2025年中考物理一轮复习课件 第17讲 第2节 焦耳定律

电流通过用电器，将电能转化为内能的现象叫电流的热效应，电流的热效应是电流的普遍现象。 内容 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比 基本 公式 Q＝I2Rt 串、并联电路电热 关系 串联电路中，电热之比等于电阻之比，即 ＝ (根据Q＝I2Rt) 并联电路中，电热之比等于电阻的反比，即 (根据Q= ) 【提示】应用公式Q＝I2Rt时应注意的问题：(1)公式中的成正比结论是在其他两个因素不变的条件下成立的；(2)公式中的各物理量对应同一段电路或同一导体；(3)公式中各物理量统一用国际单位制；(4)当用电器消耗的电能全部转化为内能时有Q＝W＝Pt＝ UIt＝I²Rt＝ ，否则，电热小于用电器消耗的电能。 1．电热的利用——电热器 原理 电流的热效应 组成 主要结构：发热体 优点 清洁卫生，没有环境污染 效率高 可以方便地控制和调节温度 示例 电饭煲、电烙铁、电烤箱 2.电热的危害和防止 危害 烧坏用电器 加速绝缘材料的老化 造成输送电能过程中电能损失 影响用电器的工作，缩短其使用寿命，甚至损坏用电器 防止 安装散热风扇 安装散热片 安装散热窗 【提示】保险丝利用电热将自身烧断，从而保护电路中的导线不被烧坏，这里利用了“逆向思维”。 例1　(2022·防城港模拟)如图所示的甲、乙两个电热器，其电源电压相同，电阻丝R1、R2的阻值不变，相同的托盘上放有相同的石蜡。当闭合开关S时，下列说法正确的是 A．甲中的石蜡熔化比乙中的石蜡熔化快 B．甲中通过R1的电流等于乙中通过R1的电流 C．甲中R2两端的电压小于乙中R2两端的电压 D．若使两块石蜡均完全熔化，则甲电路通电时间更长 A 1．(2022·北海一模)将R1、R2分别连接成如图所示的甲、乙两种电路，R1＝2R2，电源电压均为U，图甲电路中R1、R2在相同时间内产生的热量分别为Q甲1、Q甲2；图乙电路中R1、R2在相同时间内产生的热量分别为Q乙1、Q乙2，则Q甲1∶Q甲2和Q乙1∶Q乙2分别为　　　　　　　　　　　　　　 A.2∶1　1∶2 B．1∶2　2∶1 C．1∶1　1∶2 D．2∶1　1∶1 A 2．(2022·河池模拟)甲、乙两只电炉标有“220 V　500 W”和“220 V　1 000 W”字样，把它们串联在220 V的电路中，在相同时间内产生热量较多的是______；把它们并联在220 V电路中，在相同时间内产生热量较多的是_______。(均选填“甲”或“乙”) 甲 乙 【方法技巧】 1．纯电阻电路和非纯电阻电路的区别：纯电阻电路即电能全部转化为内能的电路，如电流通过电炉、白炽灯、电烙铁等的电路；而非纯电阻电路中，电能要转化为多种形式的能量，如存在电动机的电路，电流通过电动机时，电能转化为内能和机械能。 2．在纯电阻电路中，当电路为串联电路时，通过用电器的电流相等，由公式Q＝ 可知，电阻越大，产生的热量越多；当电路为并联电路时，用电器两端的电压相等，由推导公式Q＝t可知，电阻越大，产生的热量越少。 3．电动机机械功的计算方法：电动机是非纯电阻用电器，因此，电动机所做的机械功W机＝W电－Q热＝UIt－I2Rt。　 例2　(2022·自贡中考)小亮在家煲汤时使用的电饭煲(如图甲)的部分参数如表所示，其简化电路如图乙所示，R1、R2均是发热电阻(阻值不随温度变化)，欲将质量为1 kg、初温为20 ℃的汤加热至100 ℃，汤的比热容c汤＝4.0×103 J/(kg·℃)。求：　 (1)汤需要吸收的热量。 (2)利用电饭煲高温挡煲汤时，电饭煲正常工作且不考虑热损耗，需要多少时间？ (3)R2的阻值为多少？ 额定电压 220 V 额定功率 低温挡 48.4 W 高温挡 500 W 解：(1)汤吸收的热量Q吸＝c汤m(t－t0)＝4.0×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃－20 ℃)＝3.2×105 J。　 (2)不考虑热损耗，W＝Q吸＝3.2×105 J， 加热需要的时间t＝ ＝640 s。　 (3)由图乙和P＝ 可知，当开关S接1时，R1、R2串联，处于低温挡；当开关S接2时，电路只有R1工作，处于高温挡； 电阻R1的阻值R1＝ ＝96.8 Ω， 电路中的总电阻R总＝ ＝1 000 Ω，电阻R2的阻值R2＝R总－R1＝1 000 Ω－96.8 Ω＝903.2 Ω。 3．(2022·遵义中考)某品牌电热水杯如图甲所示，水杯容量为330 mL，有高、中、低三个加热挡位，图乙为其工作电路简图，其中U恒为220 V，R1＝200 Ω，R2＝550 Ω，则中温挡功率为_______W；若该电热水杯加热效率为90%，则用高温挡将满杯水从20 ℃加热到98 ℃，需要__________s。[ρ水＝1.0×103 kg/m3，c水＝4.2×103 J/(kg·℃)] 242 364 4．(2022·金昌中考)厨艺最讲究“火候”二字，如图甲所示的智能蛋糕机就是通过智能化技术控制制作时间和温度，制作出口感好、营养价值高的蛋糕。该蛋糕机的电路简图如图乙所示，其中R1、R2均为发热电阻(假定电阻不随温度变化)，部分参数如下表所示。求： 额定电压/V 220 额定功率/W 高温1 100 中温880 低温 (1)当开关S1断开，单刀多掷开关S2打到3时，蛋糕机处于________ (选填“高温”“中温”或“低温”)挡。 (2)该蛋糕机以高温挡正常工作时，10 min产生的热量。 (3)该蛋糕机正常工作时R2的电阻值。 (4)该蛋糕机低温挡的额定功率。 低温 解：(2)高温挡工作10 min产生的热量W＝P高温t＝1 100 W×600 s＝6.6×105 J。 (3)当S1闭合，S2打到2时，R1、R2并联，为高温挡；当S1闭合，S2打到1时，电路为R1的简单电路，为中温挡； 高温挡时R2的功率P2＝P高－P中＝1 100 W－880 W＝220 W， 电阻R2的阻值R2＝＝ ＝220 Ω。 (4)电阻R1的阻值R1＝ ＝55 Ω， 当开关S1断开，单刀多掷开关S2打到3时，R1、R2串联，蛋糕机处于低温挡，P低温＝ ＝176 W。 5．(2022·齐齐哈尔中考)新冠疫情期间，一位热心市民为小区卡点志愿者送来了一个便携式可折叠电热壶，如图甲所示。该型号电热壶额定电压为220 V，具有加热、保温两挡。保温挡的额定功率为200 W，内部简化电路如图乙所示，双触点开关只能在触点1和2、2和3及3和4之间切换。R1、R2是两个阻值不变的发热元件，R2＝60.5 Ω，现将此电热壶接到220 V的家庭电路中。求： (1)当双触点开关接触触点_________ (选填“2和3”或“3和4”)时为保温挡。 (2)R1的电阻是多少？加热挡的电功率是多少？ (3)若电热壶内装有0.5 L的水，现用加热挡使水从20 ℃升高到100 ℃，加热效率为80%，则需要加热多少秒？[ρ水＝1.0×103 kg/m3，c水＝4.2×103 J/(kg·℃)] 2和3 解：(1)由图乙可知，双触点开关连接触点2和3时，电路为R1的简单电路，由P＝ 可知，此时为保温状态；双触点开关连接触点3和4时，R1与R2并联，为加热状态。 (2)R1的阻值R1＝ ＝242 Ω；加热时电阻R2的功率P2＝ ＝800 W，加热挡的电功率P加热＝P保温＋P2＝200 W＋800 W＝1 000 W。 (3)0.5 L＝0.5×10－3 m3，水的质量m＝ρ水V＝1.0×103 kg/m3×0.5×10－3 m3＝0.5 kg， 0．5 kg的水从20 ℃升高到100 ℃，水吸收的热量Q吸＝c水m(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×0.5 kg×(100 ℃－20 ℃)＝1.68×105 J， 消耗的电能W＝ ＝2.1×105 J， 加热时间t＝ ＝210 s。 【方法技巧】 1.多挡位用电器的实质是判断电路中总电阻的大小：若电压一定，由P=x可知，总电阻最小时，总功率最大，用电器处于高温挡；总电阻最大时，总功率最小，用电器处于低温挡。 2.常见的三种挡位问题 电路图 低温挡 高温挡 (短路式) S闭合、S1断开，R1、R2串联，R总＝R1＋R2　 S、S1都闭合，只有R1接入电路，R总＝R1　 (并联式) S闭合、S1断开，只有R2接入电路，R总＝R2 S、S1都闭合，R1与R2并联，R总小于R1、R2中的最小阻值 电路图 低温挡 高温挡 (单刀双掷式) S接a端，R1与R2串联，R总＝R1＋R2　 S接b端，只有R1接入电路中，R总＝R1　 1．