資源簡介

(共54張PPT)
2024年秋季
北師大版物理
九年級全冊
第十三章 電功和電功率
第四節(jié) 電流的熱效應
1
學習目標
2
課時導入
3
感悟新知
4
隨堂檢測
5
課堂小結(jié)
電流的熱效應
焦耳定律
電熱的利用和防止
如圖所示，把手靠近發(fā)光的白熾燈泡，會感到燈泡發(fā)熱：給電熱水壺通電可以將其中的冷水加熱；給電烤箱通電可以將其中的面包烤熟；電視機、計算機主機和顯示器長時間工作后外殼也會發(fā)熱。這些熱量是從哪里來的呢？
事實表明，電流通過導體時，導體會發(fā)熱，這種現(xiàn)象叫作電流的熱效應。
白熾燈的燈絲熱得發(fā)光，而與之相連的導線卻幾乎不發(fā)熱。電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少與電阻有關(guān)系嗎？有什么關(guān)系？
剛剛發(fā)光的燈泡并不熱，而過一會兒就會燙手。燈絲產(chǎn)生熱量的多少與發(fā)光時間有關(guān)系嗎？有什么關(guān)系？
通電導體產(chǎn)生熱量的多少與通過它的電流有關(guān)系嗎？有什么關(guān)系？
問題與思考
電流的熱效應與哪些因素有關(guān)？怎樣確定出電流產(chǎn)生熱量的多少？
1. 研究方法 轉(zhuǎn)換法、控制變量法。
2. 實驗方案
實驗方案一： 利用電熱器加熱質(zhì)量相同的同種液體，通過液體溫度升高的情況，判斷通電導體產(chǎn)生熱量的多少。
知識點
電流的熱效應
1
如圖1，燒瓶中裝有質(zhì)量相等的同種液體。
實驗1：如圖甲所示，R1>R2，將R1 和R2 串聯(lián)(目的：使電流相等)，通電相同時間，探究電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少與導體電阻的關(guān)系。
實驗2：如圖乙所示，將阻值均為R 的兩段電熱絲并聯(lián)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使通過R 的電流不同，加熱相同的時間，探究電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少與電流大小的關(guān)系。
實驗3：如圖甲所示，保持電流和電阻不變，給電熱絲R1(或R2)通電不同時間，探究電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少與通電時間的關(guān)系。
實驗方案二：如圖2，給密閉容器內(nèi)的空氣加熱，通過觀察U形管中液柱的高度差來比較導體產(chǎn)生熱量的多少。
實驗1：如圖甲所示，R1實驗2：如圖乙所示，R1=R3=R4，R3 和R4 并聯(lián)(使通過R1和R3 的電流不相等)，則 IR1=2IR3，探究電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少與電流的關(guān)系。
實驗3：如圖甲所示，觀察加熱不同時間時與R1(或R2)相連接的U 形管內(nèi)液柱的高度差，探究電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少與通電時間的關(guān)系。
3. 實驗結(jié)論
結(jié)論1：當電流、通電時間相同時，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。
結(jié)論2：當電阻、通電時間相同時，電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。
結(jié)論3：當電流、電阻相同時，通電時間越長，電流產(chǎn)生的熱量越多。
實驗詳解：
1. 本實驗用到的研究方法有：控制變量法、轉(zhuǎn)換法。
(1) 控制變量法：方案二中實驗1 是通過兩電阻絲串聯(lián)使電流相同；實驗2 中，通過并聯(lián)分流的方法使左邊容器內(nèi)電阻絲中電流是右邊容器內(nèi)電阻絲中電流的2 倍，探究電熱與電流的關(guān)系。
(2) 轉(zhuǎn)換法：將電流產(chǎn)生熱量的多少轉(zhuǎn)換為容易觀察和測量的物理量。常見的電熱轉(zhuǎn)換還有如下方法：
①將電流產(chǎn)生熱量的多少轉(zhuǎn)換為玻璃管中液柱上升的高度。
②將電流產(chǎn)生熱量的多少轉(zhuǎn)換為火柴被點燃所需時間的長短。
③將電流產(chǎn)生熱量的多少轉(zhuǎn)換為氣球膨脹程度的大小。
2. 若加熱液體，則選用比熱容較小的液體(如煤油)，因為比熱容越小，吸收同樣熱量溫度上升越快，實驗現(xiàn)象越明顯。為縮短加熱時間，采用加熱密閉空間中空氣的方法，這樣現(xiàn)象更明顯。
[中考·綏化] 如圖3 所示為“探究電流通過導體時產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)”實驗的部分裝置，兩個相同的透明容器中封閉著等量的空氣。
