第4节 焦耳定律
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.知道电流热效应的现象及能量的转化。
2.通过探究影响电流热效应的因素,理解焦耳定律的内容,能够利用焦耳定律公式进行简单的计算。
3.会利用焦耳定律解释一些生活中简单现象。
4.举例说出生活中利用电热的实例,了解电热的危害和防治方法。
【过程与方法】
通过实验探究,培养学生的实验探究的能力和理论分析的能力,体会运用控制变量法和转换法进行实验。
【情感·态度·价值观】
会解释生活中一些电热现象,通过学习电热的利用与防止,学会辩证地看待问题。
◇教学重难点◇
【教学重点】
焦耳定律、电流热效应的应用、电热的计算。
【教学难点】
电热大小的影响因素的猜想和实验设计。
◇教学过程◇
一、新课导入
2018年的第一场大雪之后,一些地方的电线上结了厚厚的冰,给人们的生活带来了很多不便,也造成一定的经济损失。为此,科技人员研究出“直流融冰”技术,使冰熔化,避免了巨大的经济损失。你知道这种融冰技术的原理吗?
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二、教学步骤
探究点1 电流的热效应
[阅读课本]P99“生活中……通过一个电阻的电流越大,这个电阻产生的热量越多。”
[思考]电饭锅通电后发热用来煮饭,手机长时间使用也会发热,你还能列举哪些用电器通电后发热的例子?
[提示]电水壶通电后会发热,电动机工作时会发热,电脑工作时会发热等。
[归纳提升]电流通过导体时电能转化成内能,这种现象叫做电流的热效应。
[思考]导线和电炉丝串联接入电路中,为什么电炉丝热得发红而导线并不是很热?产生这种现象的影响因素有哪些?
[提示]电热的大小可能与导体的电阻有关。
[思考]当电路短路时,为什么会发热烧毁导线呢?
[提示]电热的大小可能与电流的大小有关,电路短路时,电流很大,所以会发热烧毁导线。
[思考]为什么手机用时间久了才会感觉到发热呢?
[提示]电热的大小可能与通电的时间有关。
[思考]阅读P99“图18.4—2”这个实验设计控制了哪些物理量相同,改变了哪个物理量呢?
[提示]两电阻丝串联,控制了电流和通电时间相同,改变的是电阻大小。
[思考]该实验是如何比较两个导体产生的热量?采用的是什么方法?
[提示]通过比较U形管中液面高度的变化来比较导体产生热量的多少。U形管液面高度的变化反映了密闭容器中空气温度的变化,即电阻丝产生热量的多少。实验采用的是“转换法”。
[思考]这一实验现象说明了什么?
[小结论]在电流相同、通电时间相同的情况下,电阻越大,这个电阻产生的热量越多。
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[思考]阅读P100“图18.4—3”右边电阻丝上为什么要再并联一根电阻丝?
[提示]两个电阻丝的阻值相同,右边的电阻丝并上一个相同的电阻丝后,通过该电阻丝的电流变小了,这样设计的目的是改变通过右边电阻丝的电流。这个实验设计是探究产生的热量与电流的关系。
[思考]哪边液面差明显?是电流大的还是电流小的产生的热量多?可以得到什么结论?
[提示]通过右边的电阻丝的电流小,液面低,说明右边产生的热量少。
[小结论]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。
[思考]如何探究产生热量的多少与通电时间的关系呢?
[提示]电路中只接入一根电阻丝,第一次通电5 s,第二次通电20 s,观察U形管中液面的变化情况。
[小结论]在电阻相同、通过电阻的电流相同的情况下,通电时间越长,这个电阻产生的热量越多。
[归纳提升]当电流通过导体时,电流越大、电阻越大、通电时间越长,产生的热量越多。
[习题]如图是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻间关系”的实验装置,两个透明容器中封闭着等量的空气,电路正确连接后,通电进行实验的过程中,下列说法正确的是( )
A.左边容器电阻丝中的电流比右边容器电阻丝中的电流大
B.U形管中液面高度的变化反映电阻丝产生热量的多少
C.要保持两个电阻丝两端电压相等
D.通电时间相同,两个容器中空气吸收的热量相同
[分析]两个阻值不同的电阻丝串联,通过电阻丝的电流相同,即左边容器电阻丝中的电流等于右边容器电阻丝中的电流;由实验装置可知,电流通过导体产生热量使容器中的空气受热膨胀,从而导致U形管中的液面发生变化,虽然产生热量的多少不能直接观察,但可以通
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过U形管液面高度差的变化来判断;此装置用来探究电流产生的热量与电阻的关系,故需要保持两个电阻丝两端电流相等;两电阻丝串联,电流相同,根据Q=I2Rt可知,由于图中右边容器的电阻丝阻值较大,在相同时间内,电流在右侧容器中产生的热量较多,B管液面上升得高。
[答案]B
探究点2 焦耳定律
[阅读课本]P100“英国的物理学家焦耳……与焦耳定律一致。”
[思考]焦耳定律的内容是什么?
