第四節(jié)科學(xué)探究:電流的熱效應(yīng)

【體驗】電流的熱效應(yīng)

活動:在電飯鍋內(nèi)裝入等質(zhì)量的初溫相似的水,加熱。觀察電飯鍋中的水及其導(dǎo)線的發(fā)熱狀況?；顒?:加熱兩分鐘,用溫度計測量鍋內(nèi)水的溫度,并用手摸導(dǎo)線感受其溫度?；顒?:加熱五分鐘,用溫度計測量鍋內(nèi)水的溫度,并用手摸導(dǎo)線感受其溫度?；顒?:加熱十分鐘,用溫度計測量鍋內(nèi)水的溫度,并用手摸導(dǎo)線感受其溫度。(1)對比三次活動中溫度計示數(shù)的變化,可看出,隨著通電時間的加長,鍋內(nèi)水的溫度越來越(選填“高”或“低”)。(2)對比在相似時間內(nèi),電飯鍋和導(dǎo)線的溫度,可看出,在相似時間內(nèi),產(chǎn)的熱多。提示:(1)高(2)電飯鍋1.電流產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)?有什么關(guān)系?2.焦耳定律的內(nèi)容和公式分別是什么?探究1電流產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)

結(jié)合“體驗”,思考下列問題:1.電流的熱效應(yīng):通過“體驗”可知,電流通過導(dǎo)體時,將能轉(zhuǎn)化為能,導(dǎo)體發(fā)熱。這種現(xiàn)象即為電流的熱效應(yīng)。提示:電流的熱效應(yīng)是指電流通過導(dǎo)體時,將電能轉(zhuǎn)化成熱(內(nèi))能。參考答案:電熱(內(nèi))2.猜想與假設(shè):通過體驗和日?，F(xiàn)象,電流的熱效應(yīng)與、、有關(guān)。提示:由體驗可看出,通電時間越長,產(chǎn)熱越多;電阻越大,產(chǎn)熱越多,故導(dǎo)體的產(chǎn)熱多少與通電時間和電阻大小有關(guān)。根據(jù)生活現(xiàn)象,普通通過導(dǎo)體的電壓越大,它的電流越大,導(dǎo)體發(fā)熱也越多,故還能夠猜想電流的熱效應(yīng)與通過導(dǎo)體的電流有關(guān)。參考答案:通電時間電阻大小電流3.實驗辦法:和。提示:導(dǎo)體產(chǎn)熱與多個因素有關(guān),為了確保探究的精確性,應(yīng)采用控制變量法。由體驗可知,導(dǎo)體產(chǎn)熱的多少是通過用溫度計測量水的溫度變化看出來的,因此還用到轉(zhuǎn)換法。參考答案:控制變量法轉(zhuǎn)換法4.測量器材:實驗中為了明顯觀察到導(dǎo)體產(chǎn)熱的變化,因此應(yīng)選用的液體是;為了方便研究產(chǎn)熱多少與電流大小的關(guān)系,還應(yīng)選用的器材是_____________。提示:液體的比熱容越小,吸取相似的熱量,溫度升高得越明顯;在電壓一定時,電阻越大,電流越小,所覺得了方便變化電流大小,可選用滑動變阻器接入電路。參考答案:煤油滑動變阻器5.實驗設(shè)計及分析:(1)探究電流熱效應(yīng)與通電時間的關(guān)系①思路:需控制