例1
解題秘方：本題采用控制變量法和轉(zhuǎn)換法研究問題，并注意串聯(lián)電路電流的規(guī)律、反?，F(xiàn)象的分析、連通器的識別及焦耳定律的應用。
(1)實驗中通過觀察_____________________的變化來反映電阻產(chǎn)生熱量的多少，下列實驗中，也運用了這種實驗方法的是______(填序號)。
①探究物體的動能跟哪些因素有關(guān)
②探究杠桿的平衡條件
U 形管中液柱的高度差
①
解析：電流通過導體產(chǎn)生熱量的多少不能直接觀察，應用轉(zhuǎn)換法，實驗中通過觀察U 形管中液柱高度差的變化來反映電阻產(chǎn)生熱量的多少。①探究物體的動能跟哪些因素有關(guān)時物體動能的大小通過物塊被推動的距離來反映，用到了轉(zhuǎn)換法，符合題意。②探究杠桿的平衡條件時通過多次實驗尋找普遍規(guī)律，沒有采用轉(zhuǎn)換法，不符合題意。
(2)連接好電路后閉合開關(guān)，通電一段時間，觀察到右側(cè)液柱的高度差大于左側(cè)液柱的高度差，
如圖甲所示，表明在電流和通電時
間相同的情況下，______越大，產(chǎn)
生的熱量越多。
電阻
解析：連接好電路后閉合開關(guān)，通電一段時間，觀察到右側(cè)液柱的高度差大于左側(cè)液柱的高度差，說明右側(cè)電阻大，產(chǎn)生的熱量多，故可以得出在電流和通電時間相同的情況下，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。
(3)圖中U 形管______(填“是”或“不是”)連通器，圖乙中R3 與R2 并聯(lián)，目的是使通過R1 與R2 的______不同。
不是
電流
解析：由圖知，U形管一端開口，一端封閉，所以不屬于連通器。圖乙裝置中，R1=R2=R3，其中R3 與R2 并聯(lián)，根據(jù)并聯(lián)電路的電流關(guān)系可知，通過R1 與R2 的電流不同，故目的是使通過R1 和R2 的電流不相等。
(4)某小組在利用圖乙裝置實驗時，發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)U 形管液柱上升高度相同，與其他小組的實驗現(xiàn)象都不同，經(jīng)檢查氣密性良好，請你分析實驗現(xiàn)象不同的原因可能是： ____________ 。
電阻R3 斷路
解析：某小組在利用圖乙裝置實驗時，發(fā)現(xiàn)左右兩側(cè)U 形管液柱上升高度相同，說明左右兩側(cè)產(chǎn)生的熱量相同，因為R1=R2，且R1 和R2 產(chǎn)生的熱量相同，說明R3 中沒有電流，故可能是電阻R3 斷路了。
技巧點撥
1. 本實驗采用加熱密閉容器內(nèi)空氣的方法，空氣受熱膨脹，壓縮與之相連一側(cè)U 形管中的液柱，則這側(cè)液柱下降，另一側(cè)液柱上升，放出的熱量越多，液柱的高度差就越大。
2. 對于采用轉(zhuǎn)換法的探究性實驗，首先要仔細讀題、審題， 明確將要研究的問題轉(zhuǎn)換成哪種容易觀察的現(xiàn)象或容易測量的物理量。
技巧點撥
3. 控制變量法: 本實驗中探究電熱與電流關(guān)系時采用給R2 在密封容器外并聯(lián)電阻R3來分流的方法，使通過R1 和R2 的電流不同(難點)。
4. 含有控制變量法的探究性實驗，在分析、評價實驗的實驗方案科學性時可從兩個方面考慮：一是是否控制變量，二是是否多次實驗，使實驗結(jié)論具有普遍性。
技巧點撥
5. 對于課本已有定性結(jié)論的探究實驗，在填寫實驗結(jié)論時，可以依據(jù)教材已有的結(jié)論來填充，這里采用的是逆向思維法。
1. 內(nèi)容 電流通過導體時產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。
2. 焦耳定律公式
及各物理量
單位
公式 Q=I2Rt
物理量及單位 電流I A
電阻R Ω
通電時間t s
熱量Q J
知識點
焦耳定律
2
(1)公式的意義：公式反映的是電流通過導體時產(chǎn)生熱效應的規(guī)律，定量地揭示了電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的規(guī)律。
(2)適用范圍：公式是由實驗總結(jié)出來的，只要是電流所產(chǎn)生的熱量，都可以利用這一公式進行計算。
3. 在純電阻電路中，電熱與電阻的關(guān)系：
(1)在只有R1 和R2 的串聯(lián)電路中，電熱與電阻成正比，即Q1 ∶ Q2=R1 ∶ R2。
(2)在只有R1 和R2 的并聯(lián)電路中，通電時間相同時，電熱與電阻成反比，即Q1 ∶ Q2=R2 ∶ R1。
多用于定性比較兩用電器相同時間產(chǎn)生的熱量。
拓展延伸
電功與電熱的關(guān)系：
