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【物理素材】电能的转换(十二)  

2014-06-23 06:18:30|  分类: 物理教学素材 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【物理素材】电能的转换(十二)

【物理素材】电能的转换(十二)





焦耳定律




实验:探究通电导体产生的热量与哪些因素有关
江苏南京29中致远校区 殷发金





实验:探究通电导体产生的热量与哪些因素有关
江苏南京29中致远校区 殷发金

实验目的:

 

1.探究通电导体产生的热量与哪些因素有关。

 

2.学习体会控制变量法在研究物理问题中的应用。

 

3.体验利用比较、归纳和总结的方法来描述实验结论。

 

实验原理:

 

电流通过电阻产生热量与电流、电阻和通电时间都有关,利用控制变量的方法来研究这三者对电热的影响。实验中把电热的多少转换成加热空气热胀冷缩的大小(加热物体升高温度的多少)。

 

实验器材:

 

焦耳定律实验探究装置。

 

实验步骤:

 

研究电热与电阻的关系

 

1.设计电路图,如图1(控制电流和通电时间相同);设计实验数据记录表格。

 

电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

图1                          图2

 

电流I/A

 

 

R1

R2

电阻/Ω

5

10

产生热量(多/少)

 

 

表1

 

2.检查两个U形管中液柱的高度是否相平,如果不相平,则需要进行调整。把两个密闭容器中的电阻丝串联。

 

3.断开开关,根据电路图连接实物,如图2。检查电路,把滑动变阻器滑片P移到阻值最大端。

 

4.闭合开关,调节滑片P到达某位置,读出此时电流的大小(要使缩短实验时间,电流可适当大一些)

 

5.观察两U形管中液柱高度的变化,把实验数据填入表1中。

 

研究电热与电流的关系

 

1.设计电路图,如图3(控制电流和通电时间相同);设计实验数据记录表格。

 

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图3                                      图4

 

电阻R/Ω

 

 

R1

R2

电流I/A

 

 

产生热量(多/少)

 

 

表2

 

2.检查两个U形管中液柱的高度是否相平,如果不相平,则需要进行调整。把两个密闭容器中的电阻丝串联。

 

3.断开开关,根据电路图连接实物,如图4。检查电路,把滑动变阻器滑片P移到阻值最大端。

 

4.闭合开关,调节滑片P到达某位置,读出此时电流的大小(要使缩短实验时间,电流可适当大一些),此时电流表的示数等于电阻R1中电流大小,电阻R2中的电流等于电流表读数的一半。

 

5.观察两U形管中液柱高度的变化,把实验数据填入表2中。

 

整理实验器材,实验完毕

 

分析论证

 

在研究电热与电阻关系的实验中,利用两个电阻串联的电流相等,与电阻大的密闭容器中的U形管中液面高,说明容器内空气受热膨胀较大,温度更高,电流通过电阻产生热量多。即在电流和通电时间相同时,电阻越大,电流通过电阻产生的热量越多。

 

在研究电流与电流关系的实验中,在电阻R2两端再并联一个相同的电阻,并联分电流,所以R2的电流就是干路R1电流的一半。分析实验数据,电阻R1所在容器液柱上升的较高,说明R1放出热量较多。在电阻和通电时间相同时,电流越大,电流通过电阻产生热量越多。

 

电热与通电时间的关系可以通过实验过程体现出来,对于某一个电阻丝所在容器,通电时间越长,液柱上升的越高,说明通电时间越长,电流通过电阻产生热量越多,没有必要再单独通过实验来探究。

 

通过本次实验可以得出电流通过电阻产生热量的多少与电流、电阻和通电时间都有关。电流越大、电阻越大、通电时间越长,电流通过电阻产生热量越多。

 

操作提示:

 

在设计电路时要利用控制变量的思想,电流、电阻和通电时间都能影响电热的大小,在探究其中一个物理量时,要控制其它量相同。在探究电热与电阻关系时,要控制电流相同,结合串、并联电路的特点,利用串联电路电流相等,所以把两个阻值不同的电阻串联进行实验。在探究电热与电流关系时,要控制电阻一定,电流不同,对于阻值相同的电阻,电流不同,只有让电阻两端电压不同,所以采用了另一个相同电阻与其中一个并联,把这两个电阻并联看作是一个整体。

 