、

不變,改變

。參考答案:電阻電流通電時間②總結(jié)結(jié)論:實驗中發(fā)現(xiàn),通電時間越長,瓶中的溫度上升得越高,闡明了。提示:同一種瓶中的電阻不變,通過電阻的電流不變,通電時間越長,溫度計示數(shù)變化越大,表明電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟通電時間有關(guān)。參考答案:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟通電時間有關(guān),通電時間越長,產(chǎn)生的熱量越多(2)探究電流熱效應(yīng)與電流的關(guān)系①思路:需控制、不變,變化。參考答案:電阻通電時間電流②根據(jù)探究目的連接電路提示:根據(jù)探究思路,要探究電流熱效應(yīng)與電流的關(guān)系,需控制電阻和通電時間相似,變化電流,故通過調(diào)節(jié)滑動變阻器連入電路的阻值,變化電流。參考答案:如圖所示③總結(jié)結(jié)論:實驗中發(fā)現(xiàn),電流越大,溫度上升越明顯,由此得出結(jié)論。提示:調(diào)節(jié)滑動變阻器,使滑動變阻器的電阻不同,電流不同,加熱相似的時間,發(fā)現(xiàn)電流大的煤油溫度升高得多,闡明產(chǎn)生的熱量跟電流有關(guān)。參考答案:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流有關(guān),電流越大產(chǎn)生的熱量越多(3)探究電流熱效應(yīng)與電阻的關(guān)系①思路:需控制

、

不變,改變

。參考答案:電流通電時間電阻②根據(jù)探究目的連接電路。提示:根據(jù)探究思路可知,需控制電流和通電時間相似,故需要使兩個電熱絲串聯(lián),且確保兩個電熱絲的材料不同,才干變化電熱絲的電阻。參考答案:如圖所示③總結(jié)結(jié)論:實驗中發(fā)現(xiàn),電阻越大,溫度上升越明顯,由此得出結(jié)論________________________________________________。提示:兩個電阻串聯(lián),通過兩個電阻的電流相等,在相等的時間內(nèi),電阻大的電熱絲放出的熱量多,闡明電流產(chǎn)生的熱量跟電阻有關(guān)。參考答案:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電阻有關(guān),電阻越大產(chǎn)生的熱量越多6.交流與評定:(1)在實驗中,滑動變阻器的作用是:①__________________________________________________;②__________________________________________________。提示:把滑動變阻器接入電路,增大了電路中的電阻,能夠限制電路中的電流,有保護電路的作用;另外,選用兩個阻值相似的電阻,各串聯(lián)一種滑動變阻器,通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值,在相似的時間內(nèi)通過大小不同的電流,比較使質(zhì)量相似的同種液體溫度升高的狀況,判斷電阻產(chǎn)生熱量的多少。參考答案:①保護電路②變化電阻中的電流(2)實驗中為什么選用煤油而不是水?提示:由于煤油的比熱容比水的比熱容小,吸取相似的熱量后,煤油升高的溫度高,實驗現(xiàn)象明顯。參考答案:煤油的溫度變化明顯探究2焦耳定律

1.填一填:(1)通過“探究1”可知,電流產(chǎn)生的熱量與通電時間、電流大小和導(dǎo)體的電阻都有關(guān),具體關(guān)系是電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量跟

成正比,跟

成正比,跟

成正比,這個規(guī)律就叫做焦耳定律。參考答案:電流的二次方導(dǎo)體的電阻通電時間(2)如果用Q表達電流流過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量,I表達導(dǎo)體中的電流,R表達導(dǎo)體的電阻,t表達通電時間,那么焦耳定律用公式表達為。參考答案:Q=I2Rt(3)上式中I的單位是

