所以此时消耗的电能
中，只有很少一部分电能转化为内能.
知识点2 焦耳定律
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.
公式：Q＝2I Rt.
符号的意义及单位：
Q——热量——焦耳（J）
I——电流——安培（A）
R——电阻——欧姆（ ）
t——时间——秒（s）
探究实验
【提出问题】电流通过导体时，导体会发热，但电炉工作时，通过电炉丝中的电流和连接电炉的电线中的电流大小是相等的，为什么电炉丝被烧得通红而电线却不热呢？换句话说，电流通过导体产生热量的多少与什么因素有关呢？
【猜想与假设】电流通过导体时产生热量的多少可能与通过它的电流I有关还与导体的电阻R和通电时间t有关.
【设计实验与进行实验】由于电流通过导体时产生的热看不见，这就需要将它“显示”出来.将导体（电阻丝）浸没在带颜色的煤油中，通过煤油吸热温度升高的现象，显示电热；因为电流通过导体时产生热量的多少可能与R，I，t三个量有关，探索此类问题要用控制变量法.
①在电流、通电时间相同的条件下，探究电流通过导体产生的热与电阻的关系：如图8-68所示，A，B两瓶中的煤油的质量和初温都相同，A瓶中铜丝电阻较小，B瓶中的镍铬合金丝电阻较大，将它们串联接入电路，通过它们的电流相同，通电一定时间后，观察到B瓶里温度计示数上升较快.
实验表明：在电流、通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多.
②在电阻、通电时间相同情况下，探究电流通过导体产生的热与电流的关系：如图8-69所示，在通电时间相同的情况下，分别给镍铬合金丝通入大小不同的电流，观察到电流越大，温度计示数上升得越高.
实验表明：在通电时间、电阻相同的情况下，通过的电流越大，产生的热量越多.
③在电阻、电流相同的情况下，探究电流通过导体产生的热与通电时间的关系：在电流相同的情况下，改变镍铬合金丝的通电时间，观察到通电时间越长，温度计示数上升得越高.
实验表明：在电阻、电流相同的情况下，通电时间越长，产生的热量越多.
【实验结论】电流通过导体产生的热量多少与电流的大小、导体电阻的大小和通电时间有关.
【实验要点解析】（1）将不易直接观察的现象通过直观现象再现出来，这种方法叫
转换法，如实验中将电流产生热量的多少通过温度计的示数变化再现出来.
（2）研究某一物理量与另一物理量之间的关系时，应采用控制变量法，因此在探究产生电热多少与电阻大小关系时，必须在电流大小和通电时间相同的情况下比较.
知识拓展 1.纯电阻电路，就是指电路中只有电阻的电路，不含有电动机或电解槽等.从能量转化的角度看，纯电阻电路只将电能转化为热能（内能）.而电动机除将少量电能转化为热能外，电能主要转化为机械能；电流通过电解槽，除将部分电能转化为热能外，还有部分电能转化为化学能.
2.电流通过导体时，如果电能全部转化为热，而没有转化为其他形式的能，那么电流产
生的热量就等于消耗的电能，即2
U Q W Pt UIt t R
====. 3.只有纯电阻电路中，电能才全部转化为热，Q W =才成立.因此2
U Q Pt UIt t R
===只适用于纯电阻电路.如果电路不是纯电阻电路，电流通过时，电能除了转化为热能外，还转化为机械能和化学能等，此时电流产生的热量小于消耗的电能，即Q W <.因此在非纯电阻电路中，计算电流产生的热量只能用2
Q I Rt =，计算消耗的电能（或电流做的功）只能用
.W Pt UIt ==
新课导引解读： 与电流大小、电阻和通电时间有关.
