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《焦耳定律》教案
第4节 焦耳定律
第1课时 焦耳定律
了解电流的热效应,会设计实验探究焦耳定律。
焦耳定律
阅读课本第99、100、101页内容,完成下列填空:
1.__电流通过导体时电能转化为内能__,这个现象叫做电流的热效应。
2.__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__,这个规律叫做焦耳定律。
3.焦耳定律用公式表达为__Q=I2Rt__。
各小组同学分工合作,完成如下实验。
(1)两个透明容器中密封着等量的空气,U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。
将两容器中的电阻丝(左边电阻丝为5Ω,右边电阻丝为10Ω)串联起来接到电源两端,比较两个U形管中液面高度的变化。
说明了什么问题。
(2)两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器的外部,将一个电阻和这个容器内的电阻并联。
在通电时间相同的情况下,观察两个U形管中液面高度的变化。
说明了什么问题。
解:
(1)在电阻相同、通电时间相同的情况下,通过电阻的电流越大,产生的热量越多。
(2)在电阻相同、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多。
1.在“探究电流产生的热量与哪些因素有关”时,应采用控制变量法。
2.利用空气受热膨胀,挤压液体使液面上升,来显示电流产生的热量的多少,运用了转换法。
3.实验探究:
电流的热效应与哪些因素有关。
(1)问题与猜想:
请同学们根据生活经验进行合理的猜想。
提示:
插座上接入大功率的用电器时,会发烫,甚至引发火灾。
刚刚工作的灯泡并不热,而过一会儿就烫手。
(2)制定计划:
①运用什么实验方法进行探究?
——控制变量法。
在研究与某个因素的关系时,要保持其他因素一定。
即探究电热与电阻的关系时,要保持电流和通电时间一定;在探究电热与电流的关系时,要保持电阻和通电时间一定;在探究电热与通电时间的关系时,要保持电阻和电流一定。
②通过什么现象判断电热的多少?
——通过U形管中液面高度的变化判断电热的多少。
这里采用了转换法。
③设计出具体的实验方案。
④需要测出哪些物理量,实验中要注意哪些问题?
——比较温度计的示数。
实验中需要注意:
A.烧瓶中装等质量的同种液体(最好是煤油,比热容小,温度变化明显);B.连接电路时,开关要断开,滑动变阻器的滑片要位于阻值最大处。
(3)收集证据:
学生分组实验,教师适时指导。
(4)分析与结论:
在电流大小和通电时间相同的条件下,电阻阻值大的容器内的液体温度升得快;
在电阻阻值和通电时间相同的条件下,电流大的容器内的液体温度升得快;
在电阻阻值和电流大小相同的条件下,通电时间长的容器内的液体温度升得快;
综合以上结论可知:
导体的电阻越大,通过导体的电流越大,通电时间越长,电流的热效应就越显著。
(5)评估与交流:
指出实验中存在的问题,并集体纠正。
4.焦耳定律:
英国物理学家焦耳在做了大量的实验基础上,于1840年最先精确地确定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,这个规律叫做焦耳定律。
焦耳定律可以用公式表示:
Q=I2Rt。
公式中的电流I的单位要用安培(A),电阻R的单位要用欧姆(Ω),通电的时间t的单位要用秒(s)。
这样,热量Q的单位就是焦耳(J)。
焦耳,英国物理学家(1818~1889),他极力想通过实验证明能量的不灭,对发现和确立能量守恒定律做出了重要贡献。
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.阻值为50Ω的定值电阻R接在电源两端,通过电阻R的电流为0.2A,10s内电流产生的热量是__20__J。
3.用如图所示的实验装置探究“电流通过导体产生的热量与电阻的关系”。
(1)实验中通过观察__两支温度计示数__来比较电流产生的热量的多少。
(2)为了便于比较两种电阻丝通过电流后产生热量的多少,甲乙两瓶中要装入__质量相同__、__初温相同__的同种液体。
(3)为达到实验目的,选用的两根电阻丝的阻值不能__相同__。
(4)实验结论是__在电流、通电时间一定时,电阻越大,产生的热量越多__。
教学至此,敬请使用学案当堂训练部分。
第2课时 电热的利用和防止
1.了解电热的利用和防止。
2.会运用焦耳定律计算纯电阻电路中的热量。
3.会运用焦耳定律计算非纯电阻电路中的热量。
电热的利用和防止
阅读课本第101页内容,完成下列填空:
1.生产生活中要用到电热,如__热水器__、__电饭锅__、__电熨斗__、__电热孵化器__等。
2.有些电热需要防止,如__电视机后盖的散热孔__、__电脑的散热风扇__。
各小组同学分工合作,完成如下活动。
(1)通过阅读课本、或查阅课外书、或上网查询,了解一些关于生产生活中利用电热和防止电热危害的事例,同学之间交流一下。
(2)想一想,家中的哪些用电器是利用电热的用电器。
(3)讨论一下,家中电视机、电脑等用电器,并不希望电流做功发热,这时必须防止电热的危害,这些用电器是如何防止电热危害的呢?
