1、第一节 科学探究：电流做功与哪些因素有关 学案学习目标：从能量转化的角度认识电能，能简单描述电能和人们生活的关系。通过实验探究，认识电流做功的相关因素。学读家用电能表，会通过电能表计算电费。学法指导：本节内容分两部分，一是怎样测算家庭电费，二是电流做功与哪些因素有关。对于怎样测算家庭电费部分，首先从能量的角度认识电能，通过家庭电路中各种用电器工作时发生的能量转化，认识电流做功的实质，即把电能转化为其它形式的能，电功是能量转化的量度；对电能表的读数，知道电能表上的计数单位是千瓦时，知道千瓦时与焦耳的换算关系。对于电流做功与哪些因素有关部分，道德要认真阅读“制定计划与设计实验”的内容，弄明白比较电
2、流做功多少的方法，用控制变量法研究影响电功的因素的实验设计方法。通过“进行实验与收集证据”进而得出结论。在运用 W=UIt 计算时，要注意各个量的物理意义及单位。释疑解难：是电源还是用电器？小宇看到爸爸有时把移动电话里的电池取下，卡在一个带有插头的盒内，再把它插在插座上（图 126） ，爸爸称之为给电池“充电” 。小宇想，在这种情况下，移动电话的电池是电源还是用电器呢？当电池在对外供电时，例如利用移动电话给外界打电话，是起到了电源作用。但当给它充电时，电流通过电池，使内部的物质发生化学变化，把电能转化为化学能，这一过程实际上是消耗电能，因此，此时的电池便是用电器了。图 126 图 127告诉你
3、一个秘诀！你注意观察过家中的电能表吗？在表盘最下一行数据中有“2400R/kWh”字样（图 127） ，这表示什么意思呢？其中 R 为转盘转数，它告诉我们每消耗 1 kWh 的电能，电能表的转盘将转 2400 转，那么，转盘转一圈，电路消耗的电能为 1/2400 kWh，因此，我们可以根据转盘转数，知道电路所消耗的电能！如何理解电流做功？电流做功比较抽象，光用力学的概念很难理解电功。我们对电功的认识是通过电流的各种效应来认识的。比如，电流的热效应，其实质是电能转化为内能；通电的电动机提升重物，其实质是电能转化为机械能，所以，电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功是电能转化的量度。电
4、功是过程量，电流做功时，总是伴随着能量状态的变化。电流通过用电器所做功的数值与该用电器此时消耗的电能的数值完全相同。学会实验探究。在探究电流做功与哪些因素有关的实验中：怎样比较电流做功的多少？我们知道，电流通过导体可以产生热，使物体的温度升高，实质是把电能转化为物体的内能。电流做功越多，电能转化为内能也越多，温度也升高得越多。因此课本中所安排的实验是电流通过等质量的煤油产生热并使基温度升高，根据温度升高的多少来比较电流做功的多少的。如何研究电流做功与电压、电流的关系？当研究某个物理量和几个物理量之间的关系时，我们常采用控制变量的方法。在研究电流做功和电压的关系时，必须保持电流和通电时间不变，课
5、本中图 153 采用串联电路来研究就是这个道理。同样，在研究电流做功和电流的关系时，必须保持电压和通电时间不变，因而采用并联电路来研究（课本图 154） 。自我检测：电炉接通电源后，电流做功的过程是将（ ）A、电能转化为机械能 B、电能转化为化学能 C、电能转化为内能 D、电能转化为动能小笛记录了自己家 6 月底和 9 月底电能表的示数，如图 128所示，如果电能表是好的，请问他家三个月一共消耗多少电能？ 并联在电路里的两盏电灯 L1 和 L2，如果，L 1 的电阻比 L2 的电阻大，则在相同的时间里，电流通过 L1 所做的功 W1 和通过 L2 所做的功 W2 相比较（ ）A、W 1W 2
