15.4 焦耳定律（导学案）物理沪粤版2024九年级上册

15.4 焦耳定律（导学案） 【学习目标】 2022年课程标准 物理素养 3.4.6 通过实验，了解焦耳定律。 3.4.6 能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象。 5.1.3 能运用所学知识知道和规范个人行为，践行低碳生活，具有节能环保意识。 物理观念：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。 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。 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。 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。 【学习重点】 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。 【学习难点】 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。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．电流通过导体时，______转化成______，导致导体发热的现象，叫做电流的热效应。 2．通电导体产生的热量与______、______、____________等因素有关。 3．焦耳定律的公式为：Q=______，焦耳定律适用于所有的电路。 4．当电流通过导体做的功（电功）全部用来产生热量（电热），纯电阻电路则有Q=W，可用电功公式算Q，即Q=W=______=______=______=。 【课堂探究】 探究一、认识电流热效应与提出猜想——析实例、明方向 1．探究目标 通过生活中用电器发热现象，理解“电流热效应”的定义（电能转化为内能），列举常见应用实例。基于生活经验和已有知识，合理猜想“通电导体产生的热量与哪些因素有关”，明确实验探究的方向。 2．探究过程 现象引入：识别电流热效应 观察教材图15-4-1（电炉）及图15-4-5（电压力锅、电暖手宝等），小组讨论并完成下表： 用电器名称 工作时的现象 能量转化形式（电能→？） 是否属于电流热效应 电炉 电炉丝发热、发红 电能→内能 是 电热水壶 水被加热、壶底发热 电能→内能 是 电暖手宝 内部发热、温度升高 电能→内能 是 电视机 外壳轻微发热 电能→光能+声能+少量内能 是（伴随现象） 提炼概念：电流热效应是指电流通过导体时，电能转化为内能，导致导体发热的现象（核心：能量转化为内能，且发热是主要或伴随效果）。 猜想提出：热量的影响因素 结合教材提示及生活经验（如“电炉丝热得发红，导线不怎么热”“电流越大，电暖手宝热得越快”），小组讨论并记录猜想： 猜想1：与导体电阻有关（电阻越大，热量越多，如电炉丝电阻大、发热明显）； 猜想2：与通过导体的电流有关（电流越大，热量越多，如调大电流，电熨斗升温更快）； 猜想3：与通电时间有关（时间越长，热量越多，如电水壶烧水时间越长，水温越高）； 明确实验需用“控制变量法”验证以上猜想。 3．探究结论 电流热效应本质：电能转化为内能，是许多电热类用电器（如电炉、电热水器）的工作原理。 探究方向：通电导体产生的热量可能与电阻、电流、通电时间有关，需通过控制变量实验逐一验证。 【例题1】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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 探究二：实验探究热量的影响因素——控变量、得规律 1．探究目标 用“控制变量法”设计并完成三个子实验，分别探究热量与电阻、电流、通电时间的关系，规范记录实验数据。分析实验数据（温度计示数变化），得出“电阻越大、电流越大、时间越长，热量越多”的定性结论，为焦耳定律铺垫。 2．探究过程 子实验1：探究热量与电阻的关系（控制电流、时间不变） 实验设计（教材图15-4-2、15-4-3） 器材：甲、乙锥形瓶（装等量煤油）、电阻丝R1=5Ω（甲瓶）、R2=10Ω（乙瓶）、电源、开关、导线（两电阻丝串联，确保电流相等）、温度计2支、秒表。 控制变量：电流I（串联相等）、通电时间t（相同），改变电阻R（5Ωvs10Ω）。 实验步骤（按教材要求） ①记录甲、乙瓶中煤油初始温度t0，填入教材表15-4-1； ②闭合开关，同时启动秒表，每1分钟记录一次两支温度计的示数（t1、t2）； ③记录3组数据后，断开开关，整理数据（示例）： 电阻R/Ω 初始温度t0/℃ 1min后温度t1/℃ 2min后温度t2/℃ 温度变化Δt/℃（2min内） R1=5 20 22 24 4 R2=10 20 24 28 8 结论：电流、时间相同时，导体电阻越大，煤油温度升高越多（吸收热量越多），即产生的热量越多。 子实验2：探究热量与电流的关系（控制电阻、时间不变） 实验设计（教材图15-4-4思路） 器材：选用子实验1中的乙瓶（R2=10Ω，电阻不变）、滑动变阻器（改变电路电流）、电源、开关、温度计、秒表。 