,R的單位是

,t的單位是

,Q的單位是

。參考答案:A

Ω

s

J2.練一練:小吳同窗自制了一種簡易的“電熱驅(qū)蚊器”，發(fā)熱元件是一種阻值為1.0×104Ω的電阻。當(dāng)發(fā)熱元件兩端的電壓為220V時，通電100s產(chǎn)生的熱量為多少？提示:Q＝I2Rt=(0.022A)2×1.0×104Ω×100s=484J。參考答案:484J3.議一議:(1)電熱與電功在大小上有什么關(guān)系？參考答案:電流通過導(dǎo)體時，如果電流所做的功全部用來產(chǎn)生熱量，則W=Q；如果電流所做的功只有一部分用來產(chǎn)生熱量，則W＞Q。(2)如果電流所做的功全部用來產(chǎn)生熱量，你能推導(dǎo)出計算熱量的其它公式嗎？參考答案:(3)你尚有哪些辦法求解第2題中發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量？參考答案:Q=W=UIt=220V×0.022A×100s=484J一、電流的熱效應(yīng)1.定義:電流通過導(dǎo)體時,電能轉(zhuǎn)化為_____的現(xiàn)象。2.影響因素:(1)在電流和通電時間相似時,_____越大,產(chǎn)生的熱量就_____。(2)在電阻和通電時間相似時,_____越大,產(chǎn)生的熱量_____。(3)在電阻和電流相似時,_________越長,產(chǎn)生的熱量_____。熱能電阻越多電流越多通電時間越多二、焦耳定律1.內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟_____________成正比,跟___________成正比,跟_________成正比。2.公式:______。電流的二次方導(dǎo)體的電阻通電時間Q=I2Rt【拓展延伸】電流的效應(yīng)電流的效應(yīng)是指電流的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和磁效應(yīng)。電流的熱效應(yīng):電流通過導(dǎo)體要發(fā)熱,這叫作電流的熱效應(yīng)。例如,電燈、電爐、電烙鐵、電焊等都是應(yīng)用電流的熱效應(yīng)的例子。電流的化學(xué)效應(yīng):電流通過導(dǎo)電的液體,會使液體發(fā)生化學(xué)變化,產(chǎn)生新的物質(zhì)。電流的這種效果叫作電流的化學(xué)效應(yīng)。例如,電解、電鍍、電離等就屬于應(yīng)用電流的化學(xué)效應(yīng)的例子。電流的磁效應(yīng):給繞在軟鐵芯周邊的導(dǎo)體通電,軟鐵芯就產(chǎn)生磁性,這種現(xiàn)象就是電流的磁效應(yīng)。例如,電鈴、蜂鳴器、電磁揚聲器等都是運用電流的磁效應(yīng)制成的。考點1通電導(dǎo)體放出的熱量跟哪些因素有關(guān)

【典例1】小明利用如圖所示的實驗裝置探究“導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻大小的關(guān)系”。甲、乙兩瓶中裝有質(zhì)量與初溫都相同的煤油,甲瓶中銅絲的電阻比乙瓶中鎳鉻合金絲的電阻小。(1)實驗中煤油吸熱的多少是通過(選填“溫度計示數(shù)”或“加熱時間”)來反映的。(2)為了在較短的時間內(nèi)達成明顯的實驗效果,小明選用煤油而不用水做實驗,是由于煤油的比熱容(選填“不不大于”或“不大于”)水的比熱容。(3)通電一定時間后,乙瓶中的溫度計示數(shù)升高得快,由此得出的實驗結(jié)論是______________________________________________________________________________________________。(4)該實驗中用到的研究物理問題的辦法是。【思路導(dǎo)引】本題解題思路以下:【精講精析】本題考察導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電阻大小關(guān)系的實驗探究。(1)實驗前,甲、乙中的煤油溫度相似,在實驗過程中,兩電熱絲放熱,煤油吸熱,溫度升高,故煤油吸熱的多少是通過溫度計的示數(shù)來反映的;(2)在吸取相等熱量和等質(zhì)量的狀況下,因煤油的比熱容不大于水的比熱容,根據(jù)Q吸=cmΔt可知煤油升溫比水明顯,實驗效果明顯;(3)由題圖可知,兩電熱絲串聯(lián),通過的電流及通電時間相等,乙瓶中的溫度計示數(shù)升高得快,闡明乙瓶中電阻較大的鎳鉻合金絲放熱多,故可得出結(jié)論:在電流和通電時間相似時,導(dǎo)體電阻越大產(chǎn)生的熱量越多;(4)在該實驗中,兩電熱絲放熱的多少,通過煤油升溫的高低來反映,這是轉(zhuǎn)換法;兩電熱絲串聯(lián),控制電流及通電時間相等,而電阻大小不同,這是控制變量法。答案:(1)溫度計示數(shù)(2)不大于(3)在電流和通電時間相似時,導(dǎo)體電阻越大產(chǎn)生的熱量越多(4)控制變量法或轉(zhuǎn)換法(填對一種即可)【辦法歸納】運用轉(zhuǎn)化法和控制變量法(1)轉(zhuǎn)化法:通過溫度計變化的示數(shù)判斷放出熱量的多少。(2)控制變量法:①探究與電流的關(guān)系:需要用到滑動變阻器和兩個相似的電熱絲,且要并聯(lián)連接;②探究與電阻的關(guān)系:將兩個不同的電熱絲串聯(lián)連接;③探究與通電時間的關(guān)系:用同一種電路,變化加熱時間。考點2焦耳定律的應(yīng)用

