焦耳定律 期末专题突破课件-2024-2025学年九年级人教版物理全一册

焦耳定律 思维导图 1. 电流的热效应、影响电流热效应的因素，焦耳定律的内容及应用。 2. 家用电器的能耗问题。 3. 非纯电阻电路的计算。 知识要点： 一、电流的热效应 电流通过导体时，电能转化成内能的现象叫电流的热效应。 二、焦耳定律 1. 焦耳定律：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。公式：Q=I2Rt。 2. 电热与电功的关系。 电功 焦耳定律 适用范围 基本公式 W=UIt Q=I2Rt 普遍适用 推导公式 W=t=I2Rt Q=t=UIt 纯电阻电路W=Q 三、电热器 1. 电热器指利用电能来加热的设备。判断电热器高温挡和低温挡 的依据是电热器的功率。当电源电压一定时，串联的电阻越多，总电阻 越大，总功率越小，温度挡位越低。当电源电压一定时，并联电路中并 联的电阻越多，总电阻越小，总功率越大，温度挡位越高。 2. 非纯电阻用电器：电动机、电吹风、蓄电池等，其使用目的并 不是产生热量。电流做功时只有少部分电能转化为内能，其余大部分电 能转化为其他形式的能（如机械能、化学能等），这时显然有W>Q。此 时，W=UIt只能用来计算总功，产生的内能用焦耳定律计算，也就是 Q=I2Rt，产生的其他形式的能在数值上等于总功减去电热。 难点解析：纯电阻电路是将电能全部转化为内能的电路；非纯电 阻电路是将电能部分转化为内能，部分转化为其他形式的能的电路。 知识点一：电热器与焦耳定律 　【台州】某兴趣小组在研究“电阻丝产生的热量与电阻、电流及通 电时间的定量关系”时，制作了如图甲所示的实验装置：有机玻璃盒内 装有电阻丝、水和电子温度计，盒外采用优质保温材料包裹。 （1）采用优质保温材料的目的是减少实验过程中 　　　　的散失。  （2）保持水的质量和电流不变，换用不同阻值的电阻丝R，记录水温变 化Δt和通电时间t'的数据，整理部分数据并绘制图象，如图乙所示。 根据上述实验，可以得出结论： 　　 　　。 （3）保持水的质量、电阻和通电时间不变，改变电流大小，整理相关 数据，如下表所示。 电流I/A 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 升高的温度Δt/℃ 0.4 0.9 2.5 3.6 请分析表中数据，并将表中所缺的数据补上。 　（1）优质保温材料可以保温也可以隔热。（2）水吸热的 多少通过水升温的多少来反映，由Q=I2Rt'分析得出结论。（3）根据Q吸= cmΔt和Q放=I2Rt'，再结合表中数据进行分析即可。 　（1）采用优质保温材料的目的是减少实验过程中热量的 散失。（2）水的质量相同，水温变化Δt与吸热的多少成正比，水温变 化Δt越大，电阻丝放出的热量越多，即当电流和通电时间一定时，电流 通过导体产生的热量跟导体的电阻成正比。（3）不计热量损失，Q吸=Q放， cmΔt=I2Rt'，=，Δt3===1.6℃。 　（1）热量　（2）当电流和通电时间一定时，电流通过导 体产生的热量跟导体的电阻成正比　（3）1.6 　本题考查控制变量法、转换法的应用以及比较吸热能力的 方法、焦耳定律、热量的计算、数据分析，涉及的知识点较多，综合性 强。 　【镇江】如图所示为某小组设计的多挡位电热器电路，U 不变，R1、R2为电阻丝且R1>R2，电热器的功率最大时，开关的状态为 （　A　） A. S1闭合，S2接a B. S1闭合，S2接b C. S1断开，S2接a D. S1断开，S2接b A 知识点二：电热的计算 　【金华】如图甲所示为市面上的某款电热毛巾架，它的额定电压 为220 V，简化的工作电路如图乙所示，该毛巾架通过智能系统实现加 热挡、保温挡自动切换。