解讀電熱

作者簡(jiǎn)介高虹燕,鄭州八中物理教師.曾獲得鄭州市五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?并獲鄭州市“技術(shù)狀元”稱號(hào).2006年獲河南省優(yōu)質(zhì)課大賽一等獎(jiǎng),2007年獲全國(guó)物理教學(xué)改革創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng).在全國(guó)初中物理競(jìng)賽中,輔導(dǎo)的學(xué)生多人次獲全國(guó)一?二等獎(jiǎng)和省獎(jiǎng),多次被評(píng)為“全國(guó)優(yōu)秀指導(dǎo)教師”和“河南省優(yōu)秀輔導(dǎo)教師”.編寫有十余本教輔書(shū)籍,并在報(bào)刊上發(fā)表有多篇學(xué)習(xí)指導(dǎo)文章.

在我們的生活中,很多用電器都與熱有關(guān),比如電飯鍋?電熨斗?電熱毯?電爐等,它們是如何工作的?產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)?使用時(shí)應(yīng)注意什么呢?讓我們一起走進(jìn)電與熱組成的奇妙世界吧!

一?電流的熱效應(yīng)

電流通過(guò)導(dǎo)體做功時(shí),把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.如果電路中有用電器,則電流通過(guò)用電器時(shí)電能轉(zhuǎn)化為熱能,使用電器發(fā)熱,溫度升高,這就是電流的熱效應(yīng).電流的熱效應(yīng)是電流的普遍現(xiàn)象,上述用電器都是利用電流的熱效應(yīng)來(lái)工作的.

例1隨著科技的不斷進(jìn)步,出現(xiàn)了利用纖維材料制成的?接上電池就可以發(fā)熱的“發(fā)熱紙”.通電后,用這種紙包裝的食品便可香熱可口.這種“發(fā)熱紙”在工作時(shí)將_______能轉(zhuǎn)化為_(kāi)______能.

分析由于這種材料接上電池就可以發(fā)熱,說(shuō)明它工作時(shí)消耗了電能,得到了熱能,是利用電流的熱效應(yīng)來(lái)工作的.

答案:電熱

二?焦耳定律

1. 內(nèi)容:電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比,跟導(dǎo)體的電阻成正比,跟通電時(shí)間成正比.

2. 數(shù)學(xué)表達(dá)式:Q=I2Rt.焦耳定律是對(duì)電流熱效應(yīng)規(guī)律的定量描述.

注意:(1)Q=I2Rt既可用于電能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的純電阻電路,也可用于有電動(dòng)機(jī)等的非純電阻電路.(2)在電流相同時(shí),電能轉(zhuǎn)化成熱能時(shí)的功率跟導(dǎo)體的電阻成正比,表達(dá)式為P熱 =I2R.

例2愛(ài)動(dòng)腦筋的小明在探究焦耳定律時(shí),設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn),只連接一次電路就完成了實(shí)驗(yàn)探究. 他的方法是:用電阻絲(其中R甲 ≠R乙 )給燒瓶中的煤油(煤油質(zhì)量相同)加熱,然后觀察煤油在插入密封燒瓶里的玻璃管中上升的高度,就可以對(duì)比電阻絲放熱的多少.請(qǐng)你仔細(xì)觀察小明設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路,并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析回答下列問(wèn)題:

(1)探究電熱的多少與電流的關(guān)系,應(yīng)該對(duì)比_______兩個(gè)燒瓶中煤油柱上升的高度,這兩個(gè)燒瓶中電阻絲的阻值應(yīng)該_______.

(2)探究電熱的多少與電阻的關(guān)系,應(yīng)該對(duì)比_______兩個(gè)燒瓶中煤油柱上升的高度.

分析探究電熱的多少與電流的關(guān)系,應(yīng)控制兩個(gè)燒瓶中的電阻絲阻值相同,而改變它們的電流.圖中甲?乙兩個(gè)電阻絲串聯(lián),電流相等,不符合條件.而丙燒瓶所在的電路與甲?乙兩燒瓶串聯(lián)后的電路并聯(lián),故通過(guò)甲?丙(或乙?丙)兩個(gè)燒瓶的電流不相等,符合條件.所以應(yīng)該對(duì)比甲?丙(或乙?丙)兩個(gè)燒瓶中煤油柱上升的高度,而這兩個(gè)燒瓶中電阻絲的阻值應(yīng)該相同,即當(dāng)甲?丙兩個(gè)燒瓶中電阻絲的阻值相同時(shí),就比較甲?丙兩燒瓶中煤油柱上升的高度;若乙?丙兩燒瓶中的電阻絲阻值相同,就比較乙?丙兩燒瓶中煤油柱上升的高度.在探究電熱的多少與電阻的關(guān)系時(shí),應(yīng)控制通過(guò)兩個(gè)燒瓶中電阻絲的電流相同,而阻值不同,故應(yīng)該對(duì)比甲?乙兩個(gè)燒瓶中煤油柱上升的高度.

答案:(1)甲?丙(或乙?丙)相等(2)甲?乙

三?電熱和電功的關(guān)系

電流做功W=UIt跟電流產(chǎn)生的熱量Q=I2Rt的關(guān)系,簡(jiǎn)單地說(shuō)是整體與局部?全體與部分的關(guān)系.