在连接电路时开关要断开,开关闭合前要检查电路,滑动变阻器的滑片P要移到阻值最大端;实验中要缩短时间,可以使电路中的电流稍大一些,还要注意U形管中液体的量,气体热胀冷缩较大,液柱不要溢出U形管。

 

本实验是利用空气的热胀冷缩的性质来反映电流通过电阻产生热量的多少,现象比较明显,测量方便。实验中也可以利用电阻丝加热液体(如煤油等),通过液体温度上升的数值来比较放出热量多少。

 

本实验只是探究电流通过导体产生热量与电流、电阻和通电时间的关系,由于受到实验条件和学生思维层次水平限制,只能得到一个定性的关系,无法得出它们之间的数值关系。焦耳定律的得出是在大量实验基础上确定出来的。





《焦耳定律》同步测试
江苏南京29中致远校区 殷发金






《焦耳定律》同步测试
江苏南京29中致远校区 殷发金

一、选择题

 

1.关于电热的利用,下列说法中错误的是(  )

 

A.电热对我们来说总是有利的

 

B.电视机、收音机上开小孔是为了散热

 

C.电饭锅是利用电流热效应来工作的

 

D.梅雨季节可用电热给电视机驱潮

 

答案:A

 

解析:电流做功放出热量,这是电流的热效应,主要是把电能转化为内能。在实际生活中我们有利用电热的地方,也有防止电热造成危害。如本题中C、D选项中是利用电热加热物体,是对我们有利的方面;但B选项中用电器的散热孔就是为了散热,防止用电器温度过高造成危害。本题体现了利用辩证的态度对待事物的思想。

 

2.一台“220V  60W”的电风扇、一盏“36V  60W”的白炽灯和一只“110V  60W”的电热器各自在额定电压下工作,比较它们相同通电时间内产生的热量是(    )

 

A.电风扇最多    B.电热器最多    C.白炽灯最多    D.三者一样多

 

答案:B

 

解析:电流做功的过程是把电能转化为其他形式能的过程,不同的用电器电能转化的结果不一定相同。电风扇主要是把电能转化为机械能,少量的转化为热能;电热器把消耗的电能全部转化为热能;白炽灯把电能转化为光能和热能。它们的额定功率相同,正常工作相同时间,消耗的电能相同,所以电热器产生的热量最多。

 

3.电炉丝通电后热得发红,而跟电炉丝连接的铜导线却不怎么热,这是因为(    )

 

A.通过电炉丝的电流比通过铜导线的电流大

 

B.铜导线的电阻小,因而产生的热量少,而电炉丝电阻大,产生的热量多

 

C.铜导线有绝缘层,所以不怎么热

 

D.铜导线比电炉传热快,所以不容易热

 

答案:B

 

解析:根据题意,电炉的电阻丝和连接的铜导线是串联的,通过它们的电流是相等的,而电炉丝电阻要比铜导线的电阻大得多,根据焦耳定律Q=I2Rt,因此在相等的时间内电炉丝放出的热量比铜导线大得多。

 

4.下面实验是研究电热与电流关系的是(    )

 

A.把两段不同的电热丝串联后,分别放在质量和初温均相同的煤油瓶中,通电后,比较油瓶中的煤油上升的温度

 

B.把两根相同的电热丝放在质量和初温相同的煤油中,通过相同的电流,通电时间不同,比较煤油瓶中的煤油上升的温度

 

C.把两根相同的电热丝放在质量和初温相同的煤油瓶中,分别通过不同的电流,通电时间相同,比较煤油瓶中的煤油上升的温度

 

D.把两根不同的电热丝并联,分别放在质量和初温相同的煤油瓶中,通电时间相同,比较煤油瓶中的煤油上升的温度

 

答案:C

 

解析:控制变量是一个重要的物理方法,在研究多个物理量,要控制其它量相同,改变其中一个,观察它对实验结果的影响。由焦耳定律可知,电热与电流、电阻和通电时间都有关,要研究电热与电流的关系,要控制电流和通电时间相同。所以要选择两根阻值相同的电阻丝,通电时间相同,但电流不能相同。电流做功放热的多少无法直接看出,我们通过加热物体,在研究时比较煤油温度升高的多少来比较放出热量的多少。

 

5.(2013乐山)下列关于如图1所示实验的说法中错误的是(  )

 

菁优网

 

图1

 