如图丙所示为该毛巾架在正常工作30 min内功 率的变化情况。 （1）加热状态下，毛巾架正常工作时的电流为多大？ （2）分析计算图乙所示的电路中定值电阻R0、R1的阻值各为多少欧。 （3）毛巾架正常工作30 min总共消耗多少电能？ 　（1）已知额定电压和额定功率，由P=UI的变形公式可求 出正常工作时的电流。（2）当开关S、S1闭合时，毛巾架处于加热状 态，根据P=UI=求出R0的阻值；当开关S闭合、S1断开时，R1与R0串 联，毛巾架处于保温状态，根据P=求出电路的总电阻，进一步可求出 R1的阻值。（3）根据W=Pt求出毛巾架正常工作30 min消耗的电能。 　（1）加热状态下，毛巾架正常工作时的电流I加热 ===2 A。 （2）由图乙所示电路图可知，当开关S、S1闭合时，毛巾架处于加热 挡，由P=UI=可得R0===110 Ω；当开关S闭合、S1断开时，R1与R0串联，毛巾架处于保温挡，此时电路的总电阻 R===605 Ω；R1=R-R0=605 Ω-110 Ω=495 Ω。 （3）由P=可得，毛巾架正常工作30 min消耗的电能W=Pt=440 W×10×60 s+80 W×（30-10）×60 s=3.6×105 J。 　本题考查电功率公式的应用，能否从图象中获取有用信息 是解题的关键。 　某兴趣小组想要利用风扇、发热电阻等元件制作一个有低 温挡和高温挡的暖风机，他们设计了发热部分的两种电路图，如图所 示。 （1）图甲中，当开关S闭合、S1断开时，R1和R2的连接方式为 ⁠ ⁠，此时暖风机处于 ⁠挡工作状态。 串 联　 低温　 【解析】（1）题图甲中，当开关S、S1均闭合时，电路为R1的简单电 路，电路的总功率P甲1= ，所以当开关S、S1均闭合时，电热器处于高温挡；当开关S闭合、S1断开时，电热器处于低温挡。 （2）若选用如图乙所示的电路图，电源电压为24 V，想要实现发热电 阻R3的电功率为120 W，则选用的R3的阻值应为多少？ 【答案】（2）R3==4.8 Ω。 （3）按如图乙所示的电路图制作的暖风机处于高温挡时的功率为200 W，在高温挡工作600 s，暖风机所消耗的电能是多少？ 【答案】（3）暖风机所消耗的电能W=Pt=200 W×600 s=1.2×105 J。 知识点三：电动机的相关计算 　如图所示，电动机的线圈电阻为0.5 Ω，其转轴上所绕的细绳悬挂 着一个质量为2 kg的重物，细绳足够长。当S闭合时，标有“6 V　3 W”字 样的灯L恰好能正常工作；电动机使重物匀速上升时，电流表的读数为 2.5 A，g取10 N/kg。请计算： （1）通过灯L的电流有多大？ （2）重物被匀速提升时，电动机输出的机械功率有多大？ （3）重物被匀速提升时的速度有多大？ 　（1）由于灯L正常工作，根据灯L的额定电压和额定功率， 利用P=UI即可求出通过灯L的电流。（2）由图可知灯L与电动机并联， 电流表测总电流，根据P总=UI，P热=I2R，它们的差即为电动机输出的机 械功率。（3）由P机械=Fv=mgv即可求出重物匀速上升的速度。 　（1）由于灯L恰好能正常工作，所以电源电压U=U额=6 V； 由P=UI可得通过灯L的电流IL=I额===0.5 A。 （2）由图可知，电动机的电流IM=I-IL=2.5 A-0.5 A=2 A； 电动机的总功率P总=UI=6 V×2 A=12 W； 电动机线圈的发热功率P热=R=（2 A）2×0.5 Ω=2 W； 电动机输出的机械功率P机械=P总-P热=12 W-2 W=10 W。 （3）重物被匀速提升，则由P机械=Fv=mgv得重物匀速上升的速度 v===0.5 m/s。 　电动机不是纯电阻电路，不能用P=来计算，应根据P总 =UI，P热=I2R，P机械=P总-P热来求解。 　