15.4 焦耳定律（教学课件）物理沪粤版2024九年级上册

沪粤版 九年级上册 第十五章 电能与电功率 15.4 焦耳定律 学习目标 1．科学观念：理解电流的热效应概念，即电流通过导体时电能转化为内能导致导体发热的现象；掌握焦耳定律的内容，明确电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定量关系，能运用焦耳定律公式进行简单计算； 2．科学思维：通过探究通电导体产生的热量与电阻、电流关系的实验，培养分析实验现象、处理实验数据并得出结论的能力，体会控制变量法在科学探究中的应用； 3．科学探究：参与实验设计与操作，如设计探究热量与电流关系的电路，提出合理的实验方案，提升科学探究的能力和创新思维； 4．科学态度与责任：了解电流热效应在生活中的应用与控制，认识到合理利用电能、节约用电的重要性，树立环保和安全用电的意识。 重点难点 1．电流的热效应概念及常见实例，焦耳定律的内容、公式及应用，包括公式中各物理量的单位，能运用公式解决实际问题； 2．探究通电导体产生的热量与电阻、电流关系的实验过程，包括实验设计、数据分析和结论总结，理解控制变量法的具体应用。 1．对焦耳定律中 “热量与电流的二次方成正比” 这一定量关系的理解，以及在计算中如何正确处理各物理量的关系； 2．区分纯电阻电路和非纯电阻电路中焦耳定律的应用，理解在非纯电阻电路中电能并非全部转化为内能。 用真实的家用电暖气（或电暖宝）演示：我们看到取暖器热的发红发烫，而它的电源线却几乎不热！为什么呢？ 情景引入 01 03 CONTENTS 通电导体产生的热量与哪些因素有关 电流热效应的应用与控制 探究新知 02 焦耳定律 PART ONE 通电导体产生的热量与哪些因素有关 观察思考 如图所示，通电的电炉散发着热量，生活中的电热水壶、电暖手宝等电器工作时同样会发热。当电流通过导体，电能转化为内能致使导体发热的现象，被称为电流的热效应。那么，通电导体产生的热量究竟与哪些因素相关呢？ 通电导体产生的热量与哪些因素有关 与电阻的关系 实验设计:展示实验电路图和实验装置图 实验器材：甲、乙两个锥形瓶，电阻丝 R₁=5Ω、R₂=10Ω，等量煤油，温度计，电源，开关等 实验变量：电阻（R₁≠R₂）；控制变量：电流、通电时间（串联电路，电流相同，同时通断电） 实验步骤 连接电路，记下瓶中煤油的初始温度t₀ 通电后，每经过 1min，读出两支温度计的示数并记录 整理数据填入表 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 与电阻的关系 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 控制导体中的电流和通电时间相同，探究通电导体放出的热量与电阻的关系，看温度的变化       与电阻的关系 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 电阻R/Ω 温度t/℃ t0 t1 t2 t3 t4 R1=______ R2=______ 分析实验数据，我们可以得出结论：当通过导体的电流一定时，通电导体的电阻越大，产生的热量越多。 与电流的关系 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 控制导体的电阻和通电时间相同，探究通电导体放出的热量与电流的关系 ，看温度的变化      与电流的关系 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 实验设计 展示参考电路图（图 15-4-4） 实验对象：选用乙瓶的电阻丝（R=10Ω） 实验变量：电流（通过改变电路连接方式或滑动变阻器来改变电流）；控制变量：电阻、通电时间 提问：该同学的设计合理吗？你的方案是什么？ 不合理，因探究通电导体产热与电流关系，需控制电阻、通电时间相同，改变电流，原电路无对比组 。 改进方案：用两个相同电阻R2​，构建并联电路，一支路直接连R2​，另一支路让R2​与滑动变阻器R′串联 。借并联电路电流特点，使两电阻、通电时间同，电流不同 ，以此探究产热与电流关系。如右图所示: 与电流的关系 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 控制导体的电阻和通电时间相同，探究通电导体放出的热量与电流的关系 ，看温度的变化      实验结果表明：当电阻一定时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多 与通电时间的关系 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 实验设计:以探究一或探究二中的某一组实验为基础 实验变量：通电时间；控制变量：电阻、电流 控制导体中的电流和电阻相同，通电导体放出的热量与通电时间的关系，看温度的变化  实验还发现：通电时间越长，导体产生的热量越多。 