控制变量：电阻R=10Ω（不变）、通电时间t=2min（相同），改变电流I（通过滑动变阻器调节，如I1和I2>I1）。 实验分析与操作 电路合理性：教材图15-4-4中，滑动变阻器与电阻丝串联，通过滑片移动改变电路总电阻，进而改变电流（合理，因串联可直接调节电流）； 操作步骤： ①滑片移至最大电阻处，闭合开关，记录电流I1（较小），通电2min，测温度变化Δt1； ②滑片移至较小电阻处，记录电流I2（较大），通电2min，测温度变化Δt2； 现象：Δt2>Δt1。 结论：电阻、时间相同时，通过导体的电流越大，煤油温度升高越多，即产生的热量越多。 子实验3：探究热量与通电时间的关系（控制电阻、电流不变） 实验设计 器材：沿用子实验2中的乙瓶（R=10Ω）、固定滑动变阻器滑片（电流I不变）、温度计、秒表。 控制变量：电阻R=10Ω、电流I（不变），改变通电时间t（1min、2min、3min）。 操作与现象 记录不同时间的温度变化：t=1min时Δt=4℃，t=2min时Δt=8℃，t=3min时Δt=12℃； 规律：时间越长，温度变化越大。 结论：电阻、电流相同时，通电时间越长，导体产生的热量越多。 3．探究结论 综合三个子实验：通电导体产生的热量与导体电阻（正相关）、通过的电流（正相关）、通电时间（正相关）有关，即电阻越大、电流越大、时间越长，产生的热量越多。 【例题2】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___________，可比较电阻丝产生的热量的多少； （2）甲装置可探究电流产生的热量与___________的关系； （3）乙装置中的电阻的作用主要是___________。 探究三：焦耳定律的推导与应用——明公式、解实例 1．探究目标 理解焦耳定律的内容（定量关系），用电功率公式推导焦耳定律公式Q=I2Rt，明确各物理量的单位。运用焦耳定律解决教材例题及作业问题（如电热器、电饭煲、电烙铁的热量计算），规范解题步骤。 2．探究过程 焦耳定律的内容与公式 教材定义：英国物理学家焦耳通过大量实验得出，电流通过导体时产生的热量，跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比，这就是焦耳定律。 公式推导（教材“想一想”要求）： ①纯电阻电路中（电能全部转化为内能），Q=W（热量等于电功）； ②由电功公式W=UIt和欧姆定律（变形得U=IR），代入得：Q=W=UIt=IR·It=I2Rt； 公式与单位：Q=I2Rt（I：A，R：Ω，t：s，Q：J）。 教材例题解析：电热器热量计算 题目：某电热器接在220V电源上，电阻100Ω，通电8min产生多少热量？ 解题步骤（两种方法，按教材要求）： 方法1：先求电流，再用Q=I2Rt ①统一单位：t=8min=8×60s=480s； ②由欧姆定律求电流：； ③代入焦耳定律：Q=I2Rt=(2.2A)2×100Ω×480s=232320J≈2.3×105J； 方法2：直接用（纯电阻电路，代入推导） ①代入公式：J； 结论：产生的热量约为2.3×105J。 教材作业实践：典型问题解析 （1）作业1：电饭煲的电阻与电能计算 题目：电饭煲铭牌“220V 500W”，正常工作时电阻丝电阻？煮饭20min消耗电能？ 解答： ①正常工作时U=U额=220V，P=P额=500W，由得电阻：； ②消耗电能（纯电阻电路，W=Q）：t=20min=1200s，W=Pt=500W×1200s=6×105J（或W=0.5kW×h≈0.17kW·h）。 （2）作业2：电烙铁的电流、电阻与热量计算 题目：电烙铁“220V 110W”，求（1）正常工作电流；（2）正常工作电阻；（3）工作10min产生的热量。 解答： ①电流：； ②电阻：（或； ③热量：t=10min=600s，Q=W=Pt=110W×600s=6.6×104J（或Q=I2Rt=(0.5A)2×440Ω×600s=6.6×104J）。 （3）作业3：电炉丝与导线的发热差异 题目：电炉通电时，电炉丝热得发红，导线发热几乎不觉察，为什么？ 解答： ①电炉丝与导线串联，电流I和通电时间t相同； ②电炉丝电阻R丝远大于导线电阻R线（R丝>>R线）； ③由Q=I2Rt，I、t相同时，R越大Q越多，故电炉丝产生热量多、发红，导线产生热量少、不明显。 3．探究结论 焦耳定律核心：Q=I2Rt（纯电阻电路中Q=W），单位需统一为A、Ω、s、J。 解题关键： 纯电阻用电器（电热器、电饭煲等）可灵活选用Q=I2Rt、、Q=Pt； 串联电路中，因I、t相同，热量与电阻成正比（解释电炉丝与导线差异）。 【例题3】如图所示，电源电压恒定，R1、R2为定值电阻，R2=20Ω，灯泡L标有“6V  3W”字样。求： （1）当S、S1、S2都闭合时，灯泡L正常发光，此时电流表示数和电路消耗的总功率； （2）当S闭合，S1、S2断开时，电压表示数为2V，则通电1minR1产生的热量。    探究四：电流热效应的应用与控制——联生活、促实践 1．探究目标 区分电流热效应的“有益应用”（电热类用电器）与“有害影响”（如电视机、电脑发热），掌握有害影响的控制方法（散热）。结合教材“跨学科实践”，设计家庭用电器节能与环保调查方案，树立节能意识。 