2025年中考物理二轮专题-42 焦耳定律

专题42：焦耳定律 内容提要 难点1：探究焦耳定律 难点剖析 实验一：探究电流通过导体产生热量的多少与电阻的关系 实验方法 控制变量法：把两个密封着等量空气的透明容器中的两个阻值不同的电阻丝串联（控制两个电阻丝的电流相等）起来； 转换法：通电一段时间，通过 U形管中液面的高度差 反映电阻丝产生热量的多少。 实验装置 实验现象 与右边容器相通的U形管液面的高度差较大。 实验结论 在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。 实验二：探究电流通过导体产生热量的多少与电流的关系 实验方法 控制变量法：两个密封容器中的电阻丝阻值一样大；在右边容器的外部，将一个阻值和容器内电阻丝阻值相等的电阻丝与容器内电阻丝并联（使容器内的两个电阻丝的电流不相等）； 转换法：通电一段时间，通过 U形管中液面高度的高度差 反映电阻丝产生热量的多少。 实验装置 实验现象 与左边容器相通的U形管液面的高度差较大。 实验结论 在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。 实验改进：用液体代替空气 实验原理 控制变量法：在两个相同的烧瓶A、B中装入质量、初温均相等的煤油； 转换法：通过温度计升高的示数反映电阻丝产生热量的多少。 实验装置 （仅实验一） 选择煤油的原因 煤油是绝缘体且 比热容 小，液体升温更快，实验现象更明显。 典型例题 【例1】（2024•城关区校级三模）如图是探究“电流通过导体时产生热量与哪些因素有关”的实验装置，两个透明容器中密封着等量的空气。 （1）实验中通过观察 　U形管液面的高度差　 来比较电流通过导体产生热量的多少。 （2）图甲中R1、R2串联，可探究电流产生的热量与 　电阻　 的关系。 （3）乙装置中的电阻R3的作用主要是使电阻R1 和R2中的电流 　不相等　 （选填“相等”或“不相等”）。为了使实验现象更明显，可以将R1的阻值换成更 　小　 的（选填“大”或“小”）；若通过R1电流为2A，则通电1min，R2产生的热量为 　300　 J。 （4）乙装置中，如果R3断路，在通电时间相同时，与R3没有断路时相比较，右侧U形管中液面的高度差将 　变大　 （选填“变大”、“变小”或“不变”），让乙装置冷却到初始状态，若将右侧并联的两根电阻丝R2、R3都放入容器中，该装置 　能　 探究电流产生的热量与导体电阻的关系（选填“能”或“不能”）。 【答案】（1）U形管液面的高度差；（2）电阻；（3）不相等；小；300；（4）变大；能 【解答】解：（1）根据转换法，实验中通过观察U形管液面的高度差来比较电流通过导体产生热量的多少。 （2）甲装置中，两电阻串联，通过的电流和通电时间相同，而电阻不同，故该装置用来探究电流产生的热量与电阻的关系； （3）乙装置中，右侧两电阻并联后再与左侧电阻串联，容器内两电阻大小相等，根据并联和串联电路电流的规律，通过左侧容器中电阻的电流大于通过右侧容器中电阻的电流，而通电时间相同，故乙实验可以研究电流产生的热量与电流的关系，故乙装置中的电阻R3的作用主要是使电阻R1和R2中的电流不相等，为了使实验现象更明显，根据Q＝I2Rt，在电阻和通电时间相同的条件，应使通过两容器内的电流差别较大，根据并联电路电压的规律及欧姆定律，可以将R3的阻值换成更小的； （3）根据图乙可知，相同阻值的R3、R2并联后再与R1串联在电路中，根据并联电路电流的规律及欧姆定律可知，则通过R3、R2的电流是相同的，根据并联电路的电流规律可知，通过R2的电流是通过R1电流的0.5倍，所以通过R2的电流为： I＝0.5×2A＝1A； 通电1min后R2产生的热量为： Q＝I2R2t＝（1A）2×5Ω×60s＝300J。 （4）并联电阻小于其中任一电阻，由于电阻R3断路，R2并联部分的电阻变大，分压增多，根据Q知相同时间R2产生热量变多，因此右侧U形管中液面的高度差将变大。