实验探究：通电导体产生热量的影响因素 实验现象与结论： 1）实验现象 ①电流和通电时间相同时，导体电阻越大，产生的热量就越多  ②电阻和通电时间相同时，通过导体电流越大，导体产生的热    量越多 ③电流和电阻一定时，通电时间越长，导体产生的正热量越多 2）实验结论 导体通电产生的热量与导体的电阻、通电电流大小、通电时间 有关 更精确实验说明：   实验探究：通电导体产生热量的影响因素 注意： 1）烧瓶内液体种类、质量、初温相同 2）加热物体先用煤油，是煤油比热容较小，温度上升快，现象明显 3）导体放出热量多少用温度计示数表示或U形管中液面高度差 4）多次测量，是使实验结论具有普遍性 PART TWO 焦耳定律 焦耳定律内容 阅读思考 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。 　　焦耳（James Prescott Joule，1818~1889），英国物理学家。用近 40 年的时间做了 400 多次实验，研究热和功的关系。通过大量的实验，于 1840 年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定量关系。 焦 耳 定律是通过大量实验总结得出的。 焦耳定律内容 阅读思考 （1）单位统一为国际单位。 （2）纯电阻用电器把电能全部转化为内能， W=Q； UIt=I2Rt。 电功等于电热， 即， 所以， （3）非纯电阻用电器把电能转化为内能和其它形式的能。 W=W有用+Q； W > Q； UIt > I2Rt； 电动机的效率: 即， 所以， 2.定律公式： 定律内容 阅读思考 （4）电动机的效率: UIt=W机+I2Rt； 有用功是电能转化为的机械能总量；   利用Q=I2Rt计算电热。 额外功是电能转化为的电热； 所以， 定律内容 例题解析 题目：某电热器接在 220V 的电源上，其电阻是 100Ω，则通电 8min 约产生多少热量？ 思考：上述解法是先求出电流再计算热量，是否存在不计算电流的解法呢？ PART THREE 电流热效应的应用与控制 电流热效应的应用 阅读感悟 1、电热的应用： 1）电热器是利用电热的主要设备，它是利用电流的热效应制成的  2）电热器的主要工作部分是发热体，发热体需要用电阻大、熔点高的金属导体制作。     3）电压力锅、电暖手宝、电养生壶、电饼铛等，都是电热器 电流热效应的控制 阅读感悟 对于不需要热量的用电器，电热就是一种浪费甚至会造成危害，因此就需要把这部分热量散发出去。       如：电视机、电脑等设备工作时产生的热量不仅浪费电能，还可能因温度过高损坏设备。为此，许多电器采用设置散热孔、安装散热片或加装散热风扇等方式降温。 联系生活 在家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根连接起来，而连接处往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾。这是为什么？ 电饭锅插头松动后，使用时插头发热将插座烧坏，原因是什么？ 电器接线柱接触不良，也会导致发热而烧坏，为什么？ 据焦耳定律Q =I2Rt，电流一定，当插头松动时，接触面积变小导致接触电阻变大，电流产生的热量增加，插座温度升高而烧坏。 课堂小结 布置作业 1．现将标有“220V 100W”的电冰箱、电风扇、电炉各一台，分别接入电路中均正常工作，在相同时间内（　　） A．三个用电器产生的热量相同 B．电风扇消耗的电能最多 C．电炉将消耗的电能转化为内能最多 D．单独将电冰箱接入电路时，电能表转得最快 【答案】C 【答案】C 2．在“探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”的实验中，某同学采用了如图甲、乙所示的实验装置（两个透明容器中封闭着等量的空气）。下列说法正确的是（　　） ①U形管中液面高度变化主要是由液体热胀冷缩引起的 ②图甲装置能探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系 ③图乙实验过程中右边透明容器中电阻丝阻值应该等于10Ω ④用图甲中的实验结论能解释“电炉丝热得发红而与电炉丝相连的导线几乎不发热”的现象 A．