2．探究过程 有益应用：电热类用电器 分析教材图15-4-5，小组讨论： 共同特点：将电能主要转化为内能，利用电流热效应工作； 举例：电压力锅（加热食物）、电暖手宝（取暖）、电养生壶（烧水）、电饼铛（烙饼），均为生活中常用的有益应用。 有害影响与控制：散热措施 阅读教材图15-4-6（电视机、电脑散热），完成下表： 用电器 有害影响（发热） 散热措施 措施原理 电视机 浪费电能、元件过热损坏 外壳开散热孔 空气对流，带走热量 台式电脑CPU 温度过高导致死机、缩短寿命 安装散热器（金属片+风扇） 金属导热+风扇强制对流，加速散热 笔记本电脑 底部发热、影响使用体验 铝合金外壳、内置散热风扇 铝合金导热性好，风扇增强空气流动 跨学科实践：家庭用电器调查（教材要求） 小组合作设计调查方案，明确以下内容： 调查对象：家庭常用用电器（如冰箱、空调、电灯、电热水器）； 调查内容： ①铭牌参数：额定功率、是否有“中国节能产品认证标志”（教材图15-4-7）； ②使用情况：每月耗电量、电费、是否存在浪费（如长明灯、电热水器常开）； ③安全与环保：使用年限、废旧电器处理方式（是否了解有害成分污染）； 调查表格（示例）： 用电器名称 额定功率/W 是否有节能认证 每月使用时间/h 月耗电量/kW・h （估算） 浪费现象 改进建议 冰箱 100 是 24×30 72（实际因间歇工作约30） 无 定期除霜 客厅灯 60（2盏） 否（白炽灯） 4×30 14.4 人走灯未关 换LED灯，养成关灯习惯 实践要求：课后与家长合作完成调查，撰写“家庭节能计划”（如换节能灯泡、合理设置空调温度）。 3．探究结论 电流热效应的辩证看待：有益应用需强化（如优化电热器效率），有害影响需控制（如完善散热设计）。 节能与环保：通过调查了解用电器能耗，选择节能认证产品，养成良好用电习惯（如人走断电），是减少电能浪费、践行低碳生活的关键。 【例题4】如图用电器中，主要利用电流的热效应工作的是（　　） A．电视机 B．蓝牙音箱 C．电热壶 D．空气净化器 【归纳整理】 【课堂练习】 1．如图所示的四种用电器中，主要利用电流热效应工作的是（　　） A．电煮锅 B．迷你电冰箱 C．扫地机器人 D．笔记本电脑 2．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 3．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 4．根据电工手册可知，通过人体的电流与通电时间的乘积大于30mA·s时，会对人体产生致命危险。下列4 组通过人体的电流和通电时间中，会对人体产生致命危险的是（　　） A．30mA 0.5s B．20mA 1.2s C．25mA 2.0s D．35mA 0.2s 二、填空题 5．如图是探究“电流产生的热量跟什么因素有关”的装置。实验中通过观察U形管中液面______ 的变化来比较电流通过电阻丝产生热量的多少，这种实验研究的方法叫______ 法。    6．美国罗切斯特大学的物理学家兰加•迪亚斯（RangaDias）宣布，他们的团队创造出能在室温条件下实现超导的超导体。若未来实现超导输电，根据 ___________定律推断输电线路可实现电能零耗损。（选填“欧姆”或“焦耳”） 7．_________定律反映了一段导体中电流跟电压和电阻之间的定量关系；而_________定律确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系。 8．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______。 三、实验题 9．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___________、___________。 10．（1）如图甲是小明研究“短路引起熔丝熔断”的实验装置，他增加一根导线，并将此导线接在______（选填“AC”、“BC”或“BD”）两点间，闭合开关，造成短路，可引起熔丝熔断；熔丝熔断前，导线AB中的电流______熔丝CD中的电流（选填“大于”、“等于”或“小于”）；在实际生活中，除短路外，______也会引起电路中的电流过大而将熔丝熔断；      （2）小明利用如图乙所示的电路探究“电功与电流的关系”； ①图中两只灯泡工作时的电阻要______（选填“相同”或“不同”）； ②小明闭合开关后，发现甲灯泡不亮，电流表A1无示数，但乙灯泡发光，电流表A2有示数。为排除故障，接下去他应该尝试进行的最合理的操作是______； A．检查滑动变阻器的滑片是否接触不良 B．将甲灯泡换成一个好的同规格灯泡 C．拧紧甲灯泡及它和电流表A1相连的两接线柱 ③小明排除故障，正确操作，得到了正确的结论，支持该结论的实验现象是______。 四、计算题 11．如图甲是一款便携式电火锅，图乙是其简化电路图。R1、R2均为电热丝，电火锅有加热和保温两个挡，加热功率为440W，保温功率为110W。 （1）保温挡工作时，电路中的电流是多少？ （2）电热丝R1的阻值是多少？ （3）若不计热量损失，该电火锅正常工作，把质量为0.55kg初温为20℃的水加热到100℃，需要多少秒？