【典例2】圖示為一款有高、低溫兩擋的蒸汽電熨斗電路原理圖。R1、R2為電熱絲,其中R2=242Ω,水升溫并汽化成水蒸氣,從而熨燙衣服。(1)電熱絲是運用電流的_________效應(yīng)工作的。分析電路圖,閉合S1,當(dāng)S2________時,電熨斗處在高溫擋。(2)電熨斗處在低溫擋時,正常工作功率為100W。求:通過電路的電流是多大?R1的電阻是多大?通電3min產(chǎn)生的熱量是多少?(3)若將該款電熨斗進行改造,使其正常工作時高溫擋功率為1000W。規(guī)定只變化其中一種電熱絲的阻值,請你通過分析和計算,求出該電熱絲變化后的阻值應(yīng)為多少?【思路導(dǎo)引】分析本題的兩個核心點:核心點1:電壓一定,電路電阻越小,功率越大。核心點2:電熱絲放出熱量的計算公式:Q=I2Rt?！揪v精析】本題考察焦耳定律的應(yīng)用。(1)電熨斗工作時，電流流過電阻產(chǎn)生熱量，對水加熱，使水汽化為蒸汽，因此電熱絲是運用電流的熱效應(yīng)工作的；由電路圖知，閉合S1，當(dāng)S2閉合時，兩電阻絲并聯(lián)，電路電阻最小，電源電壓U一定，由P=可知此時電路功率最大，電熨斗處在高溫擋。(2)由電路圖知:當(dāng)S1閉合，S2斷開時，電熨斗處在低溫擋，此時只有電阻R1接入電路；通過電路的電流≈0.45A，R1的電阻；通電t=3min=180s產(chǎn)生的熱量:Q=I2Rt=(0.45A)2×484Ω×180s=1.8×104J。(3)當(dāng)開關(guān)S1與S2都閉合時，電熨斗處在高溫擋，電阻R1的功率P1=P低溫擋=100W，電阻R2的功率P2=P-P1=1000W-100W=900W，則電阻R2變化后的阻值答案:(1)熱閉合(2)0.45A484Ω1.8×104J(3)53.78Ω【辦法歸納】焦耳定律的理解和應(yīng)用(1)公式的應(yīng)用應(yīng)用公式電熱(焦耳定律)適用范圍基本公式Q=I2Rt普遍適用導(dǎo)出公式

