習題2：科學探究：電流的熱效應

科學探究：電流的熱效應習題1．電流的熱效應電流通過導體時，導體會發(fā)熱，這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應。釋疑點電流熱效應的起因電流的熱效應是導體通電時都會發(fā)生的現(xiàn)象，熱效應現(xiàn)象的產(chǎn)生與導體電阻的存在有關。當電阻消失時，熱效應現(xiàn)象也就不存在了。點技巧理解電熱器利用電流做功將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的裝置，這類裝置統(tǒng)稱為電熱器?！纠?】下面的幾個用電器中，屬于電熱器的是（）A．電視機B．洗衣機C．電飯鍋D．電冰箱解析：電熱器是利用電流的熱效應制成的加熱設備，因為只有電飯煲是利用電流的熱效應工作的，其他都不是，故選C。答案：C2．焦耳定律（1）內(nèi)容：電流通過導體時產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導體的電阻成正比，與通電的時間成正比。（2）公式：Q＝I2Rt。Q表示電流通過導體產(chǎn)生的熱量，單位是J；I表示通過導體的電流，單位是A；R表示導體的電阻，單位是Ω；t表示通電時間，單位是s。（3）導出公式：Q＝W＝Pt＝UIt＝eq\f(U2,R)t。談重點純電阻電路這三個公式只適應于電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的情況，也就是電流所做的功全部用來產(chǎn)生熱量的純電阻電路中，如：電流通過電爐、電烙鐵、電飯鍋等電熱器時，電能幾乎全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，電熱器所產(chǎn)生的熱量就等于電流所做的功?！纠?】一只標有“220V,500W”的電爐，正常使用時，每分鐘放出的熱量是________焦。解析：Q＝Pt＝500W×60s＝3×104J答案：3×104J提示：在解答電熱有關的計算題時，要結(jié)合題目要求，靈活地運用電熱計算的基本公式Q＝I2Rt及推導式Q＝W＝Pt＝UIt＝eq\f(U2,R)t等。3．控制變量法對焦耳定律的定性研究實驗中運用了控制變量的方法。例如：研究熱量和電阻的關系時，兩瓶中的電阻絲是串聯(lián)的，電流和通電時間相同，只是兩電阻絲的阻值不同。研究熱量和時間的關系時，我們可取其中一個電阻絲進行研究，在電流不變的情況下觀察煤油柱升高的高度與時間的關系。點技巧控制變量有技巧在討論一個物理量G與A、B、C等幾個物理量之間的關系時，應采用控制變量法，如討論G和A的關系時，應讓B、C等其他的物理量保持不變。在本題中，若討論Q和I的關系，應觀察實驗裝置，能否讓R、t保持不變，若能保持不變，則能做這個實驗，否則就不能做。4．電熱的利與弊各種電熱器就是利用電來加熱的設備，例如電飯鍋、電熨斗、電熱水器、飲水機、電爐等。電動機、電視機、計算機等用電器在工作時，我們需要的并不是熱能，而是其他形式的能，這時候電流的熱效應會產(chǎn)生危害。如果熱量聚集過多，溫度升得太高，就有可能燒壞元件，損壞電器，甚至引發(fā)火災。（1）電熱的利用：電熱器是利用電來加熱的設備。電流通過導體，導體就要發(fā)熱，電熱器就是利用這種現(xiàn)象制成的，電熱器工作過程中，消耗的電能轉(zhuǎn)化成熱。電熱器的主要工作部分是發(fā)熱體，它是用電阻大、熔點高的金屬電阻線繞在絕緣材料上制作的。（2）防止電熱的危害：用電器中通過電流時產(chǎn)生的熱，會使導體的溫度升高，使用電器不能正常工作，并且使絕緣材料迅速老化，造成危害。因此在制作和使用電器時要采取有效措施進行散熱，以防止電熱造成的危害。