15.4探究焦耳定律(沪粤新版)

15.4探究焦耳定律六安市叶集区孙岗中学董瑞明生活中的物理上周六，我们班刘扬同学的爸爸出门前嘱咐他好好写作业，不要看电视。爸爸回来时看到他在认真写作业，电视机也没打开，很高兴。可是，爸爸用手一摸电视机后盖后就发现，刘扬刚看过电视。谁能知道刘扬爸爸是根据什么道理判断的？因为电视机还在发热！生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象产生。电热油汀电炉电暖器电水壶电熨斗电饭锅热得快认一认下列用电器：这些用电器在工作时有什么共同之处？通电后都会发热电流通过导体，导体会发热的现象，叫电流的热效应今天我们研究通电导体放出的热量有什么规律。一、通电导体放出的热量跟哪些因素有关活动：探究通电导体放出的热量跟哪些因素有关1、提出问题：电流通过电热器产生的热量与哪些因素有关？烫手不烫手小灯泡灯丝和导线通过的电流相同。为什么灯丝热的发光，而导线却几乎不发热？2、猜想与假设：着火了！多用插座为什么不允许大功率用电器同时使用？烫手不烫手跟电流有关跟电阻有关还应该跟时间有关（1）.如何知道电流产生热量的多少：（2）运用好控制变量的思想:①选两个相同的容器;②装质量相等、初温相同的煤油;④要比较Q与I的关系，应保持电阻不变，可以只观察不同的电流通过同一个电阻时，产生的热量所引起的温度计示数高低。3、制定计划与设计实验：转换法在某一段时间内，可以通过观察温度计示数的高低，来反映电流通过导体产生的热量。③要比较Q与R的关系，需要控制两个导体中的电流相等，因此，两个导体应该串联；（1）要研究电阻对电流产生的热量的影响，应该控制和不变，则可以让两个阻值不同的电阻（串联／并联）后接入电路。电流通电时间串联（2）要研究电流大小对电流产生的热量的影响,应控制和不变，改变。电阻通电时间电流的大小（3）要研究通电时间对电流产生的热量的影响,应控制和不变,改变。电流电阻通电时间（3）实验设计：AR1R24、进行实验与收集证据：实验1：探究导体产生的热量跟电阻的关系温度t/℃t0R1=5ΩR2=10Ωt1t2t3t4实验2：探究导体产生的热量跟电流的关系实验3：探究导体产生的热量跟通电时间的关系AR5、分析论证、得出结论：进一步的研究表明产生的热量与电流的平方成正比.（1）在通电电流和通电时间相同的条件下，电阻越大，电流产生的热量越多.（3）在通电电流和电阻相同的条件下，通电时间越长，电流产生的热量越多.（2）在电阻和通电时间相同的条件下，电流越大，电流产生的热量越多.二、焦耳定律：1.内容：电流通过导体时产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比.英国物理学家焦耳做了大量的实验，于1840年最先精确地确定电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系，即焦耳定律。2.公式：Q=I2Rt3.单位：I-安，R-欧，t-秒，Q-焦.注意：热量跟电流的平方成正比，若通过一个用电器的电流增加到3倍，其它条件相同时，它产生的热量增大到9倍。焦耳在1818年12月24日生于英国曼彻斯特。父亲是一个酿酒厂主.焦耳自幼随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿.道尔顿给予了焦耳热情的教导.焦耳向他虚心的学习了数学、哲学和化学，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础.1840年，焦耳把环形线圈放在装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温.通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比.四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性.因此，该定律称为焦耳—楞次定律.焦耳活到了七十一岁.1889年10月11日，焦耳在索福特逝世.后人为了纪念焦耳，把功和能的单位定为焦耳.焦耳(1818－1889）∴Q=W=UIt=I2Rt∵W=UIt若电流做的功全部用来产生热量焦耳定律是在大量实验数据的基础上归纳得出的。但是根据电功公式和欧姆定律也可以理论推导出焦耳定律。焦耳定律适用于任何用电器的热量计算，对只存在电流热效应的电路也可用Q=W=UIt=Pt=U2/Rt来计算热量.则Q=W因此，Q=I2Rt与W=UIt是有区别的：只把电能转化为内能①在纯电阻电路中，这两个公式是通用的。②在非纯电阻电路中，W=IUt公式求得的是总消耗的电能；Q=I2Rt公式求得的是在总电能中转化为内能的那部分能量。电能不仅仅转化为内能纯电阻电路：W=Q=Pt=UIt=U2/Rt=I2Rt非纯电阻电路：W＞Q(W＝UIt=W其他＋Q)解：方法一：例1：某电热器接在220V的电源上，其电阻是100Ω，则通电8min能产生多少热量？求：Q=？已知：U=220V，R=100Ω，t=8min=480s。