通過(guò)生活情境體驗(yàn)焦耳定律

丁慎兵

【摘要】焦耳定律在初中階段的學(xué)習(xí)中并不是非常難理解的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但在各類考察中因?yàn)闋可骐姽碗姛?，往往給那些對(duì)物理概念理解并不深入的學(xué)生帶來(lái)困擾.本文就這一問(wèn)題，結(jié)合幾個(gè)與生活情境相關(guān)的例題來(lái)幫助學(xué)生解答.

【關(guān)鍵詞】初中物理;焦耳定律;生活情境

1 知識(shí)掃描

1.1 焦耳定律

定義：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與導(dǎo)體的電阻成正比，與通電時(shí)間成正比.

公式：Q=I2Rt.

單位：焦耳（J）.

1.2 電功與電熱的對(duì)比

區(qū)別：電功是指某段電路中輸入的全部電能或某段電路中消耗的全部電能，計(jì)算公式是W=UIt;電熱是指某段電路中因發(fā)熱而消耗的電能，計(jì)算公式是Q=I2Rt.

聯(lián)系：兩者大小關(guān)系為W≥Q.

當(dāng)研究對(duì)象是純電阻電路時(shí)，電流做功全部轉(zhuǎn)化為電阻發(fā)出的熱能，此時(shí)電功與電熱的關(guān)系為W=Q.生活中的應(yīng)用如：電熱爐、電飯鍋、電熨斗、白熾燈等.涉及的計(jì)算公式：W=Q=UIt=I2Rt=U2R·t=Pt.

當(dāng)研究對(duì)象是非純電阻電路時(shí)，電流做功分成了兩部分，一部分轉(zhuǎn)化為電阻發(fā)熱，另一部分則轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能、光能、化學(xué)能等其他形式的能量，此時(shí)電功與電熱的關(guān)系為W>Q.生活中的應(yīng)用如：電動(dòng)機(jī)、日光燈、蓄電池等.涉及的計(jì)算公式：W=Q+E其他.

通過(guò)以上對(duì)知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單回顧，我們可以發(fā)現(xiàn)：在處理焦耳定律相關(guān)問(wèn)題時(shí)，首先需要做的就是分析研究對(duì)象的電功與電熱的關(guān)系，也即研究對(duì)象的做功方式.

1.3 焦耳定律在生活中的應(yīng)用

（1）電熱的利用.這是初中階段對(duì)歐姆定律最常見(jiàn)的考查方向，試題多以電熱器為命題元素.電熱器是生活中對(duì)焦耳定律的應(yīng)用最常見(jiàn)的表現(xiàn)形式，比如電爐、電熨斗、電飯鍋、電烙鐵等，這類電熱器的突出優(yōu)點(diǎn)是熱效率高、控制和調(diào)節(jié)方便，且清潔衛(wèi)生，能有效減少環(huán)境污染.這類電熱器的最重要工作部件的核心電學(xué)元件是電阻比較大的耐高溫電阻絲，在解題中遇到，我們可以將其視為純電阻電路進(jìn)行分析.

（2）電熱的危害與防治.此方面知識(shí)，雖然初中階段考查較少，但是生活中卻有很多實(shí)例，比如電視機(jī)、收音機(jī)上，除開(kāi)音響部位外，還有一些特定部位設(shè)置有很多圓圓的小孔，那就是機(jī)器的散熱孔.很多電器之所以設(shè)有散熱孔甚至散熱裝置（如電腦中的散熱扇），主要原因在于電流在通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，因?yàn)殡娮璧拇嬖冢厝粫?huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量，如果是對(duì)于電熱器是有益的，但對(duì)于其他電器來(lái)說(shuō)則未必，一方面這些熱量是對(duì)輸入功率的浪費(fèi)，降低了做功效率;另一方面，這些熱量會(huì)加速電器絕緣部分的老化速度，甚至燒壞電器.在教學(xué)過(guò)程中如果我們善于利用生活中的這些元素，就能提高學(xué)生物理來(lái)源于生活、服務(wù)于生活的意識(shí)，加深學(xué)生對(duì)焦耳定律的理解，也能提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).