实验器材：电源、U形管、电阻丝、密封容器、停表等。 2．实验装置 3．实验方法 (1)转换法的应用：利用U形管中____________变化来反映电阻丝产生热量的多少。 (2)控制变量法的应用 ①探究电流产生的热量与电阻的关系：控制通过电阻丝的电流和通电时间相同，选择两根电阻__________的电阻丝。 ②探究电流产生的热量与电流大小的关系：控制电阻丝阻值和通电时间相同，改变通过两电阻丝的________大小。 ③探究电流产生的热量与通电时间的关系：控制电阻丝的阻值和通过电阻丝的电流相同，改变__________________________。 液面高度 不同 电流 通电时间的长短 4．实验步骤 (1)探究电流产生的热量与电阻的关系时，如图甲所示，将两个容器中的电阻丝串联起来接入电路，通过两电阻丝的电流相同，通电一段时间后，比较两个容器中U形管液面的高度变化情况。 (2)探究电流产生的热量与电流的关系时，如图乙所示，两个密闭容器中的电阻丝阻值都是5 Ω，在右侧容器的外部，将一个5 Ω的电阻与这个电阻_____联，因此通过左侧容器中电阻丝的电流________通过右侧容器中电阻丝的电流。在通电时间相同时，观察两个U形管中液面高度的变化。 (3)探究电流产生的热量与时间的关系时，如图丙所示，将这套装置接入电路，在通电过程中，只观察与左边容器相通的U形管的液面高度变化情况，发现通电时间_______，U形管中液面高度变化_________。　 并 大于 越长 越大 5．实验结论 (1)在电阻和通电时间相同的情况下，通过导体的电流越______，产生的热量越多。 (2)在电流和通电时间相同的情况下，导体的电阻越_______，产生的热量越多。 (3)在电阻和通过导体的电流相同的情况下，通电时间越________，产生的热量越多。 大 大 长 6．交流与反思 (1)选用空气(或煤油)作为加热材料的原因：__________小，可以使实验现象更明显。 (2)在实验中发现U形管两侧液面高度不变，存在的原因可能是_______________________。 比热容 U形管气密性不好 例　小明探究“电流通过导体产生的热量与电流、电阻的关系”。实验装置如图1所示，相同烧瓶内装满了煤油。电阻为R1的电热丝1根，电阻为R2的电热丝2根，且R1＝2R2。 (1)图1探究的是电流通过导体产生的热量与________的关系。 (2)闭合开关，通电一段时间后，甲烧瓶中玻璃管内液面上升的高度较大。这说明：在通电时间和电流相同的情况下，______________，这个电阻产生的热量越多。 电阻 电阻越大 (3)为了完成探究目标，他按图2所示电路图(R0是添加的电阻)组装实验装置，操作正确。甲瓶外并联一个电阻R0的目的是______________________________________。通电一段时间后，发现乙烧瓶中玻璃管内液面上升的高度较大。这说明：在通电时间和电阻相同的情况下，___________________________，这个电阻产生的热量越多。 (4)通过探究，我们知道了，电炉丝热得发红，而与它相连的导线却几乎不热的原因是______________________________________________。　 使通过两条电阻丝的电流不同 通过电阻的电流越大 电炉丝的电阻远远大于导线的电阻 　【补充设问】 (5)家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根导线连接起来使用，而连接处往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾，原因是：通电时连接处的电阻比别处的电阻_____ (选填“大”或“小”)。如果导线上这样的接头较多，会导致输送电能的效率变_______。 大 低 1．(2020·北部湾中考)下列家用电器主要利用电流的热效应工作的是 A．电饭锅 B．电冰箱 C．电视机 D．电风扇 A 2．