让乙装置冷却到初始状态，若将右侧并联的两根电阻丝R2、R3都放入容器中，等效电阻变小（小于5欧姆），通过R1和等效电阻的电流和通电时间相同，能探究电流产生的热量与导体电阻的关系。 故答案为：（1）U形管液面的高度差；（2）电阻；（3）不相等；小；300；（4）变大；能。 【例2】（2025•兴庆区校级一模）在探究“电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”时，小明和小华同时进行了实验，小明设计的实验电路如图甲所示，两个完全相同的玻璃瓶甲、乙内，瓶中插入温度计a、b。 （1）为了让实验效果更显著，小明应在图1的甲、乙两瓶中加入质量、初温均相同的 　煤油　 （选填“煤油”或“水”）； （2）实验中，通过观察温度计的示数变化大小来比较电流通过电阻产生热量的多少，下列实验应用了该研究方法的是 　B　 （选填序号）； A.探究电流与电压、电阻的关系 B.探究导体电阻的大小与哪些因素有关 C.“伏安法”测电阻 （3）爱思考的小明，还利用该实验装置比较不同物质的吸热能力，在图1甲、乙两瓶内换用质量、初温都相同的不同液体，且换用两根电阻丝的阻值R甲′　＝　 R乙′。闭合开关，一段时间后，若温度计a比温度计b温度升高得快，则甲、乙两瓶内液体比热容的关系为c甲　＜　 c乙。（均选填“＞”、“＜”或“＝”） （4）另一小组的小华同学用如图2探究电流通过导体产生的热量与电流关系的实验，实验中给装置通电，　左边　 （选填“左边”或“右边”）U形管内的液面高度变化较快。如果通过左侧容器中电阻丝的电流是2A，则右侧容器中电阻丝在1min内产生的热量是 　300　 J。 【答案】（1）煤油；（2）B；（3）＝；＜；（4）左边；300 【解答】解：（1）水的比热容大于煤油的比热容，质量相同的水和煤油吸热相同，根据Δt可知煤油的温度升高得多，为了让实验效果更显著，小明应在甲、乙两瓶中加入质量、初温均相同的油； （2）实验中，通过观察温度计的示数变化大小来比较电流通过电阻产生热量的多少，采用了转换法； A.探究电流与电压、电阻的关系，采用了控制变量法； B.探究导体电阻的大小与哪些因素有关，根据电流表示数大小比较电阻的大小，采用了转换法； C.“伏安法”测电阻，为减小误差要多次测量取平均值，没有采用转换法； 故选：B； （3）在甲、乙两瓶内换用质量、初温都相同的不同液体，根据Q＝I2Rt，为控制相同时间不同物质吸热相同，故换用两根电阻丝的阻值R甲'＝R乙'。闭合开关，一段时间后，若温度计a比温度计b温度升高得快，根据比较吸热能力的方法，则甲、乙两瓶内液体比热容的关系为c甲＜c乙； （4）如图2，右边两个5Ω的电阻并联后再与左边5Ω的电阻串联，串联电路各处电流相等，所以右边两个电阻的总电流和左边电阻的电流相等，即I右＝I左， 两个5Ω的电阻并联，并联电路干路电流等于各支路电流之和，即I左＝I内+I外，比较可知I左＞I内； 两瓶中的电阻值相等（均为5Ω），通电一段时间后，由于瓶中电阻相同、通电时间相同、I左＞I内，所以根据焦耳定律Q＝I2Rt可知，左瓶内电阻丝产生的热量多，则左侧U形管液面高度的变化较大； 并联电路各支路两端电压相等，两个5Ω的电阻并联，由欧姆定律可得I内＝I外，则I内I左2A＝1A， 右侧容器中电阻丝在1min内产生的热量：Q＝I内2Rt＝（1A）2×5Ω×60s＝300J。 故答案为：（1）煤油；（2）B；（3）＝；＜；（4）左边；300。 难点2：焦耳定律的理解 难点剖析 1、电流的热效应：电流通过导体时电能转化为内能的现象。 2、电路的两种类型 电路分类 能量转化特点 能量转化 举例 纯电阻电路 只存在电流热效应的 将电能全部转化为焦耳热（内能） 白炽灯、电阻 非纯电阻电路 即存在热效应，也存在其他效应的电路 消耗的电能一部分转化为焦耳热，一部分转化为其他形式的能量 电动机、电解槽 3、 焦耳定律 （1） 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。 （2） 公式： （3）理解：焦耳定律既适用于纯电阻电路，也适用于非纯电阻电路。纯电阻电路中；非纯电阻电路中。 （4）比较电阻产热多少 串联电路中（电流相同），根据，电阻越大，相同时间内产热越多； 并联电路中（电压相同），根据，电阻越大，相同时间内产热越少。 4、电热的利用与防止 （1）电热的利用 电热器是利用电流的热效应来工作的设备。电热器的主要工作部分是发热体，发热体是由电阻较大、熔点较高的金属导体制作的。如图所示的电热器，都是利用电热来工作的。 （2）电热的防止 很多情况下我们并不希望用电器的温度过高。电视机的后盖有很多孔，就是为了通风散热，使用时一定要把防尘的布罩拿开。电脑运行时温度会升高，需要用微型风扇及时散热。过多的电热如果不能及时散失，会产生许多安全隐患。 典型例题 【例3】（2024•菏泽）下列家用电器，利用电流的热效应工作的是（　　） A．电冰箱 B．洗衣机 C．电脑 D．电饭煲 【答案】D 【解答】解：电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应；家用电器利用电流的热效应工作的是电饭煲，故选项A、B、C错误，选项D正确。 故选：D。 【例4】（2022•梧州）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 【答案】B 【解答】解：A、使用电热水壶烧水，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故A不符合题意； B、电视机的后盖有很多孔，是为了防止电热产生危害，故B符合题意； C、家里使用电饭锅煮饭，消耗电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故C不符合题意； D、小佳妈妈使用电熨斗熨衣服，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故D不符合题意。 故选：B。 【例5】（2024•郓城县三模）标有“220V 40W”的字样的电视机、电风扇、电热毯和日光灯四种电器，都在额定电压下工作相同的时间，则产生的热量最多的是（　　） A．电热毯 B．电风扇 C．电视机 D．日光灯 【答案】A 【解答】解： A、电热毯是利用电流的热效应工作的，在额定电压下工作相同时间电能全部产生热量。 B、电风扇是主要利用电流的磁效应工作的，在额定电压下工作相同时间电能主要转化成机械能，产生热量很少。 C、电视机在额定电压下工作相同时间主要是把电能转化为声能和光能，产生热量很少。 D、日光灯在额定电压下工作相同时间主要是把电能转化为光能，产生热量更少。 所以三个用电器产生热量不一样多，电热毯产生热量最多。 故选：A。 【例6】（2024•南开区模拟）如图甲，将锡纸条的中间剪掉一些，已知ab、bc、cd长度相等，如图乙，将锡纸条接在电池两极，很快锡纸条开始冒烟、着火。下列关于该实验现象的分析，正确的是（　　） A．先冒烟的是ab段 B．ab段的电阻小于bc段的电阻 C．bc段产生的热量大于ab段产生的热量 D．通过ab段的电流小于通过bc段的电流 【答案】A 【解答】解：B、由图甲可知，锡纸条上ab、bc、cd段的材料和长度相等，ab段横截面积最小，cd段横截面积最大，在材料和长度相同时，横截面积越小电阻越大，所以ab段的电阻最大，bc段的电阻较大，cd段的电阻最小，所以ab段的电阻大于bc段的电阻，故B错误； ACD、ab、bc、cd段串联在电路中，根据串联电路的电流特点可知，通过ab、bc、cd三段的电流相等， 根据Q＝I2Rt可知，相等时间内，ab段的电阻最大，产生热量最多，其次是bc段，cd段产生的热量最少，所以先冒烟的是ab段，故A正确、CD错误。 故选：A。 