5．焦耳定律計算電流產(chǎn)生的熱量時注意問題（1）焦耳定律Q＝I2Rt是由實驗總結(jié)出來的，只要有電流通過導體，都可以用它來計算所產(chǎn)生的熱量。（2）公式中的各物理量都是對同一段電路或同一導體而言的，也是對應于同一狀態(tài)的。即通過哪個用電器的電流，計算的就是哪個用電器產(chǎn)生的熱量；通過的電流改變了，用電器產(chǎn)生的熱量也就發(fā)生了變化。（3）公式中各物理量的單位要統(tǒng)一，I—安（A），R—歐（Ω），t—秒（s），Q—焦（J）。6．串并聯(lián)電路中有關電熱的比例計算在串聯(lián)電路中，因電流處處相等，依據(jù)Q＝I2Rt在相同時間內(nèi)，電流產(chǎn)生的熱量與電阻成正比，即eq\f(Q1,Q2)＝eq\f(R1,R2)；在并聯(lián)電路中，因各支路電壓相等，依據(jù)Q＝eq\f(U2,R)t在相同時間內(nèi)，電流產(chǎn)生的熱量與電阻成反比，即eq\f(Q2,Q1)＝eq\f(R1,R2)?！纠?】如圖所示的裝置，通電一定時間后，可以看到________瓶中煤油溫度升得高，這表明在相同的時間內(nèi)，電流相同的情況下，電阻越________，電流通過導線時產(chǎn)生的熱量越多。解析：本題是研究電流產(chǎn)生熱與電阻關系的實驗，電路連接為串聯(lián)電路，這樣才能使通過銅絲與鎳鉻合金絲的電流相等，通電時間相等，以便研究電熱與電阻的關系，這是物理實驗中常用的控制變量法。通電一定時間后，會發(fā)現(xiàn)B瓶中煤油溫度升得高，說明鎳鉻合金絲產(chǎn)生的熱量多，因為鎳鉻合金絲的電阻大于銅絲的電阻，所以該實驗表明在相同的時間內(nèi)，電流相同的情況下，電阻越大，電流通過導線時產(chǎn)生的熱量越多。答案：B大【例4】我們知道，電視機不屬于電熱器；但是，電視機在工作時，電流通過電視機內(nèi)的導體仍會產(chǎn)生熱量。這些熱量會使電視機的溫度升高，而電路中的半導體元件在高溫環(huán)境下容易損壞，所以必須考慮它的散熱問題。（1）電視機的后蓋上有許多小孔，你知道這些小孔的作用嗎？（2）為了防塵，有人給電視機蓋上漂亮的布罩，看電視時，只打開罩住電視屏幕的那部分，布罩仍在電視機上。你認為這樣做好不好？為什么？（3）有經(jīng)驗的電工師傅告訴我們：家用電器長期不用時，隔一段時間要通電一次。你知道這是為什么嗎？解析：（1）電視機在工作時，也會產(chǎn)生熱量，這些熱量如果不及時散失，容易燒壞電路元件。電視機后蓋上的許多小孔，就是為了通風散熱。（2）看電視時，布罩仍放在電視機上，遮住了散熱孔，影響電視機散熱，如果熱量聚集過多，就有可能損壞電視機，甚至引發(fā)火災。（3）家用電器長期不用，里面比較潮濕。潮濕會降低絕緣性能，并使金屬元件銹蝕，易造成電路失常，隔一段時間通一次電，利用電熱加快里面水分的蒸發(fā)，起到驅(qū)潮的作用。答案：（1）這些小孔叫散熱孔，作用是通風散熱，避免機內(nèi)元件在高溫下燒壞。（2）這樣做不好，布罩遮住了散熱孔，不利于電視機散熱。（3）電視機工作時會產(chǎn)生熱量，隔一段時間通電一次，可以利用電熱來驅(qū)潮?！纠?】如圖所示電路，電源電壓恒定不變，電阻R1＝20Ω，R2＝60Ω。當S斷開時，電流表的示數(shù)為A；當S閉合時，電流的示數(shù)為________A，電路1分鐘內(nèi)總共產(chǎn)生的熱量為________J。解析：U＝I1R1＝A×20Ω＝6V，I2＝eq\f(U,R2)＝eq\f(6V,60Ω)＝A，I＝I1＋I2＝A＋A＝A，Q＝UIt＝6V×A×60s＝144J。答案：144提示：本題還可以分別求兩電阻產(chǎn)生熱量然后相加即可得出電路產(chǎn)生的總熱量?！