[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]    12．图甲是小明家使用的电饭煲，图乙是其电路原理图，电路中电源电压为220V。R1和R2为阻值不变的电热丝，S1为温度自动控制开关，可实现“加热”和“保温”状态的转换。该电饭煲的最大容量是4L，额定加热功率是1210W，额定保温功率是100W。[c水=4.2×103J/(kg•℃)]求： （1）电热丝R1的阻值是多少？ （2）若该电饭煲将2kg水从20℃加热到100℃时，水吸收的热量是多少？ （3）关闭家中其他用电器，只让该电饭煲在加热状态下工作4min，观察到标有“1200r/(kW•h)”字样的电能表转盘转了80转，则电饭煲工作过程中的实际电压是多少？ 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 15.4 焦耳定律（导学案） 【学习目标】 2022年课程标准 物理素养 3.4.6 通过实验，了解焦耳定律。 3.4.6 能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象。 5.1.3 能运用所学知识知道和规范个人行为，践行低碳生活，具有节能环保意识。 物理观念：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。 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。 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。 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。 【学习重点】 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。 【学习难点】 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。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1．电流通过导体时，电能转化成内能，导致导体发热的现象，叫做电流的热效应。 2．通电导体产生的热量与电流、电阻、通电时间等因素有关。 3．焦耳定律的公式为：Q=I2Rt，焦耳定律适用于所有的电路。 4．当电流通过导体做的功（电功）全部用来产生热量（电热），纯电阻电路则有Q=W，可用电功公式算Q，即Q=W=Pt =UIt=I2Rt=。 【课堂探究】 探究一、认识电流热效应与提出猜想——析实例、明方向 1．探究目标 通过生活中用电器发热现象，理解“电流热效应”的定义（电能转化为内能），列举常见应用实例。基于生活经验和已有知识，合理猜想“通电导体产生的热量与哪些因素有关”，明确实验探究的方向。 2．探究过程 现象引入：识别电流热效应 观察教材图15-4-1（电炉）及图15-4-5（电压力锅、电暖手宝等），小组讨论并完成下表： 用电器名称 工作时的现象 能量转化形式（电能→？） 是否属于电流热效应 电炉 电炉丝发热、发红 电能→内能 是 电热水壶 水被加热、壶底发热 电能→内能 是 电暖手宝 内部发热、温度升高 电能→内能 是 电视机 外壳轻微发热 电能→光能+声能+少量内能 是（伴随现象） 提炼概念：电流热效应是指电流通过导体时，电能转化为内能，导致导体发热的现象（核心：能量转化为内能，且发热是主要或伴随效果）。 猜想提出：热量的影响因素 结合教材提示及生活经验（如“电炉丝热得发红，导线不怎么热”“电流越大，电暖手宝热得越快”），小组讨论并记录猜想： 猜想1：与导体电阻有关（电阻越大，热量越多，如电炉丝电阻大、发热明显）； 猜想2：与通过导体的电流有关（电流越大，热量越多，如调大电流，电熨斗升温更快）； 猜想3：与通电时间有关（时间越长，热量越多，如电水壶烧水时间越长，水温越高）； 明确实验需用“控制变量法”验证以上猜想。 3．探究结论 电流热效应本质：电能转化为内能，是许多电热类用电器（如电炉、电热水器）的工作原理。 探究方向：通电导体产生的热量可能与电阻、电流、通电时间有关，需通过控制变量实验逐一验证。 【例题1】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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 【答案】A 【解析】A中电饭锅工作时，主要将电能转化为内能，是利用电流的热效应，故A符合题意．B中电冰箱工作时，主要将电能转化为机械能，不是利用电流的热效应，故B不符合题意．C中电视机工作时，主要将电能转化为光能和声能，不是利用电流的热效应，故C不符合题意．D中电风扇工作时，主要将电能转化为机械能，不是利用电流的热效应，故D不符合题意。 探究二：实验探究热量的影响因素——控变量、得规律 1．探究目标 用“控制变量法”设计并完成三个子实验，分别探究热量与电阻、电流、通电时间的关系，规范记录实验数据。分析实验数据（温度计示数变化），得出“电阻越大、电流越大、时间越长，热量越多”的定性结论，为焦耳定律铺垫。 2．