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1、用心 爱心 专心 九年级物理九年级物理科学探究 电流做功与哪些因素有关和电流做功的快慢科学探究 电流做功与哪些因素有关和电流做功的快慢 上海科技版上海科技版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 科学探究 电流做功与哪些因素有关和电流做功的快慢 基本要求 1 从能量转化的角度认识电能 能简单描述电能和我们生活的关系 2 通过实验探究认识电流做功的相关因素 3 学读家用电能表 会通过电能表计算电费 4 理解电功率和电流 电压之间的关系 并能进行简单计算 能区别用电器的额定功率 和实际功率 5 在实验探究过程中 培养设计实验 收集证据 分析与论证等科学探究能力 重点内容有 通过实验探究认识电流做
2、功的多少和快慢各与哪些因素有关 难点内容有 电功和电功率的计算 一 电功 1 电功 过去学过力可以做功 如果一个力使物体在力的方向上移动一段距离 就说力对物体 做了功 电流也可以做功 电车的牵引力实际是由电动机产生的 电动机是通过电流才工 作的 所以 电车行驶 实际上是电流做功的结果 电流做功的表现形式是多种多样的 电流通过电动机可以做功 电动机转动 将电能转化为机械能 电流通过白炽电灯时发光 电流做功 将电能转化为内能 电流通过电炉时发热 电流做功 将电能转化为内能 给 蓄电池充电时 电流做功 将电能转化为化学能 等等 在这里我们应把 功 的概念加 以扩大 用电动机移动物体或使机械转动 是电
3、流做功的一种表现 电流使导体发热 发 光 是电流做功的又一种表现 总之 电流做功的现象很多 例如电流通过电铃发声 电 子表显示数字 电视机显示图像等 都是电流做功的表现 人类之所以下这样大的力度来 研究电流 主要目的就是想要让电流通过用电器做功 来为人类服务 电流所做的功叫做电功 电流做功的过程就是将电能转化为其它形式能的过程 2 科学探究 电流做功与哪些因素有关 一个力越大 使物体在力的方向上通过的距离越大 这个力所做的功就越多 所以功 是一个有大小的量 那么电流所做的功与哪些因素有关呢 我们想到 电流做功 很显然 做功的多少应该与电流的大小有关系 电流又是由电压形成的 所以我们想到电流所做
4、的 功可能与电压的大小有关 同时同学们可能想到还应该与导体的电阻有关系 由于导体的 电压 电流 电阻必然遵循欧姆定律 加之一个导体的电阻是固定不变的 所以我们只要 研究电功与电压和电流的关系就可以了 另外电流所做的功还应该与通电时间有关系 我 们可以用如图所示的实验来研究 实验步骤 1 将变阻器的滑片置于一适当位置 合上开关 电动机转动 把重物提起 观察在 短时间内重物上升的高度 并分别记下电压表和电流表的读数 用心 爱心 专心 2 改变变阻器滑片的位置 在相同的时间内观察重物上升的高度 并记下电压表和 电流表的读数 记录表格 实验结论 1 在通电时间相同的情况下 电压越大 电流越大 砝码被提
5、升得越高 表示电流 做的功越多 2 如果保持电压和电流不变 通电时间越长 砝码被提升得越高 电流做的功就越 多 这又遇到了研究一个量与多个量的控制关系的问题 所以我们还是要采用控制变量法 来设计实验 为了直观一些 我们可用小电动机来提升砝码 最好选用两个不同的小电动 机 首先我们来研究电功与电压的关系 这样就要保证电流和通电时间一样 怎样设计电 路才能达到这样的要求呢 当然采用并联电路了 开关在干路上 这样两个小电动机两端 的电压相同 由于开关在干路上 同时工作 同时停止 通电时间也一样 通过比较砝码 被提升的高度来比较电流做功的多少 从而得出电流所做的功和电流的关系 同理当我们 研究电功与电