解:
(2)电炉、电烙铁、电熨斗、电饭锅、电烤炉等都是。
(3)安装散热风扇。
(1)电热器是利用电来加热的设备,电炉、电烙铁、电熨斗、电饭锅、电烤炉等都是常见的电热器。
电热器的主要组成部分是发热体,发热体是由电阻率大、熔点高的电阻丝绕在绝缘体材料上做成的。
电热器清洁卫生,没有污染,热效率高,有的还可以方便地控制和调节温度。
(2)在电动机里,电流主要是用来做机械功的,但电动机里的导线有电阻,也要产生热量,使导线的温度升高。
温度超过绝缘材料的耐热温度,绝缘材料会迅速老化,甚至可能烧坏。
为此有的电动机里装有风扇,电动机的外壳做成漏空状,都是为了加快散热。
1.因为忙于中考复习,小丽已经很长时间没有打开过自己的电脑了,进入潮湿的夏季后,爸爸建议小丽定期给电脑通一会儿电。
请你解释这样做的道理。
解:
利用电流的热效应,利用电热来驱潮。
2.用粗细均匀的电热丝加热烧水,通电10min可烧开一壶水,若将电热丝对折起来接在原来的电路中,则烧开同样一壶水的时间是(不计热量损失)( A )
A.2.5min B.5min
C.20minD.40min
3.电烙铁通电一段时间后变得很烫,而连接电烙铁的导线却没有明显发热,这主要是因为( D )
A.导线的绝缘皮隔热
B.导线散热比电烙铁快
C.通过导线的电流小于通过电烙铁的电流
D.导线的电阻远小于电烙铁电热丝的电阻
纯电阻电路的热量计算
回顾以前所学知识,完成下列填空:
1.电功率的计算公式及变形式有__P=UI__、__P=I2R__、__P=U2/R__。
2.电热功率的计算公式是__P=I2R__。
例:
下表为一台电热水器的铭牌(有一项内容模糊不清),电热水器内部简化电路如图所示,R1和R2均为电热丝。
求:
×××牌电热水器
额定电压
220V
额定电流
高温挡
中温挡
5A
低温挡
2A
电源频率
50Hz
(1)低温挡正常工作时的额定功率;
(2)中温挡正常工作10分钟产生的热量;
(3)高温挡正常工作时的额定电流。
解:
(1)低温挡正常工作时I=2A。
额定功率P=UI=220V×2A=440W。
(2)中温挡正常工作时,I1=5A。
功率P1=UI1=220V×5A=1100W
10分钟内产生的热量为
Q=P1·t=1100W×10×60s=6.6×105J
(3)由电路图可知,当选择高温挡时,电阻R1和R2并联接入电路,
当选择低温挡时,R1和R2串联,
=P,即
=440 ①
当选择中温挡时,R1独自接入电路,
=P1,即
=1100 ②
联立①②,可解出R1=44Ω,R2=66Ω。
当选择高温挡时,P2=
+
=
+
=1833W
此时电流I2=
=8.3A
各小组同学分工合作,完成下面问题的讨论。
①由于电源电压固定,电路中总电阻随着开关的断开或闭合是可变的,因此在分析此处电热问题时,应在P=UI、P=I2R、P=U2/R等公式中选择哪个公式比较方便?