纠?】三個電阻的阻值比為R1∶R2∶R3＝1∶3∶5，若把它們串聯(lián)在電源上，在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比為Q1∶Q2∶Q3＝________，若把它們并聯(lián)在同一電源上，在相同的時間內(nèi)三個電阻產(chǎn)生的熱量之比為Q1∶Q2∶Q3＝________。解析：若把三個電阻串聯(lián)在電源上，它們的電流相等，時間又相同，根據(jù)公式Q＝I2Rt，所以產(chǎn)生熱量之比為Q1∶Q2∶Q3＝R1∶R2∶R3＝1∶3∶5。若把三個電阻并聯(lián)在電源上，時間又相同，并聯(lián)電壓相等，根據(jù)公式Q＝eq\f(U2,R)·t，所以產(chǎn)生熱量之比為Q1∶Q2∶Q3＝eq\f(1,R1)∶eq\f(1,R2)∶eq\f(1,R3)＝15∶5∶3.答案：1∶3∶515∶5∶37．探究影響電流熱效應的因素提出問題：電流通過電熱器產(chǎn)生熱量的多少與哪些因素有關？猜想與假設：可能與電流和通電時間有關。設計實驗：（1）怎樣比較通電導體產(chǎn)生熱量的多少？如果將一段電阻絲浸沒在一定質(zhì)量的液體（如煤油）中（如下圖），通電時電阻絲產(chǎn)生的熱量被液體吸收，液體的溫度就會升高。導體產(chǎn)生的熱量越多，液體吸熱后溫度的升高也越大。因此，我們可以通過比較相等質(zhì)量的同種液體溫度的升高來比較電阻絲發(fā)熱量的多少。（2）要研究導體中電流的大小對產(chǎn)生熱量的影響，應該使電阻絲的阻值不變，而使通過電阻絲的電流大小改變。實驗時，只要調(diào)節(jié)串聯(lián)在電路中的滑動變阻器就可以改變電路中電流的大小。進行實驗：（1）如圖所示連接電路，通電一定時間后切斷電源，分別觀測不同電阻絲所在液體溫度的變化。（2）保持通電時間相同，調(diào)節(jié)滑動變阻器改變通過電阻絲的電流大小，觀測電阻絲（如鎳鉻合金絲）所在液體溫度的變化。（3）延長通電時間，觀測液體溫度的變化。實驗結(jié)論：電流通過電阻絲時產(chǎn)生的熱量與通過導體的電流以及通電時間有關?！纠?－1】在研究焦耳定律時，實驗裝置如圖所示，那么該實驗裝置能研究電熱與哪些因素有關？（計時工具未畫出）解析：研究影響電熱因素時應用控制變量法，在I、R不變時，討論Q和t之間的關系；在R、t不變時，研究Q和I的關系；在I、t不變時，研究Q和R之間的關系。在圖示裝置中，若只觀察一個燒瓶，則R不變，在t相同時，移動滑片改變電流的情況下，可研究Q和I的關系；還可在電流I不變時，通過計時工具記錄時間，研究Q和t的關系。若觀察比較兩個燒瓶，在電流不變，時間相同時，研究Q和R的關系。答案：可研究Q和I、Q和R、Q和t的關系?！纠?－2】在“探究影響電流熱效應的因素”活動中，海洋同學為了研究通電導體電阻的大小對產(chǎn)生熱量多少的影響，設計的正確方案是：選擇兩個阻值________（選填“相等”或“不等”）的電阻絲，控制通過兩個電阻絲的電流________（選填“相等”或“不等”），通電時間相等，比較產(chǎn)生熱量多少。于是他找來兩段材料、粗細相同，長短不同的電阻絲分別繞制成兩個外形相同，長度不同的電阻圈串聯(lián)在電路中，同時將火柴棒分別插入兩個電阻圈中，如圖所示，他想通過火柴被點燃的先后來比較產(chǎn)生熱量多少。當電路接通后，他發(fā)現(xiàn)兩根火柴幾乎同時被點燃，于是得到電阻大小對產(chǎn)生熱量多少沒有影響的結(jié)論。你根據(jù)掌握的知識，判斷他的結(jié)論是________（選填“正確”或“錯誤”）的，請分析他實驗時火柴被同時點燃的主要原因是__________________________。