难点3：电热的计算与比较 难点剖析 1、电热的计算方法总结 一切电路 纯电阻电路 利用电热等于电功计算 利用电能表计算 2、串并联电路中各物理量的比值关系 电路 相同关系 不同关系(电路中只有两个电阻时) 串联电路中 电流相同 == 并联电路中 电压相同 == 3、有关电动机的计算方法 （1）有关能量问题的计算 电功（电能） 电热 电功与电热关系式 效率 （2）有关功率问题的计算 电功率(总的电功率) 热功率（发热规律） 电功率与热功率关系式 效率 典型例题 【例7】（2024•牡丹江）两个电阻串联在电路中，R1＝10Ω，R2＝20Ω。R1两端的电压为1V，通过R1的电流为 　0.1　 A，R2两端的电压为 　2　 V，通电5min，R1上产生的热量为 　30　 J。 【答案】0.1；2；30。 【解答】解：通过R1的电流：I10.1A； 因串联电路中各处的电流相等， 所以，R2的电压：U2＝I2R2＝I1R2＝0.1A×20Ω＝2V， 通电5minR1上产生的热量为：QR1t＝（0.1A）2×10Ω×5×60s＝30J。 故答案为：0.1；2；30。 【例8】（多选）（2024•宜宾）如图是探究电流热效应的实验装置，两个相同透明容器中密封着等量的空气和电阻R1、R2，其中R1＝5Ω，R2＝R3＝10Ω。下列说法正确的是（　　） A．只闭合S1，可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系 B．只闭合S1，若电路中的电流为0.2A，通电1min电阻R1产生的热量为12J C．闭合S1和S2，通过R1的电流是R2电流的0.5倍 D．闭合S1和S2后，左侧U形管内液柱的高度差和右侧的高度差一样 【答案】AB 【解答】解：A、只闭合S1，电阻R1、R2串联，通电时间和电流大小均相等，两电阻的大小不相等，因此，可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系，故A正确； B、只闭合S1，若电路中的电流为0.2A，通电1min电阻R1产生的热量为：Q＝I2Rt＝（0.2A）2×5Ω×60s＝12J，故B正确； C、闭合S1和S2，R2和R3并联后，再与R1串联，则通过R1的电流等于R2和R3并联部分的电流之和，则通过R1的电流是R2电流的2倍，故C错误； D、闭合S1和S2后，通过R1的电流是R2电流的2倍，通电时间相同，电阻大小不同，则左侧U形管内液柱的高度差和右侧的高度差不一样，故D错误。 故选：AB。 【例9】（2025•相山区校级模拟）如图所示的电路中，电源电压恒定，R1：R2＝1：2。开关S闭合后，通过R1、R2的电流分别为I1、I2；R1、R2的电功率分别为P1、P2；相同时间内通过R1、R2的电流做的功分别为W1、W2；相同时间内R1、R2产生的热量分别为Q1、Q2。则下列说法正确的是（　　） A．I1：I2＝1：2 B．P1：P2＝1：4 C．Q1：Q2＝4：1 D．W1：W2＝2：1 【答案】D 【解答】解：由图可知，开关S闭合，电阻R1与R2并联，所以R1与R2两端的电压相等，都等于电源电压U。 A、由I可得，R1与R2的电流之比为：I1：I2：R2：R1＝2：1，故A错误； B、由P＝UI可得，R1与R2的电功率之比为：P1：P2＝UI1：UI2＝I1：I2＝2：1，故B错误； CD、在相同时间内，根据Q＝W＝UIt可得，电流做功之比和产生的热量之比： Q1：Q2＝W1：W2＝UI1t：UI2t＝I1：I2＝2：1，故C错误、D正确。 故选：D。 【例10】（2023•仙桃）某款电热杯有高、中、低三挡，简化电路如图所示，S1、S2不能同时闭合，R1的阻值为2.5Ω。只闭合S3时，电路中的电流为2A。下列说法正确的是（　　） A．电源电压为10V B．只闭合S1、S3时，电热杯处于低温挡 C．只闭合S3时，电热杯工作1min产生的热量为600J D．