6、压的关系时 采用串联电路 因为串联电路中电流处处相等 而且电动机的 工作时间也相同 我们用两个电压表分别测出两电动机两端的电压 通过砝码的提升高度 得出电功的大小关系 然后再通过两电压表的示数分析得出电功与电压的关系 电流做功 与时间的关系最容易理解 当然是通电时间越长 电流做功越多 这样设计出的实验对于 结论的得出是非常有利的 另外我们还可以设计这样的实验 实验装置如图所示 a b 该实验的目的是研究电流做功的多少跟哪些因素有关 当电流通过电阻丝 A B C 时 电流做功 电阻丝产生的热量就使三个瓶中的煤油温 用心 爱心 专心 度升高 体积膨胀 瓶塞上面原来一样高的液柱就会逐渐上升 电流做功
7、越多产生的热量 越多 液面就会上升得越高 我们可以通过三个管中液面上升的高度比较电流所做功的多 少 分析 分析 在图 a 中 I t 相同 R 不同 RA RB 根据串联电路中电压的分配关系与电阻成正 比 当然是 UA UB 玻璃管中煤油上升的高度不同 hA hB 说明在通电电流和通电时间 相同的条件下 电压越高 电流所做的功就越多 在图 b 中 电压相同 但电流不同 可以得出电流所做的功与电流的关系 通过上述实验结论 所得出的是电功与电压 电流和通电时间的定性关系 如果把实 验做得精确些 可以得出 电功跟电流 电压 通电时间都是正比关系 如果电压 U 用伏 做单位 电流 I 的单位用安 时间
8、 t 的单位用秒 电功 W 的单位用焦 则有 W UIt 公式中的 W U I 均指电路中同一段电路 即某个用电器 而言 另外 W U I t 必须统一采用国际单位制 电功的单位与功的单位一样 也是焦耳 简称焦 用字母 J 来表示 常用电器工作时 1 分钟能做的功 如手电筒灯泡为几十焦 照明灯泡为几百至几千 焦 洗衣机为几万焦 由于焦这个单位很小 生活中常用 度 也就是千瓦时 kWh 作电功的单位 l 度 3 6 106焦 1 度电的作用 二 焦耳定律 在一段只有电阻的电路 我们常称之为纯电阻性电路 中 我们就可以应用欧姆定律 来推导出两个重要的导出公式 此式又叫焦耳定律 我们已经知道 电流具
9、有热效应 也就是只要导体中的电流流过 导体就要发热 当然如果电流流过电阻时 电流要做功 而且电流所做的功都完全用来转 化成内能 也就是用来产生热量 这时我们可以用下列公式中任意一个来计算电流流过导 体时所产生的热量 用心 爱心 专心 如果电流流过的是一个电动机 电流所做的功并没有完全用来转化成内能 还转化成 了其它形式的能 内能只占能量转化中的一部分 这种电路叫做非纯电阻性电路 这时电 流产生的热量怎样计算呢 我们来看下面的实验 实验装置如图所示 RA RB RB RC 通电后 从电流表的示数可知道 I 的数值可 知 IA IB IB IC 该实验的目的是研究电流通过导体产生的热量跟哪些因素有
10、关 该实验的原理是当电流通过电阻丝 A B C 时 电流产生的热量就使三个瓶中的煤 油温度升高 体积膨胀 瓶塞上面原来一样高的液柱就会逐渐上升 电流产生的热量越多 液面就会上升得越高 我们可以通过三个管中液面上升的高度比较电流产生的热量 闭合一段时间开关 记录下在同一时刻三管中煤油液面的高低情况 hC hA hB 分析 比较 A B 两瓶 I t 相同 R 不同 RA RB 玻璃管中煤油上升的高度不同 hA hB 说明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 比 较 B C 两瓶 电阻相同 流过的电流不同 电流大的产生的热量多 由此我们可以得出 在电阻和通电时间相同的条件
11、下 电流越大 电流产生的热量越 多 进一步的研究表明产生的热量与电流的平方成正比 上述实验中 若通电时间越长 瓶中煤油上升得越高 所以我们可以得出 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 英国物理学家焦耳通过大量的实验 总结出关于电流流过导体时产生热量的实验定律 叫做焦耳定律 内容 电流通过导体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 电时间成正比 公式 Q I2Rt 单位 I 安 R 欧 t 秒 Q 焦 焦耳定律适用于任何用电器 电路 的热量计算 例如 一台洗衣机的电动机机械功率为 120W 电阻为 100 欧 在 220V 电压下工作 通过它的电流为