小乐用如图甲所示的直流电动机来提升重为1 N的重物，电 源电压恒定不变，闭合开关S后，在滑动变阻器R的滑片从一端滑到另一 端的过程中，电压表和电流表的变化情况如图乙所示。已知电流表示数 在0.2 A以下时，电动机没有发生转动，当电流表示数为0.3 A时，重物以 某一速度匀速上升，不计各种摩擦。求： （1）电动机的电阻。 【答案】（1）当电流在0.2 A以下时，电动机没有发生转动，此时电动 机是纯电阻电路；由题图乙知，当I=0.2 A时，电压为0.4 V。根据I==2 Ω。 （2）电流为0.3 A时重物上升的速度。 【答案】（2）当电流为0.3 A时，重物以某一速度匀速上升，由题图乙 可知，当I'=0.3 V时，U'=3 V，则电动机的输入功率P输入=U'I'=3 V×0.3 V=0.9 W，电动机的发热功率P热=I'2R=（0.3 V）2×2 Ω=0.18 W；电动机 的输出功率（机械功率）P输出=P输入-P热=0.9 W-0.18 W=0.72 W；根据 P= =0.72 m/s。 　电热水壶由分离式底座和壶身两个部分组成，分离式底 座由电源线、圆形底座和供电插座组成（如图甲所示），电热水壶内部 的简化电路如图乙所示。 （1）为防止触电，供电插座的外壳材料应是 　　　　（填“绝缘体”或 “导体”）。  （2）电热水壶的额定电压为220 V，额定功率为1000 W。 ①电阻R1的阻值是多少？ ②正常工作时，烧开一壶水需要300 s，消耗多少电能？ （3）为满足人们随时取用热水的需求，电热水壶需设置保温功能。现 有一个温控开关（一定温度时，可以自动断开或闭合；元件符号为 “ ”），一个阻值远大于R1的定值电阻Rx（元件符号为“ ”）。要 求利用提供的器材，对原电热水壶的简化电路进行改进，实现既可加热 又能保温的功能，且加热功率保持不变。请画出电路图，并说明保温的 工作原理。 　（1）根据导体和绝缘体的区别进行分析。（2）分别根据 P=UI=、W=Pt求出相关物理量。（3）由题意可知，电热水壶改进后加热功率保持不变，即电路仍为R1的简单电路，保温时R1与Rx串联，且保 温和加热是通过温控开关来实现的，据此画出改进后的电路图；然后对 开关闭合、断开进行分析得出保温的工作原理。 　（1）为防止触电，供电插座的外壳材料应不容易导电， 是绝缘体。故答案为：绝缘体。 （2）①由P=UI=可得，电阻R1===48.4 Ω。 ②由P=可得，烧开一壶水消耗的电能W=Pt=1000 W×300 s=3×105 J。 （3）由题意可知，电热水壶改进后加热功率保持不 变，即电路仍为R1的简单电路，保温时R1与Rx串联，且保温和加热是通过温控开关来实现的，改进的电路如图所示。 保温的工作原理：开关S和温控开关均闭合时，电路为R1的简单电路， 电路的总电阻最小，由P=UI=可知，电源的电压一定时，电路的总功 率最大，电热水壶处于加热状态，当电热水壶内的水烧开后，温控开关 断开，此时电路中R1与Rx串联，电路的总电阻最大，总功率最小，电热 水壶处于保温状态。 　本题考查电功率和电功的公式以及电热器加热和保温电路 图的设计。 1. 将规格都是“220 V　100 W”的一台电扇、一台电视机和一把电烙铁分别接入同一家庭电路中，通电时间相同，下列说法中正确的是 （　C　） A. 三个用电器产生的热量相同 B. 电扇产生的热量最多 C. 电烙铁产生的热量最多 D. 电视机产生的热量最多 C 2. 下列连接方法中，闭合开关后，在相同时间内虚线框里的电阻丝产生 的总热量最少的是（　C　） A. B. C. D. C 3. 一台电动机正常工作时，加在线圈两端的电压为220 V，流过线圈的 电流是5 A，线圈的电阻是10 Ω。