解讀電熱

作者簡介高虹燕，鄭州八中物理教師.曾獲得鄭州市五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)拢@鄭州市“技術(shù)狀元”稱號.2006年獲河南省優(yōu)質(zhì)課大賽一等獎(jiǎng)，2007年獲全國物理教學(xué)改革創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng).在全國初中物理競賽中，輔導(dǎo)的學(xué)生多人次獲全國一#65380;二等獎(jiǎng)和省獎(jiǎng)，多次被評為“全國優(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#65380;電熨斗#65380;電熱毯#65380;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#65380;電流的熱效應(yīng)

電流通過導(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#65380;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_______能.

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

答案:電熱

二#65380;焦耳定律

1. 內(nèi)容:電流通過導(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，就可以對比電阻絲放熱的多少.請你仔細(xì)觀察小明設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路，并應(yīng)用所學(xué)知識分析回答下列問題:

(1)探究電熱的多少與電流的關(guān)系，應(yīng)該對比_______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#65380;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#65380;乙兩燒瓶串聯(lián)后的電路并聯(lián)，故通過甲#65380;丙(或乙#65380;丙)兩個(gè)燒瓶的電流不相等，符合條件.所以應(yīng)該對比甲#65380;丙(或乙#65380;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#65380;丙兩個(gè)燒瓶中電阻絲的阻值相同時(shí)，就比較甲#65380;丙兩燒瓶中煤油柱上升的高度;若乙#65380;丙兩燒瓶中的電阻絲阻值相同，就比較乙#65380;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)控制通過兩個(gè)燒瓶中電阻絲的電流相同，而阻值不同，故應(yīng)該對比甲#65380;乙兩個(gè)燒瓶中煤油柱上升的高度.

答案:(1)甲#65380;丙(或乙#65380;丙)相等(2)甲#65380;乙

三#65380;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，簡單地說是整體與局部#65380;全體與部分的關(guān)系.

1. 在電路中接入的如果是電爐#65380;白熾燈#65380;電烙鐵等“純電阻性”用電器，當(dāng)電流通過時(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)#65380;充電的蓄電池等，當(dāng)有電流通過時(shí)，消耗的電能中大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能#65380;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，電路如下頁圖2所示，S是溫控開關(guān)，R1為發(fā)熱體.當(dāng)開關(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)水燒開時(shí)，開關(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)請你算出R1#65380;R2的電阻值(不計(jì)溫度對電阻值的影響).

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

分析(1)當(dāng)開關(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)的電路中干路上沒有開關(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)總開關(guān).

答案:(1)R1=48.4 Ω，R2=501.6 Ω.(2)如圖3所示.

四#65380;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#65380;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)長時(shí)間使用后會發(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，家電長時(shí)間停用后，會有潮氣，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)來工作的.綜上所述，應(yīng)選擇A.

1. 市場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)開關(guān)S1接b，S2斷開時(shí)，它是處于_______狀態(tài)，此時(shí)電路功率為P1;當(dāng)開關(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#65380;注解#65380;公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文#65377;”