12、 0 6A 求 1 通电 10min 它消耗多少电能 2 它在 10min 内产生的热量 是多少 3 这台电动机的机械能转化效率是多少 分析 要计算电动机消耗的电能 可计算电流做功 电流做了多少功 就消耗了多少电 能 因电动机消耗的电能没有全部转化为热 因此发热和消耗的电能并不相等 所以我们 必须用电功的定义式去计算 用心 爱心 专心 解 解 1 W UIt 220V 0 6A 600s 7 92 104J 2 因为电流通过电动机时 只有一小部分电能转化为内能 而大部分的电能转化成机 械能了 要想求电动机在 10min 内产生的热量 要利用公式 Q I2Rt 计算 Q I2Rt 0 6A 2
13、100 欧 600s 2 16 104J 3 电流所做的功一部分转化成了内能 一部分转化成了机械能 W机 W Q 7 92 104J 2 16 104J 5 76 104J W机 W 72 7 在日常生活中我们有这样的经验 一个白炽灯连接在电路中正常工作 灯丝热得发红 而与之相连接的导线却不怎么热 这是为什么呢 因为电线和灯串联 通过它们的电流是 一样大 又因为灯的电阻比电线的大得多 所以根据焦耳定律 Q I2Rt 可知 在相同时间内 电流通过灯产生的热量比通过电线产生的热量大得多 因此 灯泡热得发光 而电线却感 觉不到热 而一个大功率的电炉连接在电路中时 和电炉相连的电线就会显著发热 这则
14、是因为 照明电路的电压是一定的 由 P UI 可知 电路中接入大功率电炉时 通过的电 流大 在电线的电阻相同的情况下 跟电炉相连的电线中通过的电流比跟灯泡相连的电线 中通过的电流大得多 所以根据焦耳定律 Q I2Rt 可知 在相同的时间内 电流通过跟电炉 相连的电线产生的热量比通过跟灯泡相连的电线产生的热量大得多 因此跟电炉相连的电 线显著发热 有可能烧坏它的绝缘皮 甚至引起火灾 各种用电器里都有导体 只要电流通过导体 导体就要发热 那么 应该怎样正确使 用家用电器呢 例如 家用电器连续工作较长时间后 要停用一会儿 这是为了散热 防 止用电器的温度过高而烧坏 而电器长期停止使用时 隔一段时间又
15、要通电 这是利用电 热来驱潮 电热既可供我们利用 也要防止它造成的危害 1 电热的利用 主要是制成了电热器 电热器的原理 利用电热进行加热的设备 如 电烙铁 电烫斗 电饭锅 电烤炉 等 电热器的主要组成部分 电热器的主要组成部分是发热体 发热体是由电阻率大 熔点高的电阻丝绕在绝缘材 料上做成的 电热器的优点 电热器有许多优点 它清洁卫生 没有环境污染 热效率高 有的还可以方便地控制 和调节温度 2 防止电热的危害 电热的危害 电线中电流过大时 电热会使绝缘材料迅速老化 甚至燃烧起火 用 电器 如不采取散热措施 会被烧坏 防止电热的危害的措施 有的电动机里装有风扇 电视机 收音机机壳上有散热窗等
16、 三 电功率 前面我们学习的内容中关于电流做功多少的问题 电力机车和电扇的电动机做功大小 不好比较 但它们做功快慢不同 如何比较电流做功的快慢呢 当然有许多方法 如在做 功时间一定时 通过比较电流所做的功多少来比较电流做功的快慢 还可以在电流所做的 功一定时 来比较做功的时间 如果电功和时间都不相同 那我们就要比较电流在单位时 间内所做的功 为表示电流做功的快慢 引入电功率的概念 1 电功率的定义 电流在单位时间内所做的功叫做电功率 这个单位时间就是 1 秒钟 如果通电时间为 t 秒 电流所做的功为 W 焦 则电功率是 用心 爱心 专心 P W t W UIt P UI 即电功率等于电压与电流的乘积 对于纯电阻性电路 我们用欧姆定律来替换 P UI 中的 U 和 I 就可以得出以下两个计 算电功率的公式 2 电功率的单位 前面我们学过机械功率的单位是瓦 即每秒钟做功 1 焦其功率为 1 瓦 电功的单位也是焦 所以电功率的单位也是瓦 由 P UI 可知 U 的单位为伏 I 的 单位为安 P 的单位就是瓦 电功率的单位还有千瓦 1 千瓦 1000 瓦 l 焦 1 瓦 l 秒 1 瓦 秒 如
