18.4焦耳定律 教学设计-2025-2026学年人教版九年级全一册物理

该初中物理教学设计聚焦焦耳定律核心知识，涵盖电流热效应、实验探究、公式及应用。通过电暖器取暖、手机发热等生活情景导入，提出问题串联电热影响因素探究，搭建从现象到规律的学习支架。 此设计以实验探究为核心，用控制变量法和转换法（如密闭容器空气膨胀测热量）培养科学思维与探究能力，结合电热利用（电水壶）与防止（保险丝）实例渗透科学态度与责任。助力学生掌握规律应用，为教师提供完整教学流程与分层练习，提升课堂效率。

18.4焦耳定律教案 一、核心素养目标 1物理观念:理解电流的热效应,掌握焦耳定律的内容、公式及适用范围,明确电热的影响因素;建立电热与电流、电阻、时间的关联认知,能解释生活中与电热相关的现象。 2科学思维:通过实验探究推理得出焦耳定律,培养控制变量法、转换法的应用能力和归纳推理能力;能运用焦耳定律公式分析解决电热相关的实际问题,提升知识迁移能力。 3科学探究:经历电热影响因素的实验探究过程,体验“提出猜想—设计方案—实验操作—分析论证”的完整探究流程,掌握科学探究的基本方法。 4科学态度与责任:认识电热的利用价值与危害,了解防止电热危害的措施,树立安全用电意识;理解科学规律在生活技术中的应用价值,增强科技自信。 二、教学重难点 1重点:电流的热效应概念;焦耳定律的实验探究过程;焦耳定律的内容、公式(Q=I Rt)及应用;电热的利用与防止。 2难点:理解焦耳定律的实验设计思路(控制变量法、转换法的合理运用);焦耳定律公式的推导与理解;运用焦耳定律分析解决综合性电热问题;区分电功与电热(纯电阻电路与非纯电阻电路的差异)。 三、教学过程 (一)议题导入:创设情景,提出核心议题 1情景呈现:展示三组典型情景——冬天用电暖器取暖,电暖器的电热丝发热明显,外壳温度较低;电水壶通电一段时间后,能将水烧开,而连接电水壶的导线却不怎么热;手机长时间使用后,机身会发热,需要及时散热;电路中过载或短路时,保险丝会因过热熔断。2提出问题:同学们,电暖器、电水壶通电后为什么会发热?为什么电热丝发热明显而导线却不热?手机发热和保险丝熔断的原因是什么?电流产生的热量多少与哪些因素有关?如何科学利用电热并防止其危害?3核心议题:围绕“电流产生的热量与哪些因素有关?焦耳定律的内容是什么?如何利用焦耳定律解释生活中的电热现象并解决实际问题”这一核心议题,展开对焦耳定律的探究。 (二)探究新知一:认识电流的热效应 1概念建立 师生互动:结合导入情景,提问——电暖器、电水壶、手机等用电器通电后,能量发生了怎样的转化?引导学生分析:这些用电器通电后,电能转化为内能,使自身温度升高、产生热量。教师总结:电流通过导体时,电能转化为内能的现象叫做电流的热效应。 知识拓展:列举生活中电流热效应的利用与危害实例。利用实例:电暖器、电水壶、电熨斗、电饭锅等电热器;危害实例:手机长时间发热影响使用寿命、导线过热引发火灾、电动机过热损坏等。师生互动:提问——为什么要区分电热的利用与危害?如何才能做到趋利避害?引发学生思考,为后续探究铺垫。 (三)探究新知二:实验探究:电流产生的热量与哪些因素有关 1提出猜想 师生互动:引导学生结合生活经验和已有知识猜想。提问——根据电暖器电热丝发热明显而导线不热的现象,猜想电热多少与什么因素有关?根据电水壶通电时间越长水温越高的现象,又能猜想电热多少与什么因素有关?学生自主猜想:电流产生的热量可能与电阻、电流、通电时间有关。 2实验设计 实验方法:控制变量法(探究一个因素时,控制另外两个因素不变)、转换法(电流产生的热量多少无法直接测量,通过观察密闭容器中空气受热膨胀推动活塞的幅度,或液体受热升温的程度,间接反映产生热量的多少)。 实验装置:两个相同的密闭容器,内部各放置一根电阻丝(R1>R2),容器上方连接带有活塞的玻璃管(或插入温度计);电源、滑动变阻器、电流表、开关、导线等。可设计三组实验装置,分别探究不同因素的影响。 3实验探究过程 实验1:探究电流产生的热量与电阻的关系。