知识点3 电热的利用和防止 重点；理解
电热器：利用电来加热的设备，并且把电能完全转化为热. 电热的利用
如图8-71所示是电热在日常生活中的应用，它们的共同点是：
（1）它们都是用电器，都是用电来加热的设备，都有发热体. （2）它们的原理：都是利用电流的热效应. （3）它们都是把电能转化为热. 电热的防止
在用电器上装有：散热窗、金属片外壳、散热风扇等.如图8-72所示.
课堂检测
1 长短和粗细都相同的铁丝、铝丝、铜丝各一根，串联接到电源上，通电后最热的金属丝是 （ ）
A.铁丝
B.铝丝
C.铜丝
D.一样热
2 小明仔细观察家中的电视机、电风扇、白炽灯和节能灯四种电器，发现它们上面都标有“220V 40W ”的字样，若它们都在额定电压下工作相同的时间，则产生的热量最多的是 （ ）
A.电视机
B.电风扇
C.白炽灯
D.节能灯
3 已知通过甲、乙两电阻丝的电流之比为1：2，电阻之比为2：3，则甲、乙两电阻丝的发热功率之比为 （ ）
A.1：3
B.4：3
C.1：6
D.6：1
4 电炉丝断了，去掉
1
5
后，仍然接在原来的电源两端，则在相同时间内产生的热量与原来产生的热量之比为 （ ）
A.5：4
B.1：5
C.5：1
D.4：5
5 下面是小丽列举的利用电热的实验，其中不正确的是 （ ） A.电视机加散热器 B.用电饭锅煮饭
C.用电熨斗熨衣服
D.用电热孵化器孵小鸡
6 如图8-73所示电路中，电源电压保持不变，电阻1R 的阻值为20Ω，闭合开关S ，电流表1A 的示数为0.3A ，电流表2A 的示数为0.1A ，则电阻2R ＝ Ω；通电10s ，电阻1R 产生的热量为 J.
7 为了研究某种植物在恒温下生长的规律，物理兴趣小组同学设计制作一台如
图8-74所示的恒温箱，箱内安装了一根电热丝，按实际需要，电热丝每秒内应向箱内提供539J 热量（设电能全部转化为热），经选用合适的材料制成后，用220V 的恒定电源供电，测得该 电热丝每秒实际供热1100J ，为了使电热丝供热达到设计要求，在不改变电热丝阻值及电源电压的条件下，应在箱外怎样连接一个电阻元件?通过计算确定这个电阻元件的阻值.
8 用相关物理知识解决下面问题：
（1）由焦耳定律可知，在电流和通电时间相同时，电流产生的热量与 成正比.电炉丝与插头处的导线是串联的，通过的电流和通电时间都相同，而电炉丝的电阻比插头处导线的电阻 ，电流产生的热量较多，因此电炉丝热得发红，而插头处的导线却不很热.
（2）小雨连接了如图8-75所示电路，请在方框内画出它的电路图.
（3）将1R ＝4Ω的电阻和26R =Ω的电阻串联，接在12V 的电源上，求： ①总电阻R ；②电路中的电流I ；③1R 两端的电压1U .
9 小明家买了一台电烤箱，有低、中、高三个挡位的发热功率.如图8-77所示是其内部简化电路图，开关1S 可分别与触点a ，b 接触.已知1R ＝48.4Ω，2R ＝96.8Ω，电源电压保持不变.
请分析和解答以下问题：
（1）当开关1S 置于a 端、2S 闭合时，电烤箱处于 挡位；当开关1S 置于b 端，
2S 断开时，电烤箱处于 挡住（填“高”“中”或“低”）.