6、B、W 1W 2 C、W 1W 2 D、以上答案都有可能参考答案： C 342.1 kWh C交流园地：【课外空间】碘 钨 灯自从爱迪生发明电灯以来，人们对小小的灯泡作了许多研究和改进。将灯泡内抽成真空，可以防止灯丝氧化；再充入稀有气体(如氩)，又能减少钨丝受热蒸发。但是，这种灯泡的寿命还是不长，用久了，它的亮度也会逐渐减弱。这是由于钨丝发光时，表面钨会逐渐升华，钨蒸气跑到灯泡内壁上，遇冷又变为固态钨沉积在玻璃泡上，使灯泡变黑。同时，钨丝也越来越细，最后断掉。为了延长灯泡的寿命，消除灯泡发黑的现象，人们又作了一番研究，终于制造出了充碘的白炽灯，简称碘钨灯。碘钨灯不像普通白炽灯那样呈球状，它的外
7、形呈管状，灯管是用石英做成的，石英可以耐高温。当碘钨灯工作时，钨丝的表面同样会发生升华，产生钨蒸气。但是，当温度在 250以上时，钨蒸气可以和灯管内的碘化合，生成碘化钨气体，这样钨就不会沉积在灯壁上了。生成的碘化钨气体，靠近温度极高(1400以上) 的灯丝时，又立刻分解成碘和钨，这样就把升华出来的钨又送回到灯丝上。碘在灯管里不断把从灯丝升华出来的钨送回去，就延长了灯的寿命。为保证钨与碘能够化合，灯内的温度不能降到 250以下。因此，碘钨灯的灯管不宜做大，结构总是很紧凑。碘钨灯不仅体积小，而且有了碘做“运输兵” ，灯丝的温度也能够提高了，这就使发光效率和亮度都得到了提高。图 128碘钨灯的用途很
8、广泛，除了可以用来照明飞机场的跑道、球场、广场、车间、街道、剧院以外，还被用于电影、摄像等领域，既轻便又安全，效果又好。由于碘钨灯比普通的白炽灯产生更多的紫外辐射，当被照射物体对紫外线敏感时，要多加注意。如果用溴代替碘充入灯管内，就可以制溴钨灯。溴钨灯的工作原理和碘钨灯是一样的。由于碘和溴都是卤族元素，所以碘钨灯和溴钨灯又被统称为卤钨灯。节 能 灯荧光灯比白炽灯省电，因为荧光灯发出的是冷光，它不需要像白炽灯那样，将很多电能转换成内能，白白消耗掉。所以，荧光灯的发光效率相当于白炽灯的 4 倍。但是，人们还想进一步提高荧光灯的发光效率。电光源科学家注意到，荧光灯的发光效率和灯管内壁所用的荧光物质有
9、关。早期荧光灯用硅酸锌铍、钨酸镁、硼酸镉等的混合粉末作为荧光物质。后来，用卤磷酸钙作为荧光物质，荧光灯的发光效率提高了 50。20 世纪 80 年代初，由荷兰飞利浦公司研制成的稀土三基色荧光灯，又使得荧光灯在节省电能方面朝前跨出一大步，这种被称为第三代新光源的荧光灯又叫电子节能灯。这是对灯具的发光系统动了两大“手术”以后取得的。 “手术”之一是对荧光灯赖以发光的荧光粉加以改革。这种新型的荧光灯采用由稀土元素的化合物，如氧化钇等配制成的荧光粉，这些分别能发出红、绿、蓝三基色光的稀土化合物，如按一定比例混合喷涂在灯管的管壁上，通电后受激辐射，就能发出光谱线丰富、近似自然光的白光。它的发光效率比普通
10、荧光灯的发光效率提高了 40。在千方百计改进荧光物质的同时，电光源科学家发现，荧光灯镇流器的电源频率与灯的发光效率也有密切关系，如把电源的频率从常规的 50Hz 提高到 1万 Hz，发光效率可以提高 20，这可真是一个值得开发的节电之源啊 !然而，荧光灯镇流器的工作电源就是一般的市电，频率固定为 50Hz，而普通荧光灯使用的铁芯镇流器，只能在电路里起升高电压的作用，却不能改变工作电源的频率。所以，科学家着手对荧光灯动第二项“手术” ，对镇流器的结构来一个彻底“革命” 。经过研究和试验，终于设计成功了一种改朝换代的电子变频镇流器。它是用电子元件组成的高频振荡电路，把 50Hz 的交流电转换成为