这台电动机正常运转5 min产生的热量 是（　C　） A. 3.3×105 J B. 1.1×103 J C. 7.5×104 J D. 250 J C 4. 一个标有“220 V 1100 W”的电热器，当通过它的电流为4 A 时，它的实际功率为（　B　） A. 176 W B. 704 W C. 880 W D. 1100 W 5. 下列实例中属于防止电流热效应产生危害的是（　B　） 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. 妈妈使用电熨斗熨衣服 B B 6. 盛夏，室外温度达36℃，小宁将客厅空调的设定温度设置为 28℃，发现空调正常工作时的工作周期：工作10 min后会停止工作，5 min后再重新工作……周而复始。从该空调铭牌上获悉，空调的制冷额定 功率为2000 W。 （1）空调正常工作时，一个工作周期内消耗的电能为 J。  （2）为了节能减排，小宁家换上了隔热保温性能更好的门窗。在工作 电压、室外温度、空调的设定温度等条件均相同的情况下，空调新的一 个工作周期内，工作时间会 （填“大于”“等于”或“小于”）10 min。  1.2×106　 小于 7. 密闭的房间里有一台规格为“220 V 800 W”的取暖器，闭合开关使其正常工作30 min。 （1）该取暖器消耗的电能为多少焦耳？ 【答案】（1）30 min取暖器消耗的电能W=Pt=800 W×60×30 s=1.44×106 J。 （2）若房间里空气的质量为45 kg，取暖器放出热量的15%被空气吸 收，则房间里空气的温度升高了多少摄氏度？［空气的比热容为1000 J/ （ kg·℃）］ 【答案】（2）取暖器放出热量的15%被空气吸收，即Q吸=15%Q放 =15%W=0.15×1.44×106 J=2.16×105 J；根据Q吸=cmΔt得，Δt==4.8 ℃。 8. 某型号电饭煲有加热和保温功能，如图甲所示为其内部电路原理图， 如图乙所示为该电饭煲工作时电功率与时间的关系图象。下列关于电饭 煲工作时的说法中正确的是（　C　） A. 开关S接触点2时，电饭煲处于加热状态 B. 加热状态下，电饭煲工作10 min消耗的电能是4.8×104 J C. 电饭煲处于加热状态时的功率是800 W D. 保温状态下电饭煲工作1 min消耗200 J电能 C 【解析】开关S接触点1时，电路为电阻R1的简单电路，开关S接触点2 时，两电阻串联接入电路，由于串联电路的总电阻等于各分电阻之和， 串联电路的总电阻大于任何一个分电阻，由P=可知，开关S接触点1 时，电路的电功率较大，电饭煲处于加热状态；开关S接触点2时，电路 的电功率较小，电饭煲处于保温状态；由题图乙可知，电饭煲处于保温 状态时的功率是200 W，保温状态下电饭煲工作1 min消耗的电能W=P保 温t=200 W×60 s=1.2×104 J；从题图乙可知，电饭煲处于加热状态时的 功率是800 W，加热状态下，电饭煲工作10 min消耗的电能W=P加热 t'=800 W×10×60 s=4.8×105 J。 9. 某一用直流电动机提升重物的装置如图所示，重物的质量为50 kg，电 源电压为110 V，不计电源电阻及各处摩擦。当电动机转动，使物体以 0.9 m/s的速度匀速上升时，电路中的电流大小为5 A，则电动机线圈的 电阻大小为（g取10 N/kg）（　D　） A. 22 Ω B. 11 Ω C. 16 Ω D. 4 Ω D 【解析】电动机对物体做功的电功率P1= =4 Ω。 10. 如图所示，有两只相同的烧瓶，瓶塞上各插入一支温度计，瓶内装 有电阻丝，电阻丝的阻值分别为R1、R2；在两只烧瓶中装入煤油或水， 两电阻丝接入相应电路，无法完成的实验是（　B　） A. 