控制变量:电流I、通电时间t相同,电阻R不同。实验操作:①将电阻丝R1和R2串联在电路中(保证电流相同),分别装入两个密闭容器;②闭合开关,记录通电相同时间后,两个容器中活塞移动的幅度(或温度计的示数变化)。师生互动:提问——串联电路中电流相同,通电时间相同,哪个容器的活塞移动幅度更大?说明什么?引导学生得出:电阻越大,电流产生的热量越多。 实验2:探究电流产生的热量与电流的关系。控制变量:电阻R、通电时间t相同,电流I不同。实验操作:①保持容器内电阻丝R不变,在电路中串联滑动变阻器;②闭合开关,调节滑动变阻器使电流为I1,记录通电一段时间后活塞移动幅度;③调节滑动变阻器使电流增大为I2(I2>I1),保持通电时间相同,记录活塞移动幅度。师生互动:提问——电流增大后,活塞移动幅度有什么变化?说明什么?引导学生得出:电流越大,电流产生的热量越多。 实验3:探究电流产生的热量与通电时间的关系。控制变量:电阻R、电流I相同,通电时间t不同。实验操作:①保持电路中电阻和电流不变,闭合开关;②分别记录通电1分钟和3分钟后,容器中活塞移动的幅度。师生互动:提问——通电时间越长,活塞移动幅度越大,说明什么?引导学生得出:通电时间越长,电流产生的热量越多。 4实验结论 师生互动:整合三组实验结果,归纳总结:电流通过导体产生的热量,与电流的平方成正比,与导体的电阻成正比,与通电时间成正比。教师点明:这一结论就是焦耳定律,是英国物理学家焦耳通过大量实验得出的。 (四)探究新知三:焦耳定律的内容与应用 1焦耳定律的内容与公式 知识讲解:焦耳定律内容——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。公式:Q=I Rt。符号含义:Q表示电流产生的热量,单位是焦耳(J);I表示电流,单位是安培(A);R表示导体的电阻,单位是欧姆( );t表示通电时间,单位是秒(s)。 公式推导:在纯电阻电路中,电能全部转化为内能,此时电功W等于电热Q,即Q=W=UIt;结合欧姆定律U=IR,可推导得出Q=I Rt,进一步还可推导为Q=U t/R。强调:Q=I Rt是焦耳定律的普遍适用式,适用于所有有电流通过导体产生电热的情况;而Q=W=UIt、Q=U t/R仅适用于纯电阻电路(如电热器),非纯电阻电路(如电动机、电风扇)中,电能大部分转化为机械能,只有小部分转化为内能,此时W>Q,不能用这两个公式计算电热。 2焦耳定律的应用:电热的利用与防止 电热的利用:师生互动——生活中哪些用电器是利用电流的热效应工作的?它们的工作原理是什么?总结:电热器(电暖器、电水壶、电饭锅等)的核心部件是发热体,发热体通常由电阻率大、熔点高的材料制成(如镍铬合金),通过电流的热效应将电能转化为内能。举例说明:电水壶的发热体电阻较大,通电后产生大量热量,将水烧开;电饭锅的发热体根据温度变化自动控制通断,实现煮饭功能。 电热的防止:师生互动——生活中哪些场景需要防止电热带来的危害?采取了哪些措施?总结:①电器散热:电脑、电视机、电动机等设备装有散热风扇或散热片,及时散发产生的热量;②电路保护:家庭电路中安装保险丝(或空气开关),当电路过载或短路时,电流过大产生大量热量,保险丝熔断(或空气开关跳闸),切断电路,防止火灾;③合理使用:避免用电器长时间连续工作,防止过热损坏。 例题讲解:一根阻值为10 的电阻丝,通过的电流为2A,通电5分钟产生的热量是多少?解题步骤:①确定已知量:R=10 ,I=2A,t=5min=300s;②选择公式:Q=I Rt;③代入数据计算:Q=(2A) 10 300s=12000J。师生互动:引导学生规范解题,强调单位统一(时间换算为秒)。 (五)议题总结:整合焦耳定律核心知识 1师生互动:引导学生回顾本节课的探究过程,围绕核心议题“电流产生的热量与哪些因素有关?焦耳定律的内容是什么?如何利用焦耳定律解释生活中的电热现象并解决实际问题”,梳理核心知识。