[提示]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。如果热量用Q表示,电流用I表示,电阻用R表示,时间用t表示,则焦耳定律为Q=I2Rt。
[思考]你能用前面所学的知识推导出焦耳定律吗?
[提示]电流通过导体时,如果所做的功全部转化为内能,即W=Q,由W=UIt,将U=IR代入,可得Q=I2Rt
[思考]电吹风工作时,消耗了1000 J的电能,电流在电阻线上产生的热量等于1000 J吗?
[提示]电吹风工作时把电能转化为内能,还有一部分转化为动能。电吹风不是一个纯电阻用电器,消耗的电热大于产生的电热,所以产生的热量小于1000 J。
[归纳提升]电流通过导体时,如果电能全部转化为内能,而没有同时转化为其他形式能量,那么,电流产生的热量Q和消耗的电能W的关系是Q=W,这样的电路称为纯电阻电路。例如电炉、电饭锅、电热水器、电烤箱、电热水壶等;像电动机、电视机等消耗的电能除转化为内能外还转化为其他形式的能,这样的电路称为非纯电阻电路,计算非纯电阻电路产生的热量只能用公式Q=I2Rt。
[习题]电视机、电动机、电暖气都标有“220 V 200 W”,把它们并联在220 V的电压下,则相同时间内产生热量最多的是?为什么?
[分析]由W=Pt可知,三个用电器消耗的电能一样多。电视机:W=Q+E光;电动机:W=Q+Ek;电暖气:W=Q,所以相同时间内电暖气产生的热量多。
[答案]电暖气产生的热量最多
[阅读课本]P101“原来……而导线却不热。”
[思考]当电炉丝A和导线B通过的电流相同时,为什么电炉丝热的发红,而导线却几乎不发热?
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[提示]导线的电阻很小,而电炉丝的电阻很大,由焦耳定律Q=I2Rt可知,在相同时间内电流相同时,电阻越大、热量越多,因此电炉热得发红,而导线却不热。
[思考]你知道“直流融冰”技术的原理吗?
[提示]“直流融冰”一般会在输电线路中输入3000 A左右的大电流,当电阻、通电时间一定时,电流越大,产生的热量越多,产生的热量可以把电线上的冰全部熔化。
[思考]P101“想想议议”
[提示]这两种情况下有不同的变量,前者是在电压一定时,电阻越小,电流越大,电热与电流是二次方的关系,所以电流对电热影响较大。后者的前提是在电流一定时,电阻越大,电热越多。
[习题]一根60 Ω的电阻丝接在36 V的电源上,在5 min内共产生多少热量?
[分析]通过电阻丝的电流为
I=UR=36V60Ω=0.6 A
电流产生的热量为
Q=I2Rt=(0.6 A)2×60 Ω×5×60 s=6480 J
[答案]6480 J
探究点3 电热的利用和防止
[阅读课本]P101“电热的利用和防止”
[思考]电热对我们是有利还是有害的?
[提示]既有利又有害,电饭锅、电水壶等电热是有利的;手机、电脑等电热是有害的。
[思考]生活中电热器件有哪些优点?
[提示]具有清洁卫生、无污染、效率高、便于调节温度等优点。
[思考]我们如何防止电热带来的危害?
[提示]电视机的后盖有很多孔,就是为了通风散热,使用时一定要把防尘布罩拿开;电脑里安装了微型风扇及时散热等。
[归纳提升]电热器的优点:清洁卫生、效率高、方便调温;防止电热措施:设法散热、加散热窗、加风扇。
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[习题]下列各种方法和措施中,不是为了防止电热危害的是( )
A.电脑机箱中安有电风扇
B.炎热夏天,连续长时间工作的电视机要停用一会儿
C.天气潮湿时,长期不用的电器隔一段时间要通一次电
D.电视机的后盖上有许多散热孔
[分析]电脑机箱中安有电风扇,是为了加快空气流动速度,加快散热,使电脑内产生的热量能及时散出,属于防止电热危害;炎热夏天,连续长时间工作的电视机要停用一会儿,是为了防止产生过多的热量,影响电视机的正常使用,属于防止电热危害;天气潮湿时,长期不用的电器隔一段时间要通一次电,是利用电热来防潮,属于利用电热的例子;电视机的后盖上有许多散热孔,是为了把各电器元件产生的热量及时散出,属于防止电热危害。
[答案]C
三、板书设计
第4节 焦耳定律
1.电流的热效应
电能转化为内能
2.影响电流产生热量的因素
(1)电流的大小
(2)电阻的大小
(3)通电时间
3.焦耳定律
(1)内容
(2)公式:Q=I2Rt
4.电热的利用和防止
(1)电热的优点
(2)防止电热措施
◇教学反思◇
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在探究电热跟哪些因素有关的过程中,从猜想到设计实验到得出实验结论,需要引导学生经过认真的思考和讨论而完成设计实验的环节,需充分调动学生的学习积极性和创造能力,设计出多种实验方案,并对每一种方案的优缺点进行评估,使学生设计实验的能力得到了锻炼,同时也能很好地渗透物理思想。
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