②当S2接b、S1断开时,两个电阻怎样连接,电路中总电阻有何特征,此时电路处于什么挡位;
③当S2接a、S1闭合时,两个电阻怎样连接,电路中总电阻有何特征,此时电路处于什么挡位;
④当S2断开a、S1闭合时,两个电阻怎样连接,电路中总电阻有何特征,此时电路处于什么挡位;
解:
①选择P=U2/R;②两个电阻串联,电路中总电阻最大,为低温挡;③两个电阻并联,电路中总电阻最小,为高温挡;④R1接入电路,电路中电阻介于上述两种情况之间,为中温挡。
(1)对于电热器电路,由于电流通过导体做的功全部转化为热能(电功等于电热),计算电热和计算电功是一样的,可以采用计算电功的任何公式和方法来计算电热。
(2)由于电路的电源电压一般是固定的,所以在分析电路中的挡位问题时,一般采用P=U2/R来分析比较方便。
1.有下列用电器,“220V 140W”的电吹风,“220V 140W”的电热壶,“220V 140W”的彩色电视机,若它们都在额定电压下工作相同的时间,其中产生热量最多的是( B )
A.电吹风 B.电热壶
C.彩色电视机D.无法判断
2.如图是电饭锅的电路图,S是温控开关,R1、R2是电阻丝。
断开或闭合开关S,可选择电饭锅处于“加热”或“保温”状态。
若R1∶R2=1∶35,电饭锅加热时的总功率为P1,保温时的总功率为P2,则P1∶P2为( A )
A.36∶1B.35∶1
C.36∶35D.35∶36
非纯电阻电路的热量计算
例:
某电动机的额定电压为220V,线圈电阻为1Ω,接入家庭电路中正常工作,用电流表测得电路中的电流为10A,则:
(1)电动机线圈发热功率为多大?
(2)电动机机械功率为多大?
各小组同学分工合作,完成下面问题的讨论。
(1)电动机工作时,线圈发热功率用什么公式来求?
(2)电动机工作时,总功率用什么公式来求?
(3)如何计算电动机的机械效率?
解:
(1)P1=I2R;100W;
(2)P=UI;2200W;
(3)P2=P-P1=2100W。
对于非纯电阻电路如电动机电路,电流做功转化为机械能和热能,热能只是其中的一小部分,电热功率只能用电热定律P=I2R来进行计算,电热只能用Q=I2Rt计算。
此时,运用公式P=UI算出的是电动机的总功率,用“UI-I2R”得到的是电动机工作时把电能转化为机械能的功率。
1.一台电风扇接在220V的电路中正常工作,通过风扇电动机的电流为0.5A,测得风扇电动机线圈电阻为5Ω,求:
(1)电风扇的输入功率是多少?
(2)电风扇每分钟消耗的电能是多少?
(3)电风扇的电动机每分钟产生的电热是多少?
产生机械能是多少?
解:
(1)电风扇的输入功率
P=UI=220V×0.5A=110W;
(2)电风扇每分钟消耗电能等于电流所做的功W电=UIt=Pt=110W×60s=6600J;
(3)电风扇的电动机每分钟产生的电热,
根据焦耳定律计算
Q=I2Rt=(0.5A)2×5Ω×60s=75J
产生机械能W机械=W-Q=6600J-75J=6525J
2.小华准备参加玩具赛车比赛,她想通过实验挑选一只能量转换效率较高的电动机,实验时她先用手捏住电动机的转轴,使其不转动,然后放手,让电动机正常转动,分别将2次实验的有关数据记录在表格中。
请问:
(1)这只电动机线圈的电阻为多少?
(2)当电动机正常工作时,转化为机械能的功率是多少?
电动机的电压/V
电动机工作状态
通过电动机的电流/A
0.2
不转动
0.4
2.0
正常转动
1.0
解:
(1)根据线圈不转动时是纯电阻电路可求出线圈电阻:
R=U1/I1=0.2V/0.4A=0.5Ω
(2)电动机正常工作时消耗的总的电功率:
P总=U2I2=2V×1A=2W,正常工作时发热的功率:
P热=I2R=(1.0A)2×0.5Ω=0.5W,转化为机械能的功率:
P机=P总-P热=1.5W
3.提问:
什么时候用电器通电时发热,但我们并不希望它们发热?
我们采用什么办法降低它的温度?
答:
电动机利用翼状散热片增大散热面积,电冰箱在放置时后背要与墙壁保持一定距离使热量通过空气散失,如计算机内的小风扇那样主动把热空气驱走。
4.一只“220V 45W”的电烙铁,在额定电压下使用,每分钟产生的热量是多少?
你能用几种方法解答此题?
答:
(1)可用基本公式:
Q=I2Rt,分别求出额定电流I和电阻R,然后算出电热。
(2)可用推导公式:
Q=W=UIt,算出额定电流I,然后算出电热。
(3)直接用推导公式:
Q=W=Pt,算出电热。
教学至此,敬请使用学案当堂训练部分。
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