2 實(shí)例探析

以上是對(duì)焦耳定律的知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)解題規(guī)律的簡(jiǎn)單總結(jié).但我們都知道，考試中的題目都不是簡(jiǎn)單的知識(shí)填空，考查內(nèi)容、考查目的都可能很隱蔽地藏在題中文字或圖表中，我們只掌握知識(shí)點(diǎn)還不足以解決問(wèn)題，還要善于審題，甚至還要有較強(qiáng)的物理建模能力.

焦耳定律因?yàn)榕c生活聯(lián)系緊密，題目的表現(xiàn)形式多樣，需要我們認(rèn)真審題，找到關(guān)鍵信息，將生活情境轉(zhuǎn)換為物理情境，并能準(zhǔn)確提煉和判斷出電路類型，然后選擇合適公式進(jìn)行解題.

接下來(lái)，我們就通過(guò)幾個(gè)典型例題來(lái)體會(huì)一下.

2.1 最常用的電飯煲

電飯煲是完美應(yīng)用焦耳定律的家用電器，這其中，為何只有加熱電阻溫度升高而連接電路的導(dǎo)線溫度沒(méi)有多大變化，是值得我們思考的問(wèn)題之一.

例1 電飯煲是我們生活中最常用到的家用電器.如圖1所示是一臺(tái)多功能電飯煲，其工作部分的電路圖可以簡(jiǎn)化為圖2所示.其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)中，S1是限溫開(kāi)關(guān)（需手動(dòng)閉合），當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度（一般為103℃）時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi);S2是溫控開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度高于80℃時(shí)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，當(dāng)溫度低于60℃時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合;三個(gè)電阻中，R1是保護(hù)電阻，R2和R3組成加熱和保溫電路，其中電阻R1=R2=500Ω，R3=50Ω;紅燈表示加熱，黃燈表示保溫，且兩個(gè)燈的電阻不計(jì).據(jù)此解答下列問(wèn)題.

（1）完整敘述電飯煲加熱和保溫的工作過(guò)程.

（2）如果在做飯時(shí)我們忘記按下開(kāi)關(guān)S1會(huì)發(fā)生什么情況？

（3）分別求出電飯煲保溫和加熱狀態(tài)時(shí)消耗的電功率.

解析 （1）當(dāng)接入電源后，由開(kāi)關(guān)S2的功能可知此時(shí)S2處于閉合狀態(tài)，手動(dòng)閉合開(kāi)關(guān)S1后，黃燈和電阻R1被短路，紅燈亮，電阻R2和R3處于加熱狀態(tài);當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí)，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S1仍閉合，直到電飯鍋中水燒干進(jìn)而電飯煲內(nèi)溫度達(dá)到103℃，此時(shí)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，黃燈和電阻R1接入電路，加熱電路處電流被分流，電飯煲處于保溫狀態(tài);當(dāng)由于散熱，電飯煲內(nèi)溫度低于60℃時(shí)，開(kāi)關(guān)S2閉合，電飯煲再次進(jìn)入加熱狀態(tài)，直到溫度高于80℃時(shí)開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，再次進(jìn)入保溫狀態(tài)……如此循環(huán)，直到我們斷開(kāi)電飯煲的電源.

（2）根據(jù)（1）中對(duì)電飯煲工作流程的分析，我們可以知道，如果在做飯時(shí)我們忘記按下開(kāi)關(guān)S1會(huì)出現(xiàn)的情況就是電飯煲內(nèi)的食物只能被加熱到80℃，如果是生的食物將不能被煮熟.

（3）電飯煲可認(rèn)為是一個(gè)純電阻電器，因此可根據(jù)公式W=Pt=U2R·t直接得到功率的計(jì)算公式P=U2R，設(shè)電阻R2和R2的并聯(lián)電阻為R23，可得保溫狀態(tài)下電飯煲的電功率為

P1=U2R23=2202（50×50050+500）W=1064.8W

加熱狀態(tài)下電飯煲的電功率為

P2=U2R1+R23=2202500+500×50500+50）W≈88.8W

2.2 經(jīng)常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)作為最常見(jiàn)的非純電阻電路，是各類考試中經(jīng)常被拿出來(lái)考查的.這類問(wèn)題的本質(zhì)就是注意區(qū)分電熱和電功，然后根據(jù)題目靈活利用“萬(wàn)能”公式W=Q+E其他，進(jìn)行列式求解即可.