①② B．②③ C．②④ D．③④ 3．夏天的晚上，为了驱赶蚊虫，小敏在房间里使用电蚊香，插上电后，电蚊器变热了，利用了电流的______；电蚊器上的蚊香片温度会升高，通过______的方式改变蚊香片的内能；过了会儿房间里就充满蚊香的气味，这是因为______。 【答案】热效应 热传递 分子在不停地做无规则运动 4．学校物理探究小组用如图所示装置探究影响电流热效应的因素。   （1）在A、B两烧瓶内装入初温和质量都相等的煤油，RA和RB串联是为了控制___________和加热时间相同，利用该装置___________（选填“可以”或“不可以”）探究电热与电流的关系； （2）如果要用该装置来探究不同液体的吸热特点，则将对实验器材作哪些改进___________、___________。 【答案】 电流 可以 如用该装置探究不同物质的吸热能力，根据控制变量法，则应对器材作如下调整为使相同时间内放出的热量相同，应将两电阻丝的阻值换成相同的；探究不同物质的吸热能力，根据控制变量法，A、B两烧瓶内应装初温和质量相等的不同种液体。 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 $$电流通过导体时，由于导体的电阻，电能会转化为内能，这叫做电流的热效应。如过电流通过导体放出的热量和什么有关呢？电流的热效应跟这个电流的大小有关了。另外导体对电流又有阻碍作用，导体的电阻也会影响它。再者，电热毯开的时间越长，放的热量也就越多，和时间也有关系。猜了这么多，还是做个实验探究一下吧。不过要先弄清楚怎样才能知道电阻产生热量多少呢？这样肯定不行，可以用转化法把电阻放进烧瓶中，烧瓶中装满相同质量的液体，并在其中插入一支温度计。这样电阻产热越多，液体温度就会越高，温度计的示数也就越大。这样便能用温度计示数的高低来表示放出热的多少。那我们先来研究电阻对于导体产热的影响。需要控制电流和通电时间相等，所以串联两个电阻即可。这样连好电路，确保初始的两支温度计温度相同。闭合开关过了一段时间可以看出十欧电阻对应的温度计示数更高一些。所以电流通电时间相同时，电阻越大，导体产生的热量也越多。再来研究电流对于导体产生多少的影响，这时候我们需要让电流不同而控制电阻通电时间相同。所以可以再并联一个电阻，这样根据并联电路电压规律，这个电阻和这两个串联的电阻电压相同，当然它的电流就大一些，所以对比这两个电阻产生的热量就可以了。先保证最初温度计数值相同，再接通开关，过了一段时间，发现单独连接的电阻温度升得更高，所以电阻通电时间相同时，电流越大，电阻产生的热量也越多。当然别忘了实验中温度计示数都是一点点上升的。电阻散热也和通电时间有关系，通电时间越长，电阻产生的热量就越多。这个实验其实焦耳很早就做过，他经过大量的实验得到的导体产生热量和电流电阻的关系及焦耳定律电流通过导体产生的热量跟电流的2次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。用Q代表热量，则公式为Q等于I方RD电流的单位是安，电阻是欧，时间是秒，而热量单位是焦耳，所以一焦耳等于一安的平方乘以欧姆乘以秒。总结一下，电流通过导体产生的热量跟电流的2次方，导体的电阻通电时间成正比，公式为Q等于I方RT你学会了吗？呵呵。 小胖子今天要烧水，他有两根电阻丝R一和R2。用R一单独加热只需要十分钟水就开了，电压不变。用R1和R2串联加热时，则需要30分钟烧开同一壶水。那如果把这俩电阻并连起来，有多少分钟就能烧开同一壶水了呢？我们来一点点分析，每次烧开一壶水需要的热量都是一样的，所以三次要产热都是相同的。先看前两次产热相同，同时电压也相同，选公式Q等于U方比R倍的T可知Q等于U方比R1倍的T1又等于U方比上R1加R2倍的T22。利用比例能得出这个代入T1和T2，可以求出两次总电阻的阻值之比，进而得到两电阻之比为1比2，即R2等于二倍的R1。那么两个电阻并联应用并联电路的等效电阻公式并代入这个式子，可知R并等于R1乘以二倍的R1除以三倍的R一等于3分之2倍的R1，此时再利用Q等于U方比R倍的D对比第一次和第三次有这样的式子可以得到T3等于RB比上R一倍的T1等于3分之2乘以十分钟，也就是6点六七分钟400秒，你做对了吗？总结一下焦耳定律的综合计算，先找出不同加热状态下的不变量或已知量，如电源电压及产生的热量，选取包含这些物理量的公式形式，先求出电阻之比，进而求出其他物理量之比就能解决了，你学会了吗？不。 null小胖子在家不好好学习偷看电视，听到大胖子回来了，赶紧关了电视机假装看书。大胖子回到家摸了一下电视机后面，果断揍了小胖子一顿。