（2）电烤箱在中挡位工作时，消耗的电功率是多少？
（3）电烤箱在高挡位工作时，对食物加热6min ，消耗的电能为多少？
体验中考
1 （2009·北京）如图8-80所示的电路中，电源两端的电压U 保持不变.当只闭合开关
1S 时，电压表的示数为1U ，电流表的示数1I 为1A ，电阻1R 消耗的电功率1P 为4W ，电阻2
R 消耗的电功率为2P ，当开关1S ，2S 都闭合时，电压表的示数为2U ，电流表的示数为2I ，电阻2R 消耗的电功数为2P '.已知2212:1:4,:2:1.P P U U '==则：
（1）电流表的示数2I 为多少安？
（2）电源两端的电压U 为多少伏？
（3）当开关1S ，2S 都闭合时，通电5min ，电阻2R 产生的热量为多少焦？
2 （2009·青岛）一只灯泡接在4V 电路中，通过它的电流为0.4A ，通电10s ，则下列说法中正确的是 （ ）
A.灯泡此时的电阻为10
B.灯泡此时的电功率为1.6W
C.电流对灯泡做的功为16J
D.灯丝放出的热量为40J
3 （2010·北京）下列用电器中，利用电流热效应工作的是 （ ） A.电风扇 B.电动机 C.电视机 D.电饭锅
4 （2010·长沙）小宇和小刚想利用如图8-82所示的装置来探究“导体产生的热量与其电阻大小的关系”.两只相同的烧瓶中装有适量的煤油，烧瓶A 中浸泡着一段铜丝，电阻较小；烧瓶B 中浸泡着一段镍铬合金丝，电阻较大，温度计显示煤油的温度.
（1）为保证实验科学合理，两个烧瓶中所装煤油的质量应该 .
（2）实验中，小宇和小刚发现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，导体的电阻越大，产生的热量 .
5 （2010·攀枝花模拟）电吹风是现代家庭的常用电器.如图8-83所示是电吹风的电路原理图，R 是电热丝，M 是带动风扇转动的电动机，某电吹风的主要技术参数如下表所示.
（1）当只闭合1S 时，电吹风正常工作1min 消耗的电能是多少？ （2）当同时闭合12,S S 时，电吹风正常工作，通过R 的电流为多少？
（3）当电吹风正常工作并且吹热风时，1min 内电流通过R 产生的热量是多少？
学后反思
附：课堂检测及体验中考答案
课堂检测
1.答案：A.
2 答案;C.
3 .答案：C.
4答案：A.
5 答案：A.
6 答案：60 18
7 解：在箱外串联一个电阻R'.
∴R热＝
2
U t
Q
2
(220V)1s
44.
1100J
⨯
==Ω
∵W Q
==
串联后电热丝两端的电压为：
539J44
154V.
1s
⨯Ω
==
U热＝
串联电阻的两端的电压为：
U U
'=-U热＝220V-154V＝66V.
应串联一个18.9Ω的电阻.
8 答案：（1）电阻大（2）如图8-76所示. （3）①
12
R R R
=+＝4Ω+6Ω＝10Ω.②
U
I
R
=＝
12V
1.2A.
10
=
Ω
③
11
U IR
=＝1.2A×4Ω＝4.8V.
体验中考
1 解：当只闭合开关1S 时，等效电路如图8-81甲所示，当开关1S 、2S 都闭合时，等效电路如图8-81乙所示
.
（1）由图8-81甲得：
1
121P R I =
＝
2
4W 4.(1A)=Ω. 由图8-81甲、乙得：
2221212222221
4
P I R I P I R I ==='，则1212I I =，解得2I ＝2A.
（2）
1232312222()2
21
I R R R R U U I R R ++===，解得323.R R = 根据电源两端的电压不变，由图8-81甲、乙得：
1123212()(),I R R R I R R ++=+
即1A ×22(43)R R Ω++＝2A ×2(4),R Ω+ 解得22.R =Ω. 根据图8-81乙得：
212()U I R R =+＝2A ×(42)Ω+Ω＝12V ，
（3）由图8-81乙得电阻2R 产生的热量
2
22Q I R t =＝（2A ）2×2Ω×5×60s ＝2400J.
2 答案： ABC. 3. 答案： D.
4 答案：（1）相同（相等或一样） （2）越大（或越多）
5 答案：（1）4800J （2）3.64A （3）48000J。