此類題目設(shè)計(jì)的巧妙之處在于將電路中的電阻隱藏起來(lái)，需要我們根據(jù)題給信息找到它.

例2 夏日炎炎，除了空調(diào)，我們還經(jīng)常用風(fēng)扇來(lái)納涼.如圖3所示，是一款小型風(fēng)扇，其中用到的動(dòng)力裝置就是一臺(tái)電動(dòng)機(jī).假設(shè)該風(fēng)扇上所用電動(dòng)機(jī)的額定電壓U額=36V，額定電流I額=1A.有一次，小明給電扇接入電壓U1=10V的電源時(shí)，扇葉并不轉(zhuǎn)動(dòng)，他測(cè)得此時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流I1=2A.求該電風(fēng)扇中的電動(dòng)機(jī)在額定電壓下工作時(shí)輸出的機(jī)械功率.

解析 在風(fēng)扇扇葉不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可視為純電阻，由歐姆定律列式可得電動(dòng)機(jī)的電阻

R=U1/I1=10V/2A=5Ω

在額定電壓下工作時(shí)，電源輸入的總功率為

P總=U額I額=36V×1A=36W

在額定電壓下工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)電阻消耗的功率為

P熱==I2R= I額2R=（1A）2×5Ω=5W

電動(dòng)機(jī)在額定電壓下工作時(shí)輸出的機(jī)械功率

P= P總-P熱=36W-5W=31W.

3 總結(jié)

焦耳定律的應(yīng)用是中考中最常見(jiàn)的考點(diǎn)之一，考查內(nèi)容通常是焦耳定律的內(nèi)容及應(yīng)用、焦耳定律實(shí)驗(yàn)（控制變量法探究）、電熱器的構(gòu)造和原理等，題型多是實(shí)驗(yàn)題和計(jì)算題，難點(diǎn)是與焦耳定律的應(yīng)用相關(guān)的計(jì)算題.

因?yàn)檫@類題型常與生活聯(lián)系，以生活為背景設(shè)題，學(xué)生遇到的第一道難關(guān)就是物理建?！獙⑸钋榫侈D(zhuǎn)換為物理場(chǎng)景.在成功建模后，有關(guān)焦耳定律的計(jì)算還有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：分清研究對(duì)象是純電阻電路還是非純電阻電路.

在上面“電功與電熱的對(duì)比”中，我們已經(jīng)對(duì)兩類電路的適用公式做了明確區(qū)分，在此再次強(qiáng)調(diào)一定要注意公式的應(yīng)有范圍，切忌公式誤用.

關(guān)于電熱的計(jì)算，也是歐姆定律問(wèn)題常見(jiàn)的計(jì)算內(nèi)容.在這類計(jì)算中，需要綜合串、并聯(lián)電路的特性的相關(guān)知識(shí)，且要對(duì)求電流熱效應(yīng)的各個(gè)公式理解透徹，根據(jù)題目準(zhǔn)確選用最合適的公式.而在練習(xí)過(guò)程中，我們要引導(dǎo)學(xué)生多歸納總結(jié)，讓他們清楚電熱問(wèn)題歸根結(jié)底就是求電功率.這在上面“電功與電熱的對(duì)比”中，我們也有涉及，可以參照，但外在的知識(shí)想要內(nèi)化為內(nèi)在的能力，勤學(xué)苦練是基礎(chǔ)，多思考、善總結(jié)是方法和根本.

總之，在焦耳定律相關(guān)問(wèn)題中，通過(guò)生活實(shí)際的場(chǎng)景來(lái)設(shè)計(jì)題目.這部分題目，涉及定量思想、電和熱的綜合應(yīng)用，對(duì)學(xué)生的綜合能力有較高要求.做題時(shí)需要認(rèn)真審題，在材料中提取隱含的關(guān)鍵信息.

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