探究过程 子实验1：探究热量与电阻的关系（控制电流、时间不变） 实验设计（教材图15-4-2、15-4-3） 器材：甲、乙锥形瓶（装等量煤油）、电阻丝R1=5Ω（甲瓶）、R2=10Ω（乙瓶）、电源、开关、导线（两电阻丝串联，确保电流相等）、温度计2支、秒表。 控制变量：电流I（串联相等）、通电时间t（相同），改变电阻R（5Ωvs10Ω）。 实验步骤（按教材要求） ①记录甲、乙瓶中煤油初始温度t0，填入教材表15-4-1； ②闭合开关，同时启动秒表，每1分钟记录一次两支温度计的示数（t1、t2）； ③记录3组数据后，断开开关，整理数据（示例）： 电阻R/Ω 初始温度t0/℃ 1min后温度t1/℃ 2min后温度t2/℃ 温度变化Δt/℃（2min内） R1=5 20 22 24 4 R2=10 20 24 28 8 结论：电流、时间相同时，导体电阻越大，煤油温度升高越多（吸收热量越多），即产生的热量越多。 子实验2：探究热量与电流的关系（控制电阻、时间不变） 实验设计（教材图15-4-4思路） 器材：选用子实验1中的乙瓶（R2=10Ω，电阻不变）、滑动变阻器（改变电路电流）、电源、开关、温度计、秒表。 控制变量：电阻R=10Ω（不变）、通电时间t=2min（相同），改变电流I（通过滑动变阻器调节，如I1和I2>I1）。 实验分析与操作 电路合理性：教材图15-4-4中，滑动变阻器与电阻丝串联，通过滑片移动改变电路总电阻，进而改变电流（合理，因串联可直接调节电流）； 操作步骤： ①滑片移至最大电阻处，闭合开关，记录电流I1（较小），通电2min，测温度变化Δt1； ②滑片移至较小电阻处，记录电流I2（较大），通电2min，测温度变化Δt2； 现象：Δt2>Δt1。 结论：电阻、时间相同时，通过导体的电流越大，煤油温度升高越多，即产生的热量越多。 子实验3：探究热量与通电时间的关系（控制电阻、电流不变） 实验设计 器材：沿用子实验2中的乙瓶（R=10Ω）、固定滑动变阻器滑片（电流I不变）、温度计、秒表。 控制变量：电阻R=10Ω、电流I（不变），改变通电时间t（1min、2min、3min）。 操作与现象 记录不同时间的温度变化：t=1min时Δt=4℃，t=2min时Δt=8℃，t=3min时Δt=12℃； 规律：时间越长，温度变化越大。 结论：电阻、电流相同时，通电时间越长，导体产生的热量越多。 3．探究结论 综合三个子实验：通电导体产生的热量与导体电阻（正相关）、通过的电流（正相关）、通电时间（正相关）有关，即电阻越大、电流越大、时间越长，产生的热量越多。 【例题2】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___________，可比较电阻丝产生的热量的多少； （2）甲装置可探究电流产生的热量与___________的关系； （3）乙装置中的电阻的作用主要是___________。 【答案】 U型管中液柱的高度差 电阻 使通过、的电流不同 【解析】（1）[1]利用转换法，通过观察U形管两管液面高度差，就可比较电阻丝产生的热量的多少。 （2）[2]甲装置中两个电阻串联，当电流和通电时间相等时，探究电流产生的热量与电阻的关系。 （3）[3]乙的装置在实验，要探究电流产生的热量与电流的关系，所以需要控制电阻和通电时间相同，电流不同，将R3和R2并联，使通过R1和R2的电流不相等。 探究三：焦耳定律的推导与应用——明公式、解实例 1．探究目标 理解焦耳定律的内容（定量关系），用电功率公式推导焦耳定律公式Q=I2Rt，明确各物理量的单位。运用焦耳定律解决教材例题及作业问题（如电热器、电饭煲、电烙铁的热量计算），规范解题步骤。 2．探究过程 焦耳定律的内容与公式 教材定义：英国物理学家焦耳通过大量实验得出，电流通过导体时产生的热量，跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比，这就是焦耳定律。 公式推导（教材“想一想”要求）： ①纯电阻电路中（电能全部转化为内能），Q=W（热量等于电功）； ②由电功公式W=UIt和欧姆定律（变形得U=IR），代入得：Q=W=UIt=IR·It=I2Rt； 公式与单位：Q=I2Rt（I：A，R：Ω，t：s，Q：J）。 教材例题解析：电热器热量计算 题目：某电热器接在220V电源上，电阻100Ω，通电8min产生多少热量？ 解题步骤（两种方法，按教材要求）： 方法1：先求电流，再用Q=I2Rt ①统一单位：t=8min=8×60s=480s； ②由欧姆定律求电流：； ③代入焦耳定律：Q=I2Rt=(2.2A)2×100Ω×480s=232320J≈2.3×105J； 方法2：直接用（纯电阻电路，代入推导） ①代入公式：J； 结论：产生的热量约为2.3×105J。 教材作业实践：典型问题解析 （1）作业1：电饭煲的电阻与电能计算 题目：电饭煲铭牌“220V 500W”，正常工作时电阻丝电阻？煮饭20min消耗电能？ 解答： ①正常工作时U=U额=220V，P=P额=500W，由得电阻：； ②消耗电能（纯电阻电路，W=Q）：t=20min=1200s，W=Pt=500W×1200s=6×105J（或W=0.5kW×h≈0.17kW·h）。 （2）作业2：电烙铁的电流、电阻与热量计算 题目：电烙铁“220V 110W”，求（1）正常工作电流；（2）正常工作电阻；（3）工作10min产生的热量。 解答： ①电流：； ②电阻：（或； ③热量：t=10min=600s，Q=W=Pt=110W×600s=6.6×104J（或Q=I2Rt=(0.5A)2×440Ω×600s=6.6×104J）。 （3）作业3：电炉丝与导线的发热差异 题目：电炉通电时，电炉丝热得发红，导线发热几乎不觉察，为什么？ 解答： ①电炉丝与导线串联，电流I和通电时间t相同； ②电炉丝电阻R丝远大于导线电阻R线（R丝>>R线）； ③由Q=I2Rt，I、t相同时，R越大Q越多，故电炉丝产生热量多、发红，导线产生热量少、不明显。 3．探究结论 焦耳定律核心：Q=I2Rt（纯电阻电路中Q=W），单位需统一为A、Ω、s、J。 解题关键： 纯电阻用电器（电热器、电饭煲等）可灵活选用Q=I2Rt、、Q=Pt； 串联电路中，因I、t相同，热量与电阻成正比（解释电炉丝与导线差异）。 【例题3】如图所示，电源电压恒定，R1、R2为定值电阻，R2=20Ω，灯泡L标有“6V  3W”字样。求： （1）当S、S1、S2都闭合时，灯泡L正常发光，此时电流表示数和电路消耗的总功率； （2）当S闭合，S1、S2断开时，电压表示数为2V，则通电1minR1产生的热量。    【答案】（1）0.8A；4.8W；（2）24J 【解析】解：（1）当S、S1、S2都闭合时，观察该电路图，根据电流的流法可知，定值电阻R2和灯泡L并联接在电路，定值电阻R1被短路，电流表测干路电流；由于灯泡L正常发光，灯泡L标有“6V  3W”字样，表示灯泡L的额定电压为6V，额定功率为3W，根据电功率的公式可知，流过灯泡L的电流为 流过灯泡L的电流为0.5A；由于灯泡L正常发光，灯泡L两端的电压为6V，根据并联电路的电压规律，定值电阻R2两端的电压也为6V，R2=20Ω，则根据欧姆定律，可知，流过定值电阻R2的电流为 流过定值电阻R2的电流为0.3A；根据并联电路的电流规律，电路的总电流为 电路的总电流为0.8A，即电流表示数为0.8A； 由上述解析可知，电路的总电流为0.8A，灯泡L正常发光，灯泡L两端的电压为6V，电源电压也为6V，根据电功率的公式可知，电路消耗的总功率为 电路消耗的总功率为4.8W。 （2）当S闭合，S1、S2断开时，根据电流的流法可知，R2和R1串联接在电路，没有电流流过灯泡L，电压表测R1的电压，电流表测串联电路电流，电压表示数为2V，而电源电压为6V，则R2的电压为4V，R2=20Ω，根据串联电路的分压特点，可知 代入数据可得 解得，根据欧姆定律可知，流过R1的电流为 通电时间为1min，根据焦耳定律可知，这段时间产生的热量为 通电1min，R1产生的热量为24J。 探究四：电流热效应的应用与控制——联生活、促实践 1．探究目标 区分电流热效应的“有益应用”（电热类用电器）与“有害影响”（如电视机、电脑发热），掌握有害影响的控制方法（散热）。结合教材“跨学科实践”，设计家庭用电器节能与环保调查方案，树立节能意识。 2．探究过程 有益应用：电热类用电器 分析教材图15-4-5，小组讨论： 共同特点：将电能主要转化为内能，利用电流热效应工作； 举例：电压力锅（加热食物）、电暖手宝（取暖）、电养生壶（烧水）、电饼铛（烙饼），均为生活中常用的有益应用。 有害影响与控制：散热措施 阅读教材图15-4-6（电视机、电脑散热），完成下表： 用电器 有害影响（发热） 散热措施 措施原理 电视机 浪费电能、元件过热损坏 外壳开散热孔 空气对流，带走热量 台式电脑CPU 温度过高导致死机、缩短寿命 安装散热器（金属片+风扇） 金属导热+风扇强制对流，加速散热 笔记本电脑 底部发热、影响使用体验 铝合金外壳、内置散热风扇 铝合金导热性好，风扇增强空气流动 跨学科实践：家庭用电器调查（教材要求） 小组合作设计调查方案，明确以下内容： 调查对象：家庭常用用电器（如冰箱、空调、电灯、电热水器）； 调查内容： ①铭牌参数：额定功率、是否有“中国节能产品认证标志”（教材图15-4-7）； ②使用情况：每月耗电量、电费、是否存在浪费（如长明灯、电热水器常开）； ③安全与环保：使用年限、废旧电器处理方式（是否了解有害成分污染）； 调查表格（示例）： 用电器名称 额定功率/W 是否有节能认证 每月使用时间/h 月耗电量/kW・h （估算） 浪费现象 改进建议 冰箱 100 是 24×30 72（实际因间歇工作约30） 无 定期除霜 客厅灯 60（2盏） 否（白炽灯） 4×30 14.4 人走灯未关 换LED灯，养成关灯习惯 实践要求：课后与家长合作完成调查，撰写“家庭节能计划”（如换节能灯泡、合理设置空调温度）。 3．探究结论 电流热效应的辩证看待：有益应用需强化（如优化电热器效率），有害影响需控制（如完善散热设计）。 节能与环保：通过调查了解用电器能耗，选择节能认证产品，养成良好用电习惯（如人走断电），是减少电能浪费、践行低碳生活的关键。 【例题4】如图用电器中，主要利用电流的热效应工作的是（　　） A．电视机 B．蓝牙音箱 C．电热壶 D．