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1、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技版【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根本要求：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
2、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
3、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，来为人类效劳。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
4、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。我们可以用如下图的实验来研究：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。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
5、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。怎样设计电路才能到达这样的要求呢？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，通过比拟砝码被提升的高度来比拟电流做功的多少。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
6、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：实验装置如下图。 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拟电流所做功的多少。分析：在图a中，I、t相同，R不同，RARB，根据串联电路中电压的分配关系与电阻成正比，当然是UAUB。玻璃管中煤油
7、上升的高度不同，hAhB，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t的单位用秒，电功W的单位用焦，那么有WUIt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，
8、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。这时我们可以用以下公式中任意一个来计算电流流过导体时所产生的热量。 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
9、量转化中的一局部。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：实验装置如下图，RARB，RB=RC，通电后，从电流表的示数可知道I的数值可知IA=IB，IBIC。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拟电流产生的热量。闭合一段时间开关，记录下在同一时刻三管中煤油液面的上下情况：hChAhB。分析：比拟A、B两瓶，I、t相同，R不同，RA
10、RB；玻璃管中煤油上升的高度不同，hAhB，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。比拟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下，电流越大，电流产生的热量越多，进一步的研究说明产生的热量与电流的平方成正比。上述实验中，假设通电时间越长，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
11、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。解：(1)W=UIt=220V104J。(2)因为电流通过电动机时，只有一小局部电能转化为内能，而大
12、局部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)2100欧600104J(3)电流所做的功一局部转化成了内能，一局部转化成了机械能。W机=WQ=104J104J=5.76104J。= 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。
13、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。这那么是因为：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
14、温度过高而烧坏；而电器长期停止使用时，隔一段时间又要通电，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。电热器的主要组成局部：电热器的主要组成局部是发热体，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
15、，电视机、收音机机壳上有散热窗等。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拟，但它们做功快慢不同，如何比拟电流做功的快慢呢？当然有许多方法，如在做功时间一定时，通过比拟电流所做的功多少来比拟电流做功的快慢；还可以在电流所做的功一定时，来比拟做功的时间；如果电功和时间都不相同，那我们就要比拟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，那么电功率是P=W/tW=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