探究Q与I、R、t的关系时，烧瓶中装入等质量的煤油，若R1<R2且串联，则可探究电热与电阻大小的关系 B. 探究Q与I、R、t的关系时，烧瓶中装入等质量的煤油，若 R1<R2且并联，则可探究电热与电流大小的关系 C. 烧瓶中分别装入等质量的水和煤油，若R1=R2且串联，则可比较水和煤油的吸热能力 D. 烧瓶中分别装入等质量的水和煤油，若R1=R2且串联，则可粗略测量煤油的比热容 B 【解析】要探究电流通过导体产生的热量与电流大小的关系，应控制电 阻相同、通电时间相同、液体种类和质量相同，而电流的大小不同，若 R1<R2且并联，则不能探究电热与电流大小的关系。 11. 某电热砂锅的简化电路如图甲所示，R1、R2为发热电阻，S 为旋转型开关，a、b、c、d为触点，通过旋转开关S可实现“关”“低 挡”“高挡”之间的转换，工作时先用高挡加热锅内汤料到沸腾，再用低 挡持续加热食物，使食物“汤浓味鲜”。 （1）高挡加热时，开关S应旋至触点 （填“a、b”“b、c”或“c、d”）位置。  【解析】（1）由题图甲知，开关S接“a、b”时电路断路；接“b、c”时两电阻串联，接“c、d”时只有R1接入电路，R2被短路，电源电压一定，由P=可知，接“b、c”时电阻最大，为低挡，接“c、d”时电阻最小，为高挡。 c、d 　 （2）某次烹饪一共用时6 h，电功率与加热时间的关系如图乙所示，则 本次烹饪共消耗多少电能？ 【答案】（2）某次烹饪一共用时6 h，电功率与加热时间的关系如题图 乙所示，高温挡工作1 h，低温挡工作6 h-1 h=5 h，本次烹饪共消耗的电 能W=W1+W2=P1t1+P2t2=0.44 kW ×1 h+0.1 kW×5 h=0.44 kW·h+0.5 kW·h=0.94 kW·h。 （3）发热电阻R1和R2的阻值分别为多少？ 【答案】（3）高挡加热时，R1= =484 Ω；则R2=484 Ω-110 Ω=374 Ω。 （4）生活中，有时也会选择电压力锅烹饪，因为电压力锅煮熟相 同质量的同种食物，通常比电热砂锅更省电。请从能量利用率的角度， 结合所学知识对电压力锅能省电作出简要的解释。 【答案】（4）电压力锅锅内气压大，所以水的沸点高，食物在高温下 容易熟，可以减少用电时间。 12. 在某电压下用两个不同的电热丝烧开水，不计热量损失，单独用第 一个电热丝烧，用时t1，单独用第二个电热丝烧同样的水，用时t2。如 果把两电热丝并联使用，接在相同电压下一起烧同样的水，那么所用的 时间为（　A　） A. B. C. t1+t2 D. |t1-t2| A 【解析】不计热量损失，单独用第一个电热丝把水烧开需要的热量 Q1=W1= 。 13. 如图所示为一个电热器的工作原理图，电热器内有两段电热丝， R1=40 Ω、R2=80 Ω。旋转开关内有一块绝缘圆盘，在圆盘的边缘依次有 、①、②……共10个金属触点；开关旋钮可以绕中心轴转动，旋钮的 两端各有一个金属滑片，可以将相邻的触点连通。如旋钮上的箭头指向 D时，金属滑片将②、③触点接通，同时另一端将⑦、⑧触点接通。用 这个旋转开关可以实现电热器有多挡位工作的要求。将此电热器接入家 庭电路中，请分别指出每个挡位旋转开关箭头指向的位置，并计算出该 挡位电热器正常工作时的功率。 【答案】有五个挡位，A挡：当旋钮上的箭头指向图中位置A或F时；B 挡：当旋钮上的箭头指向图中位置B或G时；C挡：当旋钮上的箭头指向 图中位置C或H时；D挡：当旋钮上的箭头指向图中位置D或I时；E挡： 当旋钮上的箭头指向图中位置E或J时。 A挡：R1、R2并联接入电路，电路的总电阻最小，为最大功率挡；P1= =605 W； E挡：空挡，接此挡时功率为零。 $$