A.该实验研究的是电流的热效应

 

B.实验中采用了控制变量法

 

C.观察实验现象可知:在其它条件相同时,电阻越大,电流做功放出的热量越少

 

D.实验中是通过观察温度计示数的高低来判断电流通过导体时产生热量的多少

 

答案:C

 

解析:当电流通过时,导体会发热,这是电流的热效应,本题的实验是研究电流做功放出热量多少的,即电流的热效应。根据焦耳定律,电流做功放出热量的多少与电流、电阻和通电时间有关,在研究它们的关系时要用到控制变量法,每一次只改变其中的某一个因素,而控制其余几个因素不变,本题中两根电阻丝串联,它们的电流和通电时间相等,电阻越大,电流做功放出的热量越多。在比较电流做功放出热量的多少时,利用了转换法。物理学中对于一些看不见摸不着的现象或不易直接测量的物理量,通常用一些非常直观的现象去认识或用易测量的物理量间接测量,本题中把看不见的电流做功放出热量转换成了液体温度升高的多少。

 

6.小明家新买一规格为“800W”的电热水壶,他经过几次使用后发现:晚饭后烧开一壶水总比早晨烧开一壶水所用的时间长,你认为主要原因是(    )

 

A.晚间电热水壶两端的电压低于早晨电热水壶两端的电压

 

B.晚间大气压升高,水的沸点升高,需要的热量比早晨多

 

C.晚间环境温度比早晨的温度偏低

 

D.晚间烧水时热量散失比早晨多

 

答案:A

 

解析:烧开同一壶水,所需要的热量是一定的,即电热丝放出的热量是一定的,并且同一电水壶在工作时,电阻可以认为是不变的。接在家庭电路中不同时间段时,要考虑到电压的变化。晚间用电高峰时,电网电压会降低,而早晨时用电较少,电网电压较高,所以根据电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间可以判断出Q、R一定时,U越高,t越小。

 

7.在电学中有这样一个问题:电炉丝通过导线接到电路里,电炉丝和导线通过的电流相同。为什么电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热?对此同学甲这样解释:因为导线电阻很小,电炉丝电阻很大,根据焦耳定律,Q=I2Rt,电流相同,时间相同,热量与导体电阻成正比。同学乙解释为:因为导线电阻很小,电炉丝电阻很大,所以电炉丝两端电压比导线两端电压大得多,电流通过导体产生的热量Q=W=UIt,根据该式,在I、t相同时,热量与导体两端电压成正比。对于同学甲和同学乙的解释,下列观点正确的是(  )

 

A.同学甲和同学乙的解释都不正确

 

B.同学甲和同学乙的解释都正确

 

C.同学甲的解释正确,同学乙的解释不正确

 

D.同学甲的解释不正确,同学乙的解释正确

 

答案:B

 

解析:根据焦耳定律Q=I2Rt,电流产生热量的多少与电流、电阻和通电时间有关,在电流相同时,电阻越大,电流产生的热量越多,所以甲同学的解释是正确的。在电能全部转化为热能的情况下,W=Q,也可以用电流做功的多少Q=W=UIt进行判断,因为电炉丝与导线是串联的,所以电流相等,电炉丝的电阻比导线的电阻大的多,根据欧姆定律,电炉丝两端的电压也比导线两端电压大的多,所以相同时间内,电炉丝产生的热量也比导线大的多,乙同学的解释也是正确的。乙同学在本题的解释中是正确的,但用电器工作时把电能没有全部转化为内能时,他的解释就不正确了,因为在这样的电路中,电流做功就不等于产生的热量。

 

8.小明家的电热毯内的电阻丝断了,他爸爸把断了的电阻丝搭在一起,电热毯仍能使用,但不久又会在搭接处烧断.会在搭接处烧断的原因是(  )

 

A.电阻丝上搭接处电阻较小,造成局部过热

 

B.电阻丝上搭接处电阻较大,造成局部过热

 

C.电阻丝上搭接处电流比其它处电流小,造成局部过热

 

D.电阻丝上搭接处电流比其它处电流大,造成局部过热

 

答案:B

 