就这么一下，咋就能知道小胖子看过电视呢？其实你自己试试就知道电视机后面会发热。这是由于一般的导体都有电阻，电流通过时，总有一部分电能会转化为内能，用电器自然就产热，从而温度就升高了，这叫做电流的热效应。电流的热效应在生活中有很多应用，它们都是利用电能转化为内能直接加热的，包括电热毯、电水壶、电炉子、电暖气、电熨斗等等。不过对于其他的电器来说，如电视机、电冰箱、洗衣机等，电流的热效应就不怎么好了，会消耗掉电能，产生不需要的热量。总结一下，电流通过导体时，电能会转化为内能，这叫做电流的热效应。利用电流热效应的电器有这些，你记住了吗？呵呵。 焦耳定律是什么？是这个式子适用于所有用电器，来者不拒。那我们今天来扩充一下公式，5G还记得我们之前的另一个定律吗？欧姆定律我们不妨把它代进去，代入一个I等于U除以R得到Q等于UIT代入两个I等于U除以R得到Q等于U方除以R乘以，这些都是我们的武器。不过要注意一下，欧姆定律只适用于纯电阻电路。所纯电阻电路就是消耗的电能都转化成了内能，比如说电阻、电炉等等。非纯电阻电路就是消耗的电能主要转化成其他形式的能，只有很少量的转化成内能。比如电风扇，他把电能大部分转化成机械能，只有很少部分转化成了内能。实验中的纯电阻就包括各种电阻和小灯泡，所以后面的两公式也只能用在它们身上。那来道题目试试，当两安电流通过一根电热丝时，经过一分钟电热丝放热6乘以13次方焦耳。那么当选用另一根电热丝接入同一电路，电流为四安。一分钟后电热丝产多少热量呢？电热丝是纯电阻，所以这道题目一定要选好武器，让计算更容易些。现在已知电流和时间，还知道电压相同，当然用这个了，变形一下U就等于这个6乘以10的3次方焦耳除以两安，再除以一分钟，记得化成秒得到电压为50伏，再利用一次这个公式，Q2等于50伏乘以四安，乘以一分钟就等于1.2乘以10的4次方焦耳就解决了。当然还可以用，比例能更简单，两次的电压相同电流后一次是前一次的两倍，那当然选这个公式是比一下了，这样能得到后一次的产热是前一次的两倍，当然就是1.2乘以10的4次方焦耳了。总结一下，计算电流通过电阻产生的热量用焦耳定律即可。而对于纯电阻电路，我们还可以灵活运用这两个式子，你记住了吗？呵呵。 焦耳定律你玩转了没？今天带你玩转它。这是焦耳定律的公式，电流越大电阻越大，通电时间越长，放出的热量就越多。那这个问题能解决吗？小胖子连了两个电路分别长成这个样子，开关闭合之后，电流流过电阻丝放出的热量越多，空气越热膨胀得越厉害，气球也会涨起来，用气球的大小来衡量发热多少。四个瓶子都是这样，到底哪个能判断电阻对于电流热效应的影响呢？要研究电阻的影响，当然要控制电流不变。这个电流流过它它回到负极，串联电流相同。这个电流走到这儿，一个走这里一个走这里，并联电流不同。所以一定要选择这一组，简单有点难。现在两个电路电压一样，过了相同的一段时间，四个气球的大小从小到大怎样排列呢？这个需要翻译一下，既然产热越多，空气膨胀越厉害，气球也越大。那这道题就可以看成四个电阻的产热量从少到多排列一下。我们分别来对比一下。左边这个串联电流相同，用Q等于I方RT，电阻大的产热量大，所以A气球小于B气球。再看右边的并联电压相同，用Q等于U方除以R倍的D，电阻小的占热量大，所以D气球小于C气球。不过这两个之间怎么对比？A小于BD小于C想一下，只要分析出两头就可以了。所以来比比B和D仍利用这个公式，BD的电阻是一样的。这里的电压是总电压的一部分，这个就是总电压这个大，所以B小。综上气球的大小为A小于B小于D小于C你做对了吗？总结一下焦耳定律的实验题要注意好控制变量，一般用气球大小来表示发热的多少转化法，并且要会活用焦耳定律的变形公式来比较放热的多少。你明白了吗？呵呵。 将电动机连在如下电路中，电源电压为220伏不变，电流表的示数为五十安培。若电动机的电阻为0.5欧姆，那一秒内电流做功多少焦耳？电动机产生的热量为多少？这是电总结电流做的功没有全部转化为内能，所以是非纯电阻。因此计算电流做功W只能用公式，W等于UIT带入电压220伏，电流50安培与时间一秒，可以算出电流做功11000焦。再来计算电动机产生的热量，热量Q也只能用焦耳定律，Q等于I方RT带入电流五十安培，电阻0.5欧姆，与时间一秒可以算出产生热量1250焦。此时电流做功11000焦不等于导体产生的热量1250焦。这正是因为电流做的功没有全部转化为内能，还有一部分转化为了电动机的机械能。于是你可以算出一秒内电动机的机械能为9750焦棒。总结一下非纯电阻电路焦耳定律的计算，因为电流做功没有全部转化为内能，所以计算电流做功只能用W等于UIT，计算电流产生的热量也只能用Q等于I方RT你记住了吗？呵呵。