·t=UIt僅適用于純電阻電路W=Q(2)串、并聯(lián)電路中電流產(chǎn)生熱量的分派①串聯(lián)電路中,各處的電流都相等,各電阻的通電時間也相等,因此電流通過各電阻所產(chǎn)生的熱量與其電阻成正比。即Q1∶Q2=R1∶R2。②在并聯(lián)電路中,各電阻兩端電壓相等,各電阻的通電時間也相等,因此電流通過各電阻所產(chǎn)生的熱量與其電阻成反比,即Q1∶Q2=R2∶R1。1.請你想象一下,如果沒有電流的熱效應(yīng),下列設(shè)備還能工作的是()A.白熾燈B.電烤箱C.保險絲D.電電扇【解析】選D。本題考察電流熱效應(yīng)的應(yīng)用。運用電流熱效應(yīng)工作的用電器將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故白熾燈、電烤箱、保險絲都是運用電流熱效應(yīng)工作的;電電扇重要是把電能轉(zhuǎn)化為機械能,因此如果沒有電流的熱效應(yīng),電電扇還能夠工作,故D選項對的。2.電烙鐵通電一段時間后變得很燙,而連接電烙鐵的導(dǎo)線卻沒有明顯發(fā)熱,這重要是由于()A.導(dǎo)線的絕緣皮隔熱B.導(dǎo)線散熱比電烙鐵快C.通過導(dǎo)線的電流不大于通過電烙鐵的電流D.導(dǎo)線的電阻遠不大于電烙鐵電熱絲的電阻【解析】選D。本題考察焦耳定律的應(yīng)用。導(dǎo)線與電烙鐵串聯(lián),流過它們的電流相似,由于導(dǎo)線的電阻遠不大于電烙鐵的電阻,根據(jù)公式Q=I2Rt可知,導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量遠不大于電烙鐵產(chǎn)生的熱量,故選D。3.在“探究焦耳定律”的實驗中,為了找出電流做功產(chǎn)生的熱量與電阻的關(guān)系,必須同時保持()A.電阻相等和電流相等B.電阻相等和通電時間相等C.通電時間相等和電流相等D.電阻相等、通電時間相等、電流相等【解析】選C。本題考察焦耳定律實驗中的研究辦法——控制變量法。由焦耳定律Q=I2Rt知,在研究電熱與電阻的關(guān)系時,應(yīng)保持電流和通電時間相似。故選C。4.某暖手寶的部分性能指標(biāo)如表,當(dāng)袋內(nèi)的水原來溫度是20℃時,在額定電壓下加熱至批示燈熄滅,此過程水吸取的熱量是J;若加熱過程所需要的時間為210s,不計熱量的損失,則加熱電阻為Ω。[水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)]額定電壓加熱電阻袋內(nèi)充水自動斷電溫度220V1L70℃【解析】本題考察的是物體吸熱和電流產(chǎn)熱的計算。由題意可知:水的體積V=1L=1×10-3m3,水的質(zhì)量m=ρV=1.0×103kg/m3×1×10-3m3=1kg,Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×1kg×(70℃-20℃)=2.1×105J;由于不計熱量的損失,有W=Q吸,則暖手寶的功率該暖手寶的電阻答案:2.1×10548.45.如圖所示的裝置可用來定性研究定律。將電阻R甲與R乙(R甲>R乙)串聯(lián)在電路中是為了使時間和相似,通過溫度計示數(shù)的變化能夠比較的多少。【解析】本題考察電流熱效應(yīng)與哪些因素有關(guān)的探究。根據(jù)題圖可知該實驗裝置是研究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與什么因素有關(guān),由此可得到焦耳定律。兩電阻串聯(lián),可控制通電時間相似、通過的電流相似,研究電熱與電阻的關(guān)系。通過溫度計示數(shù)的變化能夠比較電流產(chǎn)生熱量的多少。溫度計示數(shù)變化越大,電流產(chǎn)生的熱量越多。答案:焦耳電流電流產(chǎn)生熱量6.如圖所示是“探究電流的熱效應(yīng)跟電阻大小的關(guān)系”的實驗裝置圖。A、B兩瓶煤油中都浸泡著一段金屬絲,燒瓶A內(nèi)的金屬絲是銅絲,電阻較小;燒瓶B內(nèi)的金屬絲是鎳鉻合金絲,電阻較大。在實驗中應(yīng)使兩瓶中盛裝的煤油質(zhì)量