解析:这是利用焦耳定律来解释生活实际的问题。电热毯搭接处再次被烧断,说明在搭接入一定时间内放出热量多,根据欧姆定律Q=I2Rt可知,在电流和通电时间相同时,搭接处电阻变大才会导致这种情况出现。将电阻丝的两个断头接上后,接头处是两根导线相切,由于接触的部位很少,很细,电阻就较大,在电流、通电时间相同的情况下,电阻大电阻越大,产生的热量越多,温度越高,因此搭接头处容易被烧断。

 

9.白炽灯泡的灯丝常在开灯的瞬间烧断,其原因是在开灯的瞬间(    )

 

A.灯泡上的电压特别大,因而电流也很大

 

B.灯丝的电阻比较小,因而电流很大

 

C.灯丝的电阻特别大,产生的热量特别大

 

D.灯丝低温时比较脆

 

答案:B

 

解析:灯丝被烧断是因为灯丝的温度瞬间过高导致的。在刚开灯时,灯丝处于冷态,灯丝电阻较小,在电压一定时,流过灯的电流较大,在短时间内电流在灯丝上做功放出热量较多,灯丝温度上升较快,有可能超过灯丝的熔点而烧断。当工作一段时间后,灯丝的温度与外界温度基本趋于平衡。灯丝的电阻与温度有很大的关系,白炽灯正常发光时的电阻是不通电时电阻的10倍以上,刚通电的瞬间其电流是正常工作后电流的10倍以上,所以短时间内放出的热量非常多。

 

10.阻值为R的电阻丝,接到电源上6分钟烧开一壶水,现在用两根同样的电热丝串联起来,烧同样一壶水,需要的时间是(不考虑热损失)(    )

 

A.12分钟      B.4分钟     C.8分钟       D.6分钟

 

答案:A

 

解析:一壶水烧开,需要吸收的热量几乎是相等的,并且电阻丝通电后,把电能全部转化成了内能,即Q=W。两种情况下电热丝两端的电压相等,焦耳定律结合欧姆定律变化可以得到:电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间,电阻丝串联后,总电阻变为一根的2倍,在电压和放出相同热量时,需要的时间也为原来的2倍。

 

11把一台电动机接入电压为220V的电路中,通过电动机的电流为5A,电动机线圈的电阻为2Ω,1min通过线圈的电流产生的热量为(  )

 

A.1452000J    B.3000J    C.66000J     D.50J

 

答案:B

 

解析:本题主要考查了电功与电热的区别,只有当电流做功全部转化为产生的热量时,电功才等于电热,否则不等。本题中电动机工作时把电能转化为动能和内能,电功不等于电热。电动机消耗的电能可以利用W=UIt进行计算,电流产生的热量可以利用焦耳定律Q=I2Rt进行计算。

 

消耗的电能为:W=UIt=220V×5A×60s=66000J

 

电流产生的热量为:Q=I2Rt=(5A)2×2Ω×60s=3000J

 

本题还可以求出输出的机械能,它等于消耗的电能与电流产生的热量的差值。

 

二、填空题

 

12.由于电流的_____________效应,当电流通过电阻时会产生热量。一根60Ω的电阻丝接在36V的电源上,通过电阻丝的电流为_________A,在10min内产生的热量为________________J。

 

答案:热效应  0.6A  1.296×104J

 

解析:导体有电阻存在,所以有电流通过时就会产生热量,这是电流的热效应。当电流做功全部转化为内能的时候,可以利用Q=W=UIt计算放出热量。

 

13.额定功率为1000W的电热水壶正常时,将质量为1.5kg的水从20℃加热至100℃,耗时10min,则水要吸收             J的热量,水壶消耗电能为___________J,该水壶的效率为             

 

答案:5.04×105J    6×105J    84%

 

解析:电流做功放出热量给水吸收,水吸热可以利用Q=cmΔt来计算;本题中电流做的功全部转化为内能,所以电功等于电热,即Q=W=Pt

 

Q=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×1.5kg×(100℃-20℃)=5.04×105J

 

W=Q=Pt=1000W×600s=6×105J

 

电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

14.如果给串联的节日彩灯电路中串联入一个跳泡,它会使电路不断的通、断,使整串彩灯一会儿亮,一会儿灭,一闪一闪的,十分好看。跳泡的结构如图2所示:在常温下,中间竖立的双金属片和旁边的倒L形引线挨在一起,如图甲所示;通电后,电流经双金属片通入灯丝,使跳泡发光。由于跳泡内的灯丝发光,双金属片受热变弯,离开原来的位置,使电路切断,如图乙所示;没有电流通过,双金属片冷却恢复原来形状,又使电畔接通。现有一串这样的节日彩灯接在电源上(电源电压一定),忽然其中几只彩灯熄灭了,其余彩灯虽仍然一亮一灭的发光,但闪光的频率却比原来快了。(1)那几只熄灭的彩灯不亮的原因是________________________;(2)其余彩灯闪光频率加快的原因是________________。