(1)當電路中接入的是電爐、電烙鐵、電水壺等“純電阻”用電器時，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即W=Q。此時，電功和電熱計算沒有區(qū)別。
(2)若接入主要通電部分是電動機的家用電器，其消耗的電能主要轉(zhuǎn)化為機械能，只有較少一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即W>Q。
如圖4 所示的電路中，電源兩端電壓保持不變，電阻絲R1 的阻值為10 Ω。當開關(guān)S 閉合后，電壓表的示數(shù)為2 V，電流表的示數(shù)為400 mA。求：
例2
解題秘方：結(jié)合串聯(lián)電路特點、歐姆定律、電功率公式以及焦耳定律公式解答，單位要采用國際單位。
(1)通電1 min 電阻絲R1 產(chǎn)生的熱量。
解：由電路圖可知，R1 與R2 串聯(lián)，電壓表測R2 兩端的電壓，U2=2 V，電流表測電路中的電流，I=400 mA=0.4 A，
所以通電1 min 電阻R1 產(chǎn)生的熱量
Q1=I2R1t=(0.4 A)2×10 Ω×60 s=96 J。
(2)R2 的阻值。
(3)電路消耗的總功率。
解：R2 的阻值R2= ==5 Ω。
由U=IR 可得 U1=IR1=0.4 A×10 Ω=4 V，
電源電壓為U=U1+U2=4 V+2 V=6 V，
電路消耗的總功率為P=UI=6 V×0.4 A=2.4 W。
拓展延伸
焦耳定律公式是計算電熱的通用公式，和歐姆定律相同，式中各量具有“同體性(同一導體)” “等時性”“單位的統(tǒng)一性”，式中各量統(tǒng)一采用國際單位。
1. 電熱器的工作原理 電流的熱效應。
2. 電熱器的主要結(jié)構(gòu) 發(fā)熱體。發(fā)熱體是由導電性差、熔點高的電阻絲繞在絕緣體材料上做成的。其中，絕緣體材料可將電阻絲與電熱器的外殼隔開，防止漏電和觸電。
知識點
電熱的利用和防止
3
3. 常見家用電熱器 電飯煲、電烙鐵、電烤箱等。
4. 電熱器的優(yōu)點
(1)清潔衛(wèi)生，沒有環(huán)境污染。
(2)效率高。
(3)可以方便地控制和調(diào)節(jié)溫度。
5. 電熱的危害
(1) 由于電流的熱效應，會使用電器的溫度過高，加速絕緣材料的老化，甚至可能燒壞用電器。
(2)造成電能輸送過程中的電能損失。
6. 防止電熱危害的方法
(1)安裝散熱風扇；(2)安裝散熱片；(3)安裝散熱窗。
拓展延伸
1. 白熾燈和LED 燈的工作原理：電流通過白熾燈燈絲時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，從而使白熾燈燈絲的溫度升高，達到發(fā)光的程度。因此，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能。LED 燈因為原理不同，發(fā)光效率比白熾燈高很多。LED 燈是利用半導體的特性，讓電能直接轉(zhuǎn)化為光能，不用先轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
拓展延伸
2. 白熾燈將電能轉(zhuǎn)化為光能的大致比例為10%，一般節(jié)能燈的發(fā)光效率為30%，所以使用節(jié)能燈可大大節(jié)約電能。
下列情況中不屬于防止電熱危害的是( )
A. 電視機的后蓋有許多孔
B. 電腦機箱內(nèi)有小風扇
C. 電動機外殼有許多散熱片
D. 家電長時間停用，隔一段時間應通電一次
例3
解題秘方：結(jié)合各種用電器或相應裝置某種設計的目的來分析。
答案：D
解析：電視機后蓋的散熱孔、電腦機箱內(nèi)的小風扇、電動機外殼的散熱片，都可以加速散熱，從而防止電熱的危害。家電長時間停用，隔一段時間通電一次，是利用電熱驅(qū)潮，避免家用電器因受潮而損壞。
技巧點撥
識別是利用電熱還是防止電熱的危害，主要看使用某電器或相應裝置某種設計的目的，如果目的是方便散熱，則屬于防止電熱的危害；如果是利用電流產(chǎn)生的熱量，則屬于利用電熱。
1．[2023·福建]下列利用電流熱效應工作的用電器是(　　)
A．電視機 B．電風扇 C．電腦 D．電爐
D
2．圖甲所示是新型取暖器件——電熱膜，它是由一條條導電墨線壓在絕緣薄膜上制成的，其結(jié)構(gòu)如圖乙所示。
電熱膜工作時利用了電流的________效應；若其中一根導電墨線脫落，則電熱膜的總電阻________，總功率________。(后兩空均選填“變大”“變小”或“不變”)
熱
變大
變小
3．[2023·廣西]小明家連接插線板的導線折斷后，他把兩根導線擰在一起繼續(xù)使用，用久后發(fā)現(xiàn)連接處容易發(fā)熱，其主要原因是連接處(　　)
A．電阻變小 B．電流比別處電流小
C．電阻變大 D．電流比別處電流大
C
影響因素
焦耳定律
電熱
利用和防止

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