加热100g水，水温由25℃升高到35℃，水吸收的热量为420J 【答案】C 【解答】解：A、只闭合S3时，电路为R1的简单电路，电路中的电流为2A，R1的阻值为2.5Ω，根据欧姆定律可得电源电压U＝I1R1＝2A×2.5Ω＝5V，故A错误； B、闭合S1、S3时，两电阻并联接入电路，并联电路总电阻小于任一分电阻，根据P可知电热杯消耗的功率最大，处于高温挡，故B错误； C、只闭合S3时，电热杯工作1min产生的热量Q＝W＝UI1t＝5V×2A×60s＝600J，故C正确； D、加热100g水，水温由25℃升高到35℃，水吸收的热量为Q′＝cmΔt＝4.2×103J/（kg•℃）×100×10﹣3kg×（35℃﹣25℃）＝4200J，故D错误。 故选：C。 【例11】（2024•成都）小张想设计一个有“低温”、“中温”和“高温”三个挡位的电加热器，其电路图如图所示，电源电压为220V，R1、R2是电热丝，开关S接触相邻的两个触点。她准备了三根电热丝，R1＝242Ω，另外两根电热丝的阻值分别是121Ω和242Ω，R2该选取阻值为 　121　 Ω的电热丝。开关S接触“1”、“2”两个触点时，通电1min，电流产生的热量是 　1.2×104　 J。 【答案】121；1.2×104。 【解答】解：电路的工作状态有三种，分别是“R1”单独接入、“R1、R2”并联接入、“R2”单独接入，那么如果想要有3种挡位，则需要R1、R2的阻值不同，R1＝242Ω，则R2该选取阻值为121Ω的电热丝； 开关接触“1”、“2”两个触点时，只有“R1”单独接入，通电1min，电流产生的热量： Q1.2×104J。 故答案为：121；1.2×104。 【例12】（2024•重庆）如图所示，小欣同学家电能表4月底的示数是 　2024.6　 kW•h；若关闭家中其他用电器，只有电热水壶工作，电能表的指示灯闪烁300次时，刚好将1.2kg水从20℃加热到80℃，则电热水壶的加热效率为 　84　 %。[c水＝4.2×103J/（kg•℃）] 【答案】2024.6；84 【解答】解：由图可知，电能表最后一位是小数，电能表4月底的示数是2024.6kW•h； 3000imp/（kW•h）表示电路中用电器每消耗1kW•h电能，电能表的指示灯闪烁3000次，则电能表指示灯闪烁了300次，电热水壶实际消耗的电能：W0.1kW•h＝3.6×105J， Q吸＝cmΔt＝4.2×103J/（kg•℃）×1.2kg×（80°﹣20°）＝3.024×105J， 电热水壶的加热效率为η84%。 故答案为：2024.6；84。 难点4：电动机相关计算 难点剖析 1、有关电动机的计算方法 （1）有关能量问题的计算 电功（电能） 电热 电功与电热关系式 效率 （2）有关功率问题的计算 电功率(总的电功率) 热功率（发热规律） 电功率与热功率关系式 效率 典型例题 【例13】（2025•福田区校级一模）有一款USB迷你型小风扇，说明书上标有“6V 3W”字样，电动机线圈电阻为0.1Ω。则小风扇正常工作时通过线圈的电流是 　0.5　 A，通电1min电流通过电动机线圈产生的热量为 　1.5　 J。 【答案】0.5；1.5。 【解答】解：标有“6V 3W”，说明额定功率为3W，额定电压为6V，由P＝UI可得，小风扇正常工作时通过线圈的电流； 通电1min电流通过电动机线圈产生的热量为 Q＝I2Rt＝（0.5A）2×0.1Ω×60s＝1.5J。 故答案为：0.5；1.5。 【例14】（2025•包河区校级一模）如图所示是一直流电动机提升重物的装置。已知重物质量M＝50kg，电源电压U＝220V保持不变，电动机线圈的电阻R＝10Ω，不计各处摩擦，当电动机以某一速度匀速向上提升重物时，电路中的电流I＝5A。试从能量转化和守恒的角度分析计算，重物上升的速度大小为 　1.7　 m/s。 【答案】1.7 【解答】解：电动机正常工作时，将电能转化为内能和机械能， 根据W＝UIt和Q＝I2Rt可得，重物增加的机械能，即电动机对重物做的功为 W机＝W﹣Q＝UIt﹣I2Rt， 结合W机＝P机t＝Gvt和G＝mg可得：Mgvt＝UIt﹣I2Rt， 代入数据可得：50kg×10N/kg×v＝220V×5A﹣（5A）2×10Ω， 解得，重物的速度：v＝1.7m/s。 故答案为：1.7。 学科网（北京）股份有限公司 $$