 

菁优网

图2

 

答案:(1)熄灭的彩灯发生短路;(2)几只彩灯由于短路而熄灭,使整串彩灯的总电阻变小,电路中电流变大,跳泡发热加快,使双金属片达到切断电路的温度的时间变短。

 

解析:因彩灯为串联,因其余灯泡仍然发光,由串联电路的特点可知电路仍保持导通状态,则可知彩灯不亮的原因只能是灯泡发生了短路。如果发生断路,则整个彩灯都不亮。彩灯闪光的原因是因为跳泡的作用,它在此电路中相当于开关。几只彩灯由于短路而熄灭,使整串彩灯的总电阻变小,电源电压不变,根据欧姆定律,电路中电流变大,流过跳泡的电流变大。根据焦耳定律Q=I2Rt,跳泡的灯丝能在较短的时间内发热,使双金属片达到切断电路的温度,跳泡接通和切断电路的频率加快。

 

三、解答题

 

15.电熨斗往往采用如图3所示的电路来保温:

 

(1)电熨斗正常使用时开关S应断开还是闭合?

 

(2)如果熨斗的电阻丝R的额定功率为400W,灯L标有“PZ220-100”,则当电熨斗处于保温状态时电阻丝R的实际功率是多大?此时整个电路的功率是多大?此时电路总功率比电熨斗正常发热时的功率少了多少?(不考虑温度对灯丝电阻的影响)

 

76F91FAC

 

图3

 

答案:(1)S闭合  (2)

 

解析:本题中的电熨斗的电热丝与灯泡是串联的,当开关S闭合时,灯被开关短路。电熨斗是利用了电流的热效应,正常工作时要使电熨斗温度达到较高,相同时间内要电流要产生较多的热量,根据焦耳定可知,电路中电流要较大,只有把开关S闭合,把灯泡短路,电路总电阻变小,电流变大。当开关S断开时,灯与电阻丝串联,电阻较大,电路中电流较小,电路总功率也变小,处于保温状态,可以节约能源。

 

灯泡的电阻:电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

电阻丝的电阻:电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

当电熨斗处于保温状态时

 

电路中的电流为:电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

电阻丝R的实际功率PR实=UI=I2RR=(0.364A)2×121Ω=15W

 

电路总功率为:P=UI=220V×0.364A=80W

 

此时电路的总功率比电熨斗正常发热时的功率少了320W

 

16.(2013年玉林防城港如图4所示是一台电热水器铭牌上的部分信息。请根据铭牌提供的信息解答下列问题:[c=4.2×103J/(kg?℃)]

 

(1)若给该电热水器装满水进行加热,使水的温度从22℃学科网(www.zxxk.com)--教育资源门户,提供试卷、教案、课件、论文、素材及各类教学资源下载,还有大量而丰富的教学相关资讯!升高到62℃,求水吸收的热量。

 

(2)如果电热水器正常工作时,所产生的热量有80%被水吸收,则上一问题中给水加热的时间是多少?

 

(3)当电热水器通电后水温达到最高时,为什么与电热水器连接的铜导线却不怎么热?

 

电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

图4

 

答案:(1)1.68×106J;(2)1050s;(3)导线与电热丝是串联的,电流相等,但铜导线的电阻很小,根据焦耳定律,在相同时间内产生的热量比电热丝少的多。

 

解析:电热水器就是利用了电流的热效应,把电能转化为内能。但电流产生的热量不可能被水全部吸收,本题中水吸收的热量只占电流产生热量的80%,即电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

水的质量为:m=ρV=1×103kg/m3×10×10-3m3=10kg

 

水吸收的热量为:Q=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)×10kg×(62℃-22℃)=1.68×106J

 

电流产生的热量为:电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间

 

Q=W=Pt得到加热时间为电能的转换(十二) - 惊鸿岂止一现 - 云雷屯,君子以经纶-高垚骏的物理空间












 

 

 

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