通过电阻的电流I为：I=U/R=220V/100Ω=2.2A根据焦耳定律，电热器产生的热量Q为：方法二：Q=I2Rt=(2.2A)2×100Ω×480S/≈2.3×105JQ=U2/Rt=（220V）2/100Ω×480S=232320J例2：一电动机线圈的电阻为1Ω，线圈两端所加电压为2V时，电流为1A，电动机正常工作。（1）电动机正常工作时的能量转化？（2）电动机正常工作1min所消耗的电能为多少J？（3）电动机正常工作1min所产生的电热为多少J？（4）电动机正常工作1min所提供的机械能为多少？（5）如果想让电动机的电能全部转化为内能，可以怎样实施？非纯电阻电路的电热（Q）计算：QW（电能只有少部分转化为内能）Q=UIt（定义式）导出式：欧姆定律RUI代换法U2RtW=×××Q=Pt×因此，对于非纯电阻电路：计算消耗的电能只有一个公式：W=UIt计算电热只有一个公式：Q=I2Rt计算机械能只有一个公式：W机械=W-Q分析指导自主或合作探究（1）电炉通电后，为什么炉丝热得发红，而连接电炉的导线发热却觉察不出来？（2）当电源短路时，导线为什么会明显发热？（3）由于电线存在电阻，所以电能在输送的过程中会产生电热，造成电能的损失。为了减少电热造成的损失，在输电时采取高压输电的办法。试运用学过的电功率、焦耳定律等知识，通过推理证明高压输电的合理性。电流热效应的应用很广泛三、电流热效应的应用与控制1、电流热效应的应用电热器：利用电流的热效应制成的加热设备①电热器的主要组成部分：发热体②发热体一般由电阻率大、熔点高的金属丝绕在绝缘材料上做成的。③电热器的优点：清洁、无污染、热效率高，且便于控制和调节。散热片散热窗散热小风扇2、电流热效应的控制（防护）上面这些东西里都装有散热装置，你知道它们是怎样散热的吗？你还知道哪些电器采取了散热措施？安装了什么样的散热装置？1︰94︰3课堂练习：1.为了研究温度对种子发芽的影响,课外活动小组要做一只电烘箱,要求在10min内产生6×104J的热量,接用的是家庭电路,请计算一下这只电烘箱电热丝的电阻是多少?2.标有“220V100W”的白炽灯正常工作时,在1min内将产生多少热量?将消耗多少电能?若接在55V的电路中呢?3.两个电热器的电阻之比为4︰3，通过相同的电流，在相等的时间里产生的热量之比为_____；若两个电热器的电阻相同，通过的电流强度为1︰3，在相等的时间里产生的热量之比为______。4.如图所示，电源电压220伏，R是电烙铁，标有“220V，40W”字样；L是电灯泡，标有“PZ220—40”字样.当开关S闭合时，电烙铁每分钟产生的热量是______焦，当开关S断开时，电烙铁的实际功率是__瓦；开关S断开后，整个电路工作__小时消耗1千瓦时电能.5.如图是一个电热毯的简化电路图，电源电压为220V，R1是发热电阻，R2是阻值为616Ω的分压电阻，S是控制电热毯工作状态的开关。S转到触点1为断开状态；S转到触点2为低温状态；S转到触点3为高温状态，此时功率为100W。求：（l）当开关S转到触点3时,电热毯的发热电阻R1是多少Ω？（2）当开关S转到触点2时，通过电路的电流是多少安？发热电阻R1消耗的功率是多少瓦特？6.CFXB型“220V1100W”电饭煲的原理图如图所示，它有高温烧煮和焖饭、保温两挡，通过单刀双掷开关S进行调节，R0为电热丝．当开关S接高温烧煮挡时，电路的功率为1100W，当开关S接焖饭、保温挡时，电路的总功率为22W．（1）电饭煲在高温烧煮挡时，开关S应与哪个触点连接？（2）电热丝R0的阻值多大？（3）当电饭煲在正常焖饭、保温时电路中的电流多大？焖饭、保温10min，电热丝R0产生的热量为多少？（1）分析饮水机何时处在加热状态和何时处在保温状态。（2）如果饮水机在加热状态时加热板的电功率是400W，在保温状态时加热板的功率是加热功率的1/9倍，求电阻R1和R2的阻值。7.饮水机是一种常用的家用电器，主要是利用电流热效应来工作的。其工作电路可简化为如右图所示电路，其中S是温控开关。8、小明家里买了一只电热水壶，铭牌上标有“220V100W”字样。他想：该壶正常工作时烧水的效率多大？请你帮助小明设计一个探究电热水壶烧水效率的实验。要求写出：(1)需要测量的物理量；(2)热水壶效率的表达式。9.（03安徽）有一台直流电动机在220V的电压下工作时，电流为35A。用它匀速提升质量为1400kg的货物，在2s内提升了1m。设电动机输出的能量全部用来提升货物。问：（1）2s内电动机对货物做了多少功？（2）这期间电动机的效率是多少？（3）电动机消耗的电能转化成了哪些形式的能量？10.（08安徽）如图所示的电动机是一种使用广泛的动力机械，从能量转化的角度看．它主要是把电能转化为机械能，还有一部分能量在线圈中以热量的形式散失掉。现有一台电动机，当电动机两端加220V电压时，通过电动机线圈的电流为50A。问：（1）每分钟该电动机消耗的电能是多少？（2）已知电流通过导体时产生的热量Q=I2Rt（其中I、R和t分别表示通过导体的电流、导体的电阻和通电时间），若该电动机线圈的电阻是0.4Ω，则线圈每分钟产生的热量是多少?（3）这台电动机每分钟所做的机械功是多少?