解读电热

作者简介高虹燕,郑州八中物理教师.曾获得郑州市五一劳动奖章,并获郑州市“技术状元”称号.2006年获河南省优质课大赛一等奖,2007年获全国物理教学改革创新大赛一等奖.在全国初中物理竞赛中,辅导的学生多人次获全国一､二等奖和省奖,多次被评为“全国优秀指导教师”和“河南省优秀辅导教师”.编写有十余本教辅书籍,并在报刊上发表有多篇学习指导文章.

在我们的生活中,很多用电器都与热有关,比如电饭锅､电熨斗､电热毯､电炉等,它们是如何工作的?产生的热量与哪些因素有关?使用时应注意什么呢?让我们一起走进电与热组成的奇妙世界吧!

一､电流的热效应

电流通过导体做功时,把电能转化为其他形式的能.如果电路中有用电器,则电流通过用电器时电能转化为热能,使用电器发热,温度升高,这就是电流的热效应.电流的热效应是电流的普遍现象,上述用电器都是利用电流的热效应来工作的.

例1随着科技的不断进步,出现了利用纤维材料制成的､接上电池就可以发热的“发热纸”.通电后,用这种纸包装的食品便可香热可口.这种“发热纸”在工作时将_______能转化为_______能.

分析由于这种材料接上电池就可以发热,说明它工作时消耗了电能,得到了热能,是利用电流的热效应来工作的.

答案:电热

二､焦耳定律

1. 内容:电流通过导体时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.

2. 数学表达式:Q=I2Rt.焦耳定律是对电流热效应规律的定量描述.

注意:(1)Q=I2Rt既可用于电能全部转化成内能的纯电阻电路,也可用于有电动机等的非纯电阻电路.(2)在电流相同时,电能转化成热能时的功率跟导体的电阻成正比,表达式为P热 =I2R.

例2爱动脑筋的小明在探究焦耳定律时,设计了如图1所示的实验,只连接一次电路就完成了实验探究. 他的方法是:用电阻丝(其中R甲 ≠R乙 )给烧瓶中的煤油(煤油质量相同)加热,然后观察煤油在插入密封烧瓶里的玻璃管中上升的高度,就可以对比电阻丝放热的多少.请你仔细观察小明设计的实验电路,并应用所学知识分析回答下列问题:

(1)探究电热的多少与电流的关系,应该对比_______两个烧瓶中煤油柱上升的高度,这两个烧瓶中电阻丝的阻值应该_______.

(2)探究电热的多少与电阻的关系,应该对比_______两个烧瓶中煤油柱上升的高度.

分析探究电热的多少与电流的关系,应控制两个烧瓶中的电阻丝阻值相同,而改变它们的电流.图中甲､乙两个电阻丝串联,电流相等,不符合条件.而丙烧瓶所在的电路与甲､乙两烧瓶串联后的电路并联,故通过甲､丙(或乙､丙)两个烧瓶的电流不相等,符合条件.所以应该对比甲､丙(或乙､丙)两个烧瓶中煤油柱上升的高度,而这两个烧瓶中电阻丝的阻值应该相同,即当甲､丙两个烧瓶中电阻丝的阻值相同时,就比较甲､丙两烧瓶中煤油柱上升的高度;若乙､丙两烧瓶中的电阻丝阻值相同,就比较乙､丙两烧瓶中煤油柱上升的高度.在探究电热的多少与电阻的关系时,应控制通过两个烧瓶中电阻丝的电流相同,而阻值不同,故应该对比甲､乙两个烧瓶中煤油柱上升的高度.

答案:(1)甲､丙(或乙､丙)相等(2)甲､乙

三､电热和电功的关系

电流做功W=UIt跟电流产生的热量Q=I2Rt的关系,简单地说是整体与局部､全体与部分的关系.

1. 在电路中接入的如果是电炉､白炽灯､电烙铁等“纯电阻性”用电器,当电流通过时,消耗的电能全部转化为内能,此时电功和电热的计算相同,即W=Q,导出公式为Q= t=UIt=Pt.

2. 在电路中接入电动机､充电的蓄电池等,当有电流通过时,消耗的电能中大部分转化为机械能､化学能,只有一部分电能消耗在导线上,克服电阻做功转化为内能,故此时电热Q只是电功W中的一部分,即W>Q.

例3小强同学设计了一种电热水壶,电路如下页图2所示,S是温控开关,R1为发热体.当开关S接到a时,电热水壶处于加热状态,此时发热体的电功率为1 000 W;当水烧开时,开关S自动切换到b,电热水壶处于保温状态,此时发热体的电功率为88 W.

(1)请你算出R1､R2的电阻值(不计温度对电阻值的影响).

(2)为充分利用好电能,在不改变电路连接方法的前提下,请你对小强的设计提出合理的改进办法.

分析(1)当开关S接到a时,电路中只连入R1,此时电热水壶处于加热状态,发热体的电功率为1 000 W,可得R1= = =48.4 Ω.当开关S自动切换到b时,电路中连入R1和R2,R1与R2串联,电热水壶处于保温状态,此时发热体的电功率为88 W,可得R总 = = =550 Ω,则R2=R总 -R1=501.6 Ω.

(2)小强设计的电路中干路上没有开关,将导致R1一直工作,这不符合节约用电的原则.应在干路上加一个总开关.

答案:(1)R1=48.4 Ω,R2=501.6 Ω.(2)如图3所示.

四､电热器

1. 电热的利用.

(1)电热器的主要组成部分是发热体,发热体是由电阻率大､熔点高的合金丝绕在绝缘材料上做成的.

(2)电热器的优点:①清洁卫生,没有环境污染;②热效率高;③可以方便地控制和调节温度.

2. 电热的防止.安装风扇和散热窗等,是为了加快散热.

例4下列情况属于防止电热危害的是().

A. 电视机背后有散热窗

B. 家电长时间停用,隔一段时间应通电一次

C. 家庭电路一般安装自动保护装置,当电流过大时,自动切断电流

D.大型爆破工程,用电热装置引爆炸药

分析选项A中,电视机长时间使用后会发热,容易使线路老化而损害电视机,所以背后都有散热窗,它的作用是加快散发热量,属于防止电热造成的危害.选项B中,家电长时间停用后,会有潮气,易造成短路,所以隔一段时间应通电一次,可以利用电流的热效应使内部的水分蒸发.选项C和D都属于利用电流的热效应来工作的.综上所述,应选择A.

1. 市场销售的电热水壶有两种形式,一种如图4a所示,电热元件在壶底下面的底座内;另一种如图4b所示,电热元件在壶底之上,浸没在水中.如果两种水壶的耗电功率相同,壶内水量也相同,那么().

A. a壶的电热元件在壶底下面,有利于水的对流,a壶中的水先沸腾

B. a壶的电热元件安放在底座内,热量损失较小

C. b壶中的电热元件被水包围,热量损失小,b壶中的水温上升较快

D. b壶的电热元件体积较小,热能的利用率较低

2. 某电热水器的工作原理如图5所示(已知两电阻丝的阻值相等,电源电压保持不变),它有加热和保温两个工作状态.当开关S1接b,S2断开时,它是处于_______状态,此时电路功率为P1;当开关S1接a,S2闭合时,它是处于_______状态,此时电路功率为P2. 综上,则P1∶P2=_______.

参考答案:1. C 2. 保温加热 1∶4

注:“本文中所涉及到的图表､注解､公式等内容请以PDF格式阅读原文｡”