2知识整合:(1)核心概念:电流的热效应(电能转化为内能)、焦耳定律;(2)关键规律:电热与电流的平方、电阻、通电时间成正比,公式Q=I Rt(普遍适用);(3)实验方法:控制变量法、转换法在探究中的应用;(4)实际应用:电热的利用(电热器)与防止(散热、电路保护等);(5)核心逻辑:现象 猜想 实验 结论 应用,体现科学探究的完整流程。3应用提升:让学生运用本节课知识解释导入环节的情景——电暖器电热丝电阻大,产生热量多,利用电热取暖;导线电阻小,相同电流下产生热量少,所以不怎么热;手机长时间工作,电流通过内部导体产生热量,需散热;短路时电流过大,保险丝电阻一定,根据Q=I Rt,短时间产生大量热量,熔断保护电路。 (六)重点知识归纳概括 1核心概念:(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)焦耳定律:反映电流产生的热量与电流、电阻、时间的定量关系。2关键公式与规律:(1)普遍适用式:Q=I Rt(Q为电热,I为电流,R为电阻,t为时间);(2)纯电阻电路推导式:Q=W=UIt、Q=U t/R(仅适用于电热器等纯电阻电路);(3)规律总结:电热与I 、R、t均成正比,改变其中任何一个量,都会影响电热多少。3科学探究方法:(1)控制变量法:探究单一因素对电热的影响时,控制其他因素不变;(2)转换法:将不易测量的电热多少,转换为易观察的活塞移动幅度或温度变化。4实际应用与安全:(1)电热利用:电热器的核心是发热体(高阻、高熔点材料),利用Q=I Rt产生热量;(2)电热防止:散热装置、保险丝(空气开关)、合理使用用电器;(3)安全用电:避免电路过载、短路,防止电热引发火灾。 (七)练习巩固 1电暖器是冬季常用的取暖设备,其核心部件是发热体。下列关于电暖器工作原理及电热的说法,正确的是【】 A电暖器是利用电流的磁效应工作的 B发热体的电阻越小,产生的热量越多 C电暖器工作时,电能全部转化为内能 D通电时间越长,产生的热量一定越多 2某同学用如图所示的装置探究焦耳定律,两个密闭容器中装有等质量的空气,电阻丝R1>R2,将它们串联在电路中。通电一段时间后,观察到R1所在容器的活塞移动幅度更大。下列说法正确的是【】 A该实验探究的是电热与电流的关系 B串联电路中,通过R1和R2的电流不同 C实验表明,电阻越大,电热越多 D若将R1和R2并联,实验结论不变 3下列关于焦耳定律公式的说法,错误的是【】 AQ=I Rt适用于所有电流产生电热的情况 BQ=UIt仅适用于纯电阻电路 C电动机工作时,不能用Q=U t/R计算产生的电热 D对于同一纯电阻导体,Q=I Rt和Q=U t/R的计算结果不同 4家庭电路中,保险丝的作用是防止电路过载或短路引发火灾。保险丝熔断的原因是【】 A电流过小,产生的热量过少 B电流过大,产生的热量过多 C电阻过小,产生的热量过多 D电压过高,产生的热量过多 5一根阻值为20 的电阻丝,通过的电流为1A,通电10分钟产生的热量是【】 A200J B1200J C12000J D20000J 6下列措施中,不属于防止电热危害的是【】 A电脑主机装有散热风扇 B电熨斗装有温控开关 C电动机外壳装有散热片 D电暖器的发热体选用镍铬合金材料 7某实验小组探究电热与电流的关系,保持电阻和通电时间不变,调节滑动变阻器改变电流。实验数据如下表:电流/A0.51.01.5电热多少(活塞移动幅度/cm)2818下列说法正确的是【】 A电热与电流成正比 B电热与电流的平方成正比 C电流越大,电热减少越快 D实验采用了转换法和等效替代法 8某电水壶的额定功率为1500W,额定电压为220V。若电水壶正常工作时的电阻不变,将其接入110V的电路中,通电1分钟产生的热量是【】 A22500J B45000J C90000J D180000J 9某实验小组利用如图所示的装置探究焦耳定律,装置由两个相同的密闭容器A、B组成,A中电阻丝R1=5 ,B中电阻丝R2=10 ,两容器内装有等质量的煤油,插入相同的温度计。实验时,先将R1和R2串联在电路中,闭合开关通电一段时间;再将R1和R2并联在电路中,保持电源电压不变,闭合开关通电相同时间。实验中记录了两次实验中温度计的示数变化。 (1)第一次实验中,R1和R2串联,通过它们的电流有什么关系?通电相同时间后,哪个容器中温度计的示数变化更大?说明什么结论? (2)第二次实验中,R1和R2并联,它们两端的电压有什么关系?若通电时间相同,与串联实验相比,并联时每个电阻丝产生的热量会发生什么变化?请简要说明理由。 (3)若第一次实验中,电路中的电流为0.5A,通电100秒,计算R2产生的热量。 10生活中,电烤箱是利用电流热效应工作的电器,其额定功率为2000W,额定电压为220V,内部发热体的电阻不变。某家庭使用该电烤箱烘烤食物时,发现电烤箱工作一段时间后,机身明显发热,需通过散热孔散热;若电烤箱连续工作时间过长,还可能出现自动断电保护现象。 (1)计算该电烤箱发热体的电阻。 (2)电烤箱正常工作30分钟,产生的热量是多少?若这些热量全部被10kg的水吸收,可使水的温度升高多少 ?(水的比热容为4.2 10 J/(kg ),不计热量损失) (3)结合焦耳定律,解释电烤箱机身发热和自动断电保护的原因。为了避免电烤箱过热损坏,提出两条合理的使用建议。 (八)答案解析 1答案:C解析:电暖器利用电流的热效应工作,A错误;根据Q=I Rt,电热多少与电阻、电流、时间都有关,电阻小但电流大、时间长,产生热量可能多,B错误;电暖器是纯电阻电路,电能全部转化为内能,C正确;电流和电阻不确定时,通电时间长,热量不一定多,D错误。 2答案:C解析:实验控制电流和时间相同,改变电阻,探究电热与电阻的关系,A错误;串联电路电流相同,B错误;R1>R2,其所在容器活塞移动幅度大,说明电阻越大电热越多,C正确;并联时电流不同,无法探究电热与电阻的关系,结论改变,D错误。 3答案:D解析:同一纯电阻导体,U=IR,代入Q=U t/R可转化为Q=I Rt,计算结果相同,D错误;A、B、C说法均正确。 4答案:B解析:保险丝熔断是因为电路过载或短路导致电流过大,根据Q=I Rt,电阻和时间一定时,电流过大产生热量过多,B正确;与电流过小、电阻过小、电压过高无直接关系,A、C、D错误。 5答案:C解析:Q=I Rt=(1A) 20 600s=12000J,C正确。 6答案:D解析:电暖器选用镍铬合金材料是利用电热,而非防止电热危害,D符合题意;A、B、C均为防止电热危害的措施。 7答案:B解析:由数据可知,电流变为2倍,电热变为4倍;电流变为3倍,电热变为9倍,说明电热与电流的平方成正比,B正确、A错误;电流越大电热增加越快,C错误;实验采用控制变量法和转换法,D错误。 8答案:A解析:电水壶电阻R=U额 /P额=(220V) /1500W≈32.27 ;接入110V电路,Q=U实 t/R=(110V) 60s/32.27 ≈22500J,A正确。 9答案:(1)电流相等。B容器温度计示数变化更大。结论:在电流和通电时间相同时,电阻越大,电流产生的热量越多。(2)电压相等。并联时每个电阻丝产生的热量比串联时多。理由:并联时电阻两端电压等于电源电压,串联时电阻两端电压小于电源电压;根据Q=U t/R,电阻和时间相同,电压越大,产生的热量越多。(3)R2产生的热量Q=I R2t=(0.5A) 10 100s=250J。 10答案:(1)发热体电阻R=U额 /P额=(220V) /2000W=24.2 。(2)正常工作30分钟产生热量Q=W=P额t=2000W 1800s=3.6 10^6J;由Q吸=cm t得, t=Q吸/(cm)=3.6 10^6J/(4.2 10 J/(kg ) 10kg)≈85.7 。(3)机身发热原因:电流通过电烤箱内部导体(包括发热体和导线)产生热量,根据Q=I Rt,工作时间越长,产生热量越多,机身温度升高。自动断电保护原因:热量过多导致机身温度过高,温控元件触发保护机制,切断电路。使用建议:①避免电烤箱长时间连续工作;②保证电烤箱散热孔通畅,不被杂物遮挡;③烘烤食物时,合理控制烘烤时间和温度。 学科网(北京)股份有限公司 $