11、3 万5 万 Hz 的高压电，这种转换方式称为电子变频变压技术。新设计的电子变频镇流器，不但进一步提高了三基色荧光粉的发光效率，而且因为摒弃了自身耗电的铁芯镇流器，整个灯具的重量减轻了 80，同时又节省了电能。据测算，普通荧光灯用的铁芯镇流器耗电量为 4W，而电子变频镇流器的耗电量只有 0.6W 左右，单是这一点，就比原来节省了 3.4W 的电能。正是采用了发光效率高的荧光粉和电子变频镇流器这两项措施，才使电子节能灯的电能利用率大大提高。一只 11W 三基色电子节能灯的耗电量，只有同样亮度的 60W 白炽灯耗电量的 17，是同样亮度的 15W 普通荧光灯耗电量的65。三基色电子节能灯除了高效节
12、能、光色好以外，灯管的使用寿命长达5000h。当然，除了三基色电子节能灯以外，还有其他多种采用电子变频镇流器的节能灯，例如电子变频镇流高压钠灯、金属卤化物灯、低压卤化物灯、高压霓虹灯等。在需要强光源大面积照明的场所，节能灯能达到节约大量电能的目的。如果小小的电子节能灯走进家庭，将发挥出更大的节电作用。家庭节电小常识照明节电 日光灯具有发光效率高、光线柔和、寿命长、耗电少的特点，一盏 14 瓦节能日光灯的亮度相当于 75 瓦白炽灯的亮度，所以用日光灯可以使耗电量大大降低。在走廊和卫生间可以安装小功率的日光灯。看电视时，只开 1瓦节电日光灯，既节约用电，收看效果又理想。还要做到人走灯灭，消灭“长明
13、灯” 。电视机节电 电视机的最亮状态比最暗状态多耗电 5060%；音量开得越大，耗电量也越大。所以看电视时，亮度和音量应调在人感觉最佳的状态，不要过亮，音量也不要太大。这样不仅能节电，而且有助于处长电视机的使用寿命。有些电视机只要插上电源插头，显像管就预热，耗电量为 68 瓦。所以电视机关上后，应把插头从电源上拔下来。电冰箱节电 电冰箱应放置在阴凉通风处，决不能靠近热源，以保证散热片很好地散热。使用时，尽量减少开门次数和时间。电冰箱内的食物不要塞得太满，食物之间要留有空隙，以便冷气对流。准备食用的冷冻食物，要提前在冷藏室里慢慢融化，这样可以降低冷藏室温度，节省电能消耗。洗衣机节电 洗衣机的耗电
14、量取决取电动机的额定功率和使用时间的长短。电动机的功率是固定的，所以恰当地减少洗涤时间，就能节约用电。洗涤时间的长短，要根据衣物的种类和脏污程度来决定。一般洗涤丝绸等精细衣物的时间可短些，洗涤棉、麻等粗厚织物的时间可稍长些。如果用洗衣机漂洗，可以先把衣物上的肥皂水或洗衣粉拧干，再进行漂洗，既可节约用电，也减少了漂清次数，达到节电的目的。电风扇节电 一般扇叶大的电风扇，电功率就大，消耗的电能也多。同一台电风扇的最快档与最慢档的耗电量相关约 40%，在快档上使用 1 小时的耗电量可在慢档上使用将近 2 小时。所以，常用慢速度，可减少电风扇的耗电量。单相电能表的主要构造电能表又称电度表、火表或千瓦时
15、计，图 129 所示为单相感应式电能表的结构示意图。其中，1 是绕有电压线圈的电压电磁铁，2 是绕有电流线圈的电流电磁铁，3 是铝盘，4 是制动用的永久磁铁，5 是积算机构。积算机构由与铝盘轴上的螺齿紧密啮合的齿轮减速机构带动，电压线圈的匝数很多，导线很细，线圈与负载串联，承受全部的电源电压；电流线圈的匝数很少，导线很粗，线圈与负载串联，通过全部的负载电流。铝盘可绕轴转动，是电能表的可动部分。它的主要作用有 2 个：电压线圈及电流线圈分别产生正比于电压 U 和电流 I 的交变磁通，这些磁通穿过铝盘时，使铝盘感应涡流，由于磁场对涡流的作用，使铝盘得到一个与功率 P 成正比的转矩；铝盘的转动带动计数器作出记录，制动磁铁能对转动的铝盘产生一个制动力矩（阻尼力矩） ，当制动力矩与转动力矩大小相等，方向相反时，铝盘便作匀速转动，其转速与转动力矩成正比，铝盘转动带动积算机构记数。