空气净化器 【解答】解：A、电视机工作时将电能转化为光能和声能，不是利用电流热效应工作，故A不符合题意； B、蓝牙音箱工作时将电能转化为声能，不是利用电流热效应工作，故B不符合题意； C、电热水壶工作时，电能转化为内能，是利用电流的热效应，故C符合题意； D、空气净化器的主要部件是电动机，其工作时主要是电能转化为机械能，不是利用电流的热效应工作的，故D不符合题意。 【归纳整理】 【课堂练习】 1．如图所示的四种用电器中，主要利用电流热效应工作的是（　　） A．电煮锅 B．迷你电冰箱 C．扫地机器人 D．笔记本电脑 【答案】A 【解析】A．电煮锅工作时，主要把电能转化为内能，是利用电流的热效应工作的，故A符合题意； B．迷你电冰箱工作时，主要将电能转化机械能，不是利用电流热效应工作的，故B不符合题意； C．扫地机器人工作时，主要把电能转化为机械能，不是利用电流的热效应工作的，故C不符合题意； D．笔记本电脑工作时，主要将电能转化为光能和声能，少部分转化为内能，不是利用电流热效应工作的，故D不符合题意。 故选A。 2．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 【解析】ABC．由题知，电冰箱、电风扇、电炉的额定功率相同，由W=Pt知，正常工作时三个用电器消耗电能一样多，而三个用电器中，电冰箱和电风扇工作时，不仅将电能转化为内能，还转化为其他形式的能，只有电炉工作时将电能全部转化为内能，所以电炉消耗电能转化为内能最多，产生热量最多，故AB不符合题意，C符合题意； D．三个用电器的额定功率相同，正常工作时，实际功率相同，电流做功快慢相同，所以单独将电冰箱、电风扇、电炉接入电路时，电能表转盘的转速相同，故D不符合题意。 故选C。 3．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 【答案】C 【解析】①U形管中液面高度变化主要是由透明容器中空气的热胀冷缩引起的，故①错误； ②图甲装置中，两电阻串联，电流相等，电阻不相等，能探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系，故②正确； ③图乙实验过程中右边两个电阻丝并联，右边容器中的电阻通过的电流与左边电阻丝通过的电流不相等，探究的是电热与电流的关系，需要保持电阻相同，故阻值应该等于5Ω，故③错误； ④电炉丝热与电炉丝相连的导线串联，电流相等，电阻不相等；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，故④正确；故①③错误，②④正确。 故选C。 4．根据电工手册可知，通过人体的电流与通电时间的乘积大于30mA·s时，会对人体产生致命危险。下列4 组通过人体的电流和通电时间中，会对人体产生致命危险的是（　　） A．30mA 0.5s B．20mA 1.2s C．25mA 2.0s D．35mA 0.2s 【答案】C 【解析】A．通过人体的电流与通电时间的乘积 故A不符合题意； B．通过人体的电流与通电时间的乘积 故B不符合题意； C．通过人体的电流与通电时间的乘积 故C符合题意； D．通过人体的电流与通电时间的乘积 故D不符合题意。 故选C。 二、填空题 5．如图是探究“电流产生的热量跟什么因素有关”的装置。实验中通过观察U形管中液面______ 的变化来比较电流通过电阻丝产生热量的多少，这种实验研究的方法叫______ 法。    【答案】 高度差 转换 【解析】[1][2]如图是探究“电流产生的热量跟什么因素有关”的装置。实验中通过观察U形管中液面高度差的变化来比较电流通过电阻丝产生热量的多少，这种实验研究的方法叫转换法。 6．美国罗切斯特大学的物理学家兰加•迪亚斯（RangaDias）宣布，他们的团队创造出能在室温条件下实现超导的超导体。若未来实现超导输电，根据 ___________定律推断输电线路可实现电能零耗损。（选填“欧姆”或“焦耳”） 【答案】焦耳 【解析】当导体的温度降至某一低温时，它的电阻突然变为零，这种特性称超导性。由于超导体的电阻为零，根据知，产生的热量为零，所以在用超导体进行远距离输电时不会消耗电能产生热量，减少了在输电过程中的能量损耗，大大节约了能源。 7．_________定律反映了一段导体中电流跟电压和电阻之间的定量关系；而_________定律确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系。 【答案】 欧姆 焦耳 【解析】[1]最先通过实验与理论研究发现一段导体中电流跟电压和电阻之间的定量关系的是德国物理学家欧姆，为了纪念他，以欧姆定律命名这个定律。 [2]1840年，英国物理学家焦耳最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和时间的关系，得出了焦耳定律。 8．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 【解析】[1]电热驱蚊器工作时将电能转化为了内能，是利用电流的热效应来工作的。 [2]蚊香片放到电热驱蚊器的发热板上，发热板上的温度较高，会向蚊香片传递热量，蚊香片的温度升高，内能增加，这是通过热传递的方式改变内能的。 [3]通电一段时间后，整个房间里都能闻到蚊香片的气味，这是扩散现象，扩散现象说明了分子在永不停息地做无规则运动。 