1. 在電路中接入的如果是電爐?白熾燈?電烙鐵等“純電阻性”用電器,當(dāng)電流通過(guò)時(shí),消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,此時(shí)電功和電熱的計(jì)算相同,即W=Q,導(dǎo)出公式為Q= t=UIt=Pt.

2. 在電路中接入電動(dòng)機(jī)?充電的蓄電池等,當(dāng)有電流通過(guò)時(shí),消耗的電能中大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?化學(xué)能,只有一部分電能消耗在導(dǎo)線上,克服電阻做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故此時(shí)電熱Q只是電功W中的一部分,即W>Q.

例3小強(qiáng)同學(xué)設(shè)計(jì)了一種電熱水壺,電路如下頁(yè)圖2所示,S是溫控開(kāi)關(guān),R1為發(fā)熱體.當(dāng)開(kāi)關(guān)S接到a時(shí),電熱水壺處于加熱狀態(tài),此時(shí)發(fā)熱體的電功率為1 000 W;當(dāng)水燒開(kāi)時(shí),開(kāi)關(guān)S自動(dòng)切換到b,電熱水壺處于保溫狀態(tài),此時(shí)發(fā)熱體的電功率為88 W.

(1)請(qǐng)你算出R1?R2的電阻值(不計(jì)溫度對(duì)電阻值的影響).

(2)為充分利用好電能,在不改變電路連接方法的前提下,請(qǐng)你對(duì)小強(qiáng)的設(shè)計(jì)提出合理的改進(jìn)辦法.

分析(1)當(dāng)開(kāi)關(guān)S接到a時(shí),電路中只連入R1,此時(shí)電熱水壺處于加熱狀態(tài),發(fā)熱體的電功率為1 000 W,可得R1= = =48.4 Ω.當(dāng)開(kāi)關(guān)S自動(dòng)切換到b時(shí),電路中連入R1和R2,R1與R2串聯(lián),電熱水壺處于保溫狀態(tài),此時(shí)發(fā)熱體的電功率為88 W,可得R總 = = =550 Ω,則R2=R總 -R1=501.6 Ω.

(2)小強(qiáng)設(shè)計(jì)的電路中干路上沒(méi)有開(kāi)關(guān),將導(dǎo)致R1一直工作,這不符合節(jié)約用電的原則.應(yīng)在干路上加一個(gè)總開(kāi)關(guān).

答案:(1)R1=48.4 Ω,R2=501.6 Ω.(2)如圖3所示.

四?電熱器

1. 電熱的利用.

(1)電熱器的主要組成部分是發(fā)熱體,發(fā)熱體是由電阻率大?熔點(diǎn)高的合金絲繞在絕緣材料上做成的.

(2)電熱器的優(yōu)點(diǎn):①清潔衛(wèi)生,沒(méi)有環(huán)境污染;②熱效率高;③可以方便地控制和調(diào)節(jié)溫度.

2. 電熱的防止.安裝風(fēng)扇和散熱窗等,是為了加快散熱.

例4下列情況屬于防止電熱危害的是().

A. 電視機(jī)背后有散熱窗

B. 家電長(zhǎng)時(shí)間停用,隔一段時(shí)間應(yīng)通電一次

C. 家庭電路一般安裝自動(dòng)保護(hù)裝置,當(dāng)電流過(guò)大時(shí),自動(dòng)切斷電流

D.大型爆破工程,用電熱裝置引爆炸藥

分析選項(xiàng)A中,電視機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)發(fā)熱,容易使線路老化而損害電視機(jī),所以背后都有散熱窗,它的作用是加快散發(fā)熱量,屬于防止電熱造成的危害.選項(xiàng)B中,家電長(zhǎng)時(shí)間停用后,會(huì)有潮氣,易造成短路,所以隔一段時(shí)間應(yīng)通電一次,可以利用電流的熱效應(yīng)使內(nèi)部的水分蒸發(fā).選項(xiàng)C和D都屬于利用電流的熱效應(yīng)來(lái)工作的.綜上所述,應(yīng)選擇A.

1. 市場(chǎng)銷售的電熱水壺有兩種形式,一種如圖4a所示,電熱元件在壺底下面的底座內(nèi);另一種如圖4b所示,電熱元件在壺底之上,浸沒(méi)在水中.如果兩種水壺的耗電功率相同,壺內(nèi)水量也相同,那么().

A. a壺的電熱元件在壺底下面,有利于水的對(duì)流,a壺中的水先沸騰

B. a壺的電熱元件安放在底座內(nèi),熱量損失較小

C. b壺中的電熱元件被水包圍,熱量損失小,b壺中的水溫上升較快

D. b壺的電熱元件體積較小,熱能的利用率較低

2. 某電熱水器的工作原理如圖5所示(已知兩電阻絲的阻值相等,電源電壓保持不變),它有加熱和保溫兩個(gè)工作狀態(tài).當(dāng)開(kāi)關(guān)S1接b,S2斷開(kāi)時(shí),它是處于_______狀態(tài),此時(shí)電路功率為P1;當(dāng)開(kāi)關(guān)S1接a,S2閉合時(shí),它是處于_______狀態(tài),此時(shí)電路功率為P2. 綜上,則P1∶P2=_______.

參考答案:1. C 2. 保溫加熱 1∶4

注:“本文中所涉及到的圖表?注解?公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?”