(2022·梧州中考)下列属于防止电流热效应产生危害的实例是 A．家里使用电热水壶烧水 B．利用电视机后盖的小孔散热 C．家里使用电饭锅煮饭 D．小佳妈妈使用电熨斗熨衣服 3．(2022·柳州中考)在“探究通电导体放出的热量跟哪些因素有关”的实验中，发现电路中的电阻丝温度升高而导线温度没有明显变化，这是因为二者的 A．电阻不同 B．电流不同 C．密度不同 D．通电时间不同 B A 4．(2019·北部湾中考)如图所示，两个透明容器中密闭着等量的空气，A、B两U形管内的液面相平，电阻丝的电阻R1＝R2＝R3。小明用图示装置进行实验，探究电流通过导体时产生的热量Q跟什么因素有关。下列说法正确的是 A.此实验在探究电热Q与电阻R是否有关 B．通过R1的电流和通过R2的电流大小相等 C．电阻R1两端的电压和R2两端的电压相等 D．通电后，A管的液面将会比B管的液面高 D 5．(2021·贵港中考)在“探究电流产生的热量与哪些因素有关”实验中，实验电路如图1所示，其中R1＞R2。 　 实验一：探究电流产生的热量与电阻大小的关系 (1)请按照图1中的电路图将图2实物图连接完整。 (2)实验电路按照图1中的电路图连接是为了控制通电时间相同和控制___________；电阻丝放出热量的多少，通过__________________________来进行判断。 电流相同 温度计的示数变化 (3)为了便于比较两根电阻丝通电后产生热量的多少，a、b两瓶中要装入_______________相等、初温相同的同种液体。为了在较短时间内达到明显的实验效果，实验时选用煤油而不选水，是因为煤油的比热容________ (选填“大于”“等于”或“小于”)水的比热容。 质量(或体积) 小于 实验二：探究电流产生的热量与电流大小的关系 (4)闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，使电路中的电流变成实验一中电流的2倍，且通电时间相同。实验发现：用电阻丝R1加热的煤油，在实验一中温度升高Δt1，在实验二中温度升高Δt′1，则Δt′1________ (选填“大于”“等于”或“小于”)2Δt1，该实验说明电流产生的热量与电流大小__________ (选填“成”或“不成”)正比例关系。实验中，用电阻丝R2加热煤油重复以上实验步骤，也可以得出相同的结论。 (5)如果在两烧瓶中分别装入质量相等的不同液体，并接入两根阻值_________ (选填“相同”或“不同”)的电阻丝，就可用这个装置来探究两种不同液体的吸热性质。假设a烧瓶中液体的质量为m，瓶中电阻丝的阻值为R，测出通过它的电流为I，通电一段时间t后，温度计的示数变化量为Δt，若不计热量损失，则a液体的比热容c＝ _________ ( 用给出的物理量表示)。 大于 不成 相同 超导 6．(2022·玉林中考)20世纪初，科学家发现，某些物质在很低温度时，电阻就变成了0，这就是________现象；如图所示是“探究电热与电流的关系”的部分装置，已知A、B两点间的电压为6 V，R1＝R2＝R3＝5 Ω，通电时间2 min，则R1与R2产生的热量相差________J。 288 7．(2022·河池中考)某品牌电热水壶有“加热”和“保温”两个挡位，其内部简化电路如图所示，R1＝160 Ω，R2＝40 Ω。当S1闭合，S2断开时，电热水壶处于_________挡；加热挡的电功率为___________W。　 保温 1 512.5 8．(2019·贵港中考)家用电吹风的简化电路如图所示，主要技术参数如下表。则该电吹风正常工作吹热风时，电热丝的阻值是55Ω，正常工作吹热风5 min电热丝产生的热量是2.64×105J。 热风温度 50～75 ℃ 额定功率 热风时：1 000 W 冷风时：120 W 额定电压 220 V 质量 0.5 kg 9.(2020·河池中考)某品牌家用电热水器的简化电路如图所示，热水器有快加热、慢加热和保温三个工作状态。热水器内装有40 kg的水，慢加热额定功率为1 210 W，保温额定功率为605 W，R1、R2均为加热电阻。求：[温度对电阻的影响忽略不计，水的比热容c＝4.2×103 J/(kg·℃)] (1)热水器把水从20 ℃加热到70 ℃时，水吸收的热量。 (2)开关S1闭合、S2接b点时，电热水器处于慢加热工作状态，电阻R1的阻值。 (3)电热水器在快加热工作状态下正常工作，要产生2.42×106 J的热量，需要多少时间？ 解：(1)水吸收的热量Q＝cmΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×40 kg×(70 ℃－20 ℃)＝8.4×106 J。 (2)开关S1闭合、S2接b时，电路为R1的简单电路，电热水器处于慢加热挡， 电阻R1的阻值R1＝ ＝40 Ω。 (3)开关S1断开、S2接b时，R1与R2串联，电路中电阻最大，总功率最小，电热水器处于保温挡， 此时电路的总电阻R串＝ ＝80 Ω，R2的阻值R2＝R串－R1＝80 Ω－40 Ω＝40 Ω； 开关S1闭合、S2接a时，R1与R2并联，电路中电阻最小，总功率最大，电热水器处于快加热挡，快加热功率P快加热 = ＝2 420 W，用快加热所需时间t快＝ ＝1 000 s。 10．(2022·北部湾中考)善于观察的小明发现，家中的即热式水龙头使用时冬季水温偏低，夏季水温偏高，还发现水龙头标有“220 V　2 200 W”。于是他增加两个相同的发热电阻R、两个指示灯(电阻不计)设计了如图所示的电路进行改进，其中R0为改进前水龙头发热电阻。开关S1可以只与c相连或同时与a、b相连，使其具有两挡工作状态，且冬季与夏季水龙头工作的总电流之比为4∶1。求： (1)电阻R0的阻值。 (2)改进前，若水龙头的热效率为90%，正常加热100 s提供的热量。 (3)改进后，冬季使用时水龙头工作的总电功率。 解：(1)R0的阻值R0＝ ＝22 Ω。 (2)改装前，由于水龙头的热效率为90%，正常加热100 s提供的热量Q＝Wη＝Ptη＝2 200 W×100 s×90%＝1.98×105 J。 (3)由图可知，将开关S1与a、b相连时，R与R0并联，电路的总电阻最小时，电路的总功率最大，水龙头处于高温挡状态，用于冬季；将开关S1与c相连时，R与R0串联，总电阻较大，总功率较小，水龙头处于低温挡状态，用于夏季；水龙头分别处于冬季与夏季时总电流之比为4∶1，根据P＝UI，电源电压不变，则总电功率之比为4∶1， 即P高温∶P低温＝ ＝ 4∶1，解得R＝R0＝22 Ω。高温挡时的电功率P高温＝ ＝4 400 W。 ＝ eq \f(3.2×105 J,500 W) eq \f(U2,P高) ＝ eq \f(（220 V）2,500 W) eq \f(U2,P低) ＝ eq \f(（220 V）2,48.4 W) eq \f(U2,P2) ＝ eq \f(（220 V）2,220 W) eq \f(U2,P1) ＝ eq \f(（220 V）2,880 W) eq \f(U2,R1＋R2) ＝ eq \f(（220 V）2,55 Ω＋220 Ω) eq \f(U2,R) eq \f(U2,P保温) ＝ eq \f(（220 V）2,220 W) eq \f(U2,R2) ＝ eq \f(（220 V）2,60.5 Ω) eq \f(Q吸,η) ＝ eq \f(1.68×105 J,80%) eq \f(W,P加热) ＝ eq \f(2.1×105 J,1 000 W) eq \f(I2Rt,mΔt) eq \f(U2,P慢加热) ＝ eq \f(（220 V）2,1 210 W) eq \f(U2,P保温) ＝ eq \f(（220 V）2,605 W) eq \f(U2,R1) ＋ eq \f(U2,R2) ＝ eq \f(（220 V）2,40 Ω) ＋ eq \f(（220 V）2,40 Ω) eq \f(W,P快加热) ＝ eq \f(2.42×106 J,2 420 W) eq \o\al(2,额) eq \f(U,P额) ＝ eq \f(（220 V）2,2 200 W) ( eq \f(U2,R) ＋ eq \f(U2,R0) )∶ eq \f(U2,R＋R0) eq \f(U2,R) ＋ eq \f(U2,R0) ＝ eq \f(（220 V）2,22 Ω) ＋ eq \f(（220 V）2,22 Ω) $$