三、实验题 9．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 见解析 见解析 【解析】（1）[1]由图可知，两电阻串联， 根据串联电路电流规律可知，通过两电阻的电流相等。 [2]探究电热与电流的关系，应该控制电阻相等，改变通过电阻的电流，由图可知，通过移动滑动变阻器的滑片可以改变电路中的电流，移动滑片多次实验，观察A烧瓶中温度计的变化可以探究探究电热与电流的关系。 （2）[3][4]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。 10．（1）如图甲是小明研究“短路引起熔丝熔断”的实验装置，他增加一根导线，并将此导线接在______（选填“AC”、“BC”或“BD”）两点间，闭合开关，造成短路，可引起熔丝熔断；熔丝熔断前，导线AB中的电流______熔丝CD中的电流（选填“大于”、“等于”或“小于”）；在实际生活中，除短路外，______也会引起电路中的电流过大而将熔丝熔断；      （2）小明利用如图乙所示的电路探究“电功与电流的关系”； ①图中两只灯泡工作时的电阻要______（选填“相同”或“不同”）； ②小明闭合开关后，发现甲灯泡不亮，电流表A1无示数，但乙灯泡发光，电流表A2有示数。为排除故障，接下去他应该尝试进行的最合理的操作是______； A．检查滑动变阻器的滑片是否接触不良 B．将甲灯泡换成一个好的同规格灯泡 C．拧紧甲灯泡及它和电流表A1相连的两接线柱 ③小明排除故障，正确操作，得到了正确的结论，支持该结论的实验现象是______。 【答案】 BD 等于 总功率过大（或超负荷运行） 不同 C 较亮灯泡支路中的电流表示数较大（或电流表示数较大的支路中灯泡较亮，意思相同即可） 【解析】（1）[1]如图甲是小明研究“短路引起熔丝熔断”的实验装置，他增加一根导线，并将此导线接在BD两点间，闭合开关，造成短路，可引起熔丝熔断。 [2][3]熔丝熔断前，导线AB中的电流等于熔丝CD中的电流，在实际生活中，除短路外，用电器的总功率过大也会引起电路中的电流过大而将熔丝熔断。 （2）[4]图中两只灯泡工作时的电阻要不同，在电压相同时，电流不同。 [5]小明闭合开关后，发现甲灯泡不亮，电流表A1无示数，但乙灯泡发光，电流表A2有示数。为排除故障，接下去应该用拧紧灯泡和接线柱的方法检查灯泡甲所在的支路是否因为接触不良造成断路。故C符合题意，AB不符合题意。 [6]小明排除故障，正确操作，得到了正确的结论，支持该结论的实验现象是：电流表示数越大的那条支路上的灯泡越亮。 四、计算题 11．如图甲是一款便携式电火锅，图乙是其简化电路图。R1、R2均为电热丝，电火锅有加热和保温两个挡，加热功率为440W，保温功率为110W。 （1）保温挡工作时，电路中的电流是多少？ （2）电热丝R1的阻值是多少？ （3）若不计热量损失，该电火锅正常工作，把质量为0.55kg初温为20℃的水加热到100℃，需要多少秒？[c水＝4.2×103J/（kg•℃）]    【答案】（1）0.5A；（2）110Ω；（3）420s 【解析】（1）电火锅保温时的功率 由可得，保温挡工作时电流 （2）由图知，当开关S闭合，S1接2时，两电阻串联，电路中的总电阻最大；当开关S1接1时，电路中只有R1时，此时电路中电阻最小，由可知，电路消耗的功率最大，电火锅处于加热状态，由可得，R1的阻值 （3）将0.55kg、初温20℃的水加热至100℃时水吸收的热量 不计热量损失，则电热水器消耗的电能 由可得，需要的加热时间 12．图甲是小明家使用的电饭煲，图乙是其电路原理图，电路中电源电压为220V。R1和R2为阻值不变的电热丝，S1为温度自动控制开关，可实现“加热”和“保温”状态的转换。该电饭煲的最大容量是4L，额定加热功率是1210W，额定保温功率是100W。[c水=4.2×103J/(kg•℃)]求： （1）电热丝R1的阻值是多少？ （2）若该电饭煲将2kg水从20℃加热到100℃时，水吸收的热量是多少？ （3）关闭家中其他用电器，只让该电饭煲在加热状态下工作4min，观察到标有“1200r/(kW•h)”字样的电能表转盘转了80转，则电饭煲工作过程中的实际电压是多少？ 【答案】（1）40Ω；（2）6.72×105J；（3）200V 【解析】解：（1）由图乙可知，当开关S、S1都闭合时，只有R1工作；当开关S闭合、S1断开时，R1、R2串联；根据串联电路的电阻特点可知，串联的总电阻大于任一分电阻，所以，当开关S、S1都闭合时，只有R1工作，电路中的电阻最小，根据可知，电路的功率最大，此时为加热状态；由可知，R1的阻值 （2）若该电饭煲将2kg水从20℃加热到100℃时，水吸收的热量Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg•℃)×2kg×(100℃-20℃)=6.72×105J （3）1200r/(kW•h)表示电路的用电器每消耗1kW•h电能，电能表的转盘转过1200转，则电能表转盘转了80转，电饭煲消耗的电能 由可知，电饭煲工作过程中的实际电压 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $