15.4 焦耳定律（讲义）物理新教材沪粤版九年级上册

第十五章 电能与电功率 第4节 焦耳定律 课标要点 知道电流的热效应，了解生活中利用电流热效应的实例。 理解焦耳定律的内容，能用公式 进行简单计算。 通过实验探究，认识电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。 了解电热的利用和防止，增强安全用电意识。 学习重难点 重点：焦耳定律的内容、公式及应用；探究电流热效应影响因素的实验设计。 难点：区分电功（ ）与电热（ ）的关系；纯电阻电路与非纯电阻电路中 与 的区别；焦耳定律公式的灵活运用。 知识点 电流的热效应 1. 现象定义 当电流通过导体时，电能转化成内能的现象，叫做 电流的热效应 。 常见实例：电热水壶烧水、电饭煲煮饭、电熨斗烫衣服、白炽灯发光发热等。 能量转化：电能 内能 。 2. 电热器 定义：主要利用电流热效应来工作的设备。 核心部件：发热体。 材料特点：由电阻率大、熔点高的合金制成（如镍铬合金）。 思考：为什么不用铜丝或铁丝做发热体？（铜/铁电阻率小，产生热量少；且熔点相对较低，易熔断。） 特别提醒 并非所有用电器都主要利用热效应。例如：电风扇主要将电能转化为机械能，电视机主要转化为光能和声能，但它们工作时也会发热，这是电流热效应的副产物。 随学随练 1．有一块手机电池，铭牌上面标明电压3.7 V，容量5000 mA·h。充满电后大约储存了___________J的电能。在给它充电过程中发生的能量转化是______________________。长时间使用后手机会发热，这种现象叫作电流的___________效应。 【答案】 电能转化为化学能 热 【详解】储存的电能为 充电过程是将电能储存在电池的化学物质中，能量转化为电能转化为化学能。 电流通过导体会产生热量的现象为电流的热效应。 2．将标有“220V 40W”的电风扇、“110V  40W”电视机、“36V 40W”电热杯各一个，三个用电器均在各自额定电压下正常工作。在相同的时间内，电流流过它们产生热量最多的是____________（选填“一样多”“电风扇”“电视机”或“电热杯”）。 【答案】 电热杯 【详解】由可知，三个用电器额定功率相同，正常工作相同时间消耗的电能相等。因电风扇工作时电能大部分转化为机械能，仅少量转化为内能；电视机工作时电能大部分转化为光能、声能，仅少量转化为内能；电热杯工作时电能全部转化为内能，故相同时间内电流通过电热杯产生的热量最多。 知识点 焦耳定律（重点） 1. 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 。 2. 公式表达 ：热量，单位：焦耳（J） ：电流，单位：安培（A） ：电阻，单位：欧姆（ ） ：时间，单位：秒（s） 3. 适用范围 普遍适用：该公式适用于 任何 电路（无论是纯电阻还是非纯电阻）中计算电流产生的热量。 4. 电功 ( ) 与电热 ( ) 的关系（易错点） 电路类型 能量转化特点 W 与 Q 的关系 计算公式选择 纯电阻电路 (如: 电炉、白炽灯、电烙铁) 电能全部转化为内能 (四个公式通用) 非纯电阻电路 (如: 电动机、充电电池、电风扇) 电能 = 内能 + 其他形式能 (机械能/化学能等) 求热量只能用： 求总功用： (注意： , ) 易错提醒 在含有电动机的电路中，计算线圈产生的热量时，严禁使用 或 ，因为此时电压 并不全部加在电阻 上用于发热，还有一部分用于驱动电机转动（反电动势）。必须使用 。 随学随练 3．电炉工作时，电炉丝通过导线接入电路里。为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？请你用所学的物理知识解释。 【答案】 电炉丝与导线串联，通过二者的电流和通电时间相同，电炉丝的电阻远大于导线的电阻，根据焦耳定律，电流通过电炉丝产生的热量远多于导线，因此电炉丝热得发红，导线却几乎不发热。 【详解】略 4．夏天，人们常用电热驱蚊器驱蚊（如图），它是利用电流的___________效应来工作的。驱蚊器的发热元件是一个阻值为10000Ω的电阻，工作电流为20mA，则发热元件通电50s产生的热量为__________J。 【答案】 热 200 【详解】电热驱蚊器依靠电流通过导体时产生热量的特性工作，属于电流的热效应；工作电流，由焦耳定律可知，发热元件产生的热量为 知识点 探究电流热效应的影响因素 1. 实验方法 转换法：通过观察U形管液面高度差（或温度计示数变化）来反映密闭空气盒内或锥形瓶内电阻丝产生热量的多少。 控制变量法： 探究与电阻关系：控制 、 相同，改变 。 探究与电流关系：控制 、 相同，改变 。 2. 实验装置与分析 (1) 探究热量与电阻的关系 连接方式：两不同阻值的电阻丝 串联 。 目的：保证通过两电阻的 电流 相等， 通电时间 相等。 现象：阻值大的电阻所在容器，U形管液面高度差更大或温度更高。 结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越 多 。 (2) 探究热量与电流的关系 连接方式：一个电阻在干路，另一个相同的电阻在支路（或通过滑动变阻器改变电流进行两次实验）。通常采用右侧容器外并联一个电阻的方式，使通过左右容器内电阻的电流不同（ ）。 目的：保证两容器内 电阻 相等， 通电时间 相等，但 电流 不同。 现象：电流大的容器，U形管液面高度差更大或温度更高。 结论：在电阻和通电时间相同时，电流越大，产生的热量越 多 。 教材延伸 为什么实验中常用空气盒而不是直接加热液体？ 空气受热膨胀明显，现象更直观，且空气比热容小，升温快，实验耗时短。 随学随练 5．用如下图所示的装置探究影响电流热效应的因素，甲、乙、丙三个相同的容器内均装有等质量的煤油，电阻丝、、浸没在煤油中，其中，，记录甲、乙、丙中煤油的初温。闭合开关S、，调节可调电源，使电流表示数为1.5 A，分别记录加热2 min、4 min时甲中煤油的末温，断开开关S、；再闭合开关S、，调节可调电源，使电流表示数为1.0 A，分别记录加热4 min时乙、丙中煤油的末温。数据记录在下表中。 序号 电阻 阻值/Ω 电流I/A 时间/min 初温t0/℃ 末温t/℃ ① R1 6 1.5 2 25.0 31.1 ② R1 6 1.5 4 25.0 37.1 ③ R2 6 1.0 4 25.0 30.4 ④ R3 3 1.0 4 25.0 27.7 (1)比较序号①和②可知，导体产生的热量与通电________有关。若要比较导体产生的热量与电流大小的关系，应该比较序号②和________。 (2)比较序号③和④可知，电流和通电时间相同时，导体电阻越大，产生的热量越________。比较序号③④和序号②③可得，导体通电时间相同时，“电阻”和“电流”中对电流的热效应影响更大的因素是________。 【答案】(1) 时间 ③ (2) 多 电流 【详解】（1）①和②两次实验中，电阻都是6Ω（电阻大小相等），电流都是1.5A（电流大小相等），只有通电时间不同，且通电时间越长，温度计升高的温度越高，电阻丝产生的热量越多，因此可得结论：当通过导体的电流和导体的电阻相等时，导体产生的热量与通电时间有关； 若要比较导体产生的热量与电流大小的关系，需要控制电阻大小、通电时间相同，只改变电流大小：序号②电阻为6Ω、通电时间4min、电流1.5A，序号③电阻6Ω（电阻与②相等）、通电时间4min（时间与②相等）、电流1.0A（电流不同），符合控制变量法的要求，因此比较序号②和③即可得出结论。 （2）[1]③和④两次实验中，电流和通电时间相同时，电阻不同，且导体电阻越大，温度计升高的温度越高，电阻丝产生的热量越多； [2]对比序号④和③：电流均为1.0A、通电时间均为4min，电阻从3Ω变为6Ω（电阻变为原来的2倍），煤油升高的温度从 变为 热量变为原来的2倍，符合与的正比关系； 对比序号③和②：电阻均为6Ω、通电时间均为4min，电流从1.0A变为1.5A（电流变为原来的1.5倍），煤油升高的温度从 变为 热量变为原来的约2.25倍，符合与的正比关系。 可见在通电时间相同的前提下，电流的平方对电热的影响程度远大于电阻的影响，因此对电流的热效应影响更大的因素是电流。 6．（多选）如图是探究“影响电流热效应”的实验装置（将、两电阻丝密封在两只完全相同的烧瓶内，且，瓶内装入等质量的煤油，实验时还有秒表一只（图中未画出），下列说法正确的是（     ） A．利用水代替烧瓶内的煤油可使实验现象更明显 B．该装置可以通过通电时间长短来反映产生电热的多少 C．该装置可以探究电流通过电阻丝产生的热量与电流的关系 D．将滑动变阻器的滑片向右移，两管中煤油温度上升变慢 【答案】CD 【详解】A．水的比热容比煤油大，由 可知，在吸收热量、质量 相同时，升高的温度 较小，实验现象更不明显，故A错误； B．实验通过温度计示数的变化来反映产生电热的多少，故B错误； C．移动滑动变阻器滑片可改变电路电流，利用秒表控制通电时间 相同，观察甲（或乙）瓶中煤油温度变化，由 可知，在电阻、加热时间 相同时，可探究热量与电流的关系，故C正确； D．由图可知滑动变阻器滑片向右移，接入电阻 变大，总电阻 总电阻变大，电源电压不变，由 可知电路电流变小，由 可知，在电阻、加热时间 相同时，产生热量变少，煤油温度上升变慢，故D正确。 故选CD。 知识点 电热的利用与防止 1. 电热的利用 原理：利用 ，在 一定时，增大 可产生更多热量。 应用：电暖器、电烤箱、电热毯、孵化器、电焊等。 2. 电热的防止 危害：导线过热加速绝缘层老化，甚至引发火灾；电器元件过热损坏。 措施： 散热孔/风扇：电脑CPU散热、电视机后盖散热孔。 减小电阻：输电导线采用粗铜线或铝线，减小线路损耗。 保护装置：安装保险丝或空气开关，电流过大时自动切断电路。 随学随练 7．电流的热效应在科研、生产、生活中被广泛应用，但有时它也会给我们带来危害。下列情况中不属于防止电热危害的是（     ） A．电脑机箱内有小风扇 B．电视机的后盖有散热窗 C．电动机外壳有许多散热片 D．高空飞行员所穿衣服里有电热保温装置 【答案】D 【详解】ABC．电脑、电视机、电动机工作时会产生多余电热，加装小风扇、散热窗、散热片均是为了散失多余电热，避免电热损坏设备，属于防止电热危害，故ABC不符合题意； D．电热保温装置利用电流的热效应产生热量实现保暖，是对电热的利用，不属于防止电热危害，故D符合题意。 故选D。 8．下列家用电器中，主要利用电流热效应工作的是（   ） A．电风扇 B．电视机 C．电饭锅 D．洗衣机 【答案】C 【详解】A．电风扇其工作原理是通过电动机将电能转化为机械能，驱动扇叶旋转以产生风，不依赖热效应，故A不符合题意； B．电视机主要将电能转化为光能和声能，用于显示图像和播放声音，热效应是副作用而非主要功能，故B不符合题意； C．电饭锅内部装有电热元件，通电后产生大量热量用于加热食物，是典型利用电流热效应工作的电器，故C符合题意； D．洗衣机依靠电动机带动洗衣桶旋转，将电能转化为机械能，不以产热为主要目的，故D不符合题意。 故选 C。 题型 多档位用电器的计算 许多电热器（如电饭锅、饮水机）有“高温档”和“低温档”。 判断依据：电源电压 不变，由 可知： 电阻小 功率大 高温 档（通常是两电阻并联，或只接入一个小电阻）。 电阻大 功率小 低温 档（通常是两电阻串联，或只接入一个大电阻）。 活学活用 1．电热饮水机通过机内温控开关S进行自动控制，有加热和保温两挡。电路原理如图所示。电源电压恒为220V。 (1)当开关S接a时，电路处于____________挡，若此时电流为5A，则电路的功率为____________W。 (2)该电热饮水机在加热状态工作100s，产生的热量为____________J。 (3)当开关S接b时，电路的功率为44W。则在保温状态下，电阻两端的电压为____________V。 【答案】(1) 加热 (2) (3)8.8 【详解】（1）电源电压恒定，由可知，电路电阻越小，功率越大。开关S接a时，只有接入电路，电阻较小，故为加热挡；电路的功率为 （2）加热状态为纯电阻电路，电流产生的热量等于消耗的电能，即 （3）保温状态下电路的电流为 电阻的阻值为 开关接b时与串联，电流处处相等，故两端电压为 2．某中学成立了物理科技小组，在一次活动中，小红小组设计了一种电热饮水机电路，如图甲所示，R1和R2均为电热丝，S2是自动控制开关，可实现“低挡”、“高挡”之间的转换，饮水机工作时功率随时间的关系图像如图乙所示。当饮水机接在家庭电路中工作时，求： (1)画出两个挡位对应的等效电路图，并在图下方标明是什么挡位。 (2)求高温挡模式下正常工作10 min，产生的热量。 (3)求R2的阻值。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）家庭电路电压220V不变，根据，电路总电阻越小，功率越大，为高温挡；总电阻越大，功率越小，为低温挡。 ①高温挡等效电路：闭合开关和，电热丝与并联接入电路，总电阻最小，为高温挡。 ②低温挡等效电路：闭合开关、断开，电路中只有电热丝接入电路，总电阻较大，为低温挡。（等效电路图按上述电路结构绘制即可） （2）由图乙可知，高温挡功率，工作时间 则正常工作10 min，产生的热量 （3）并联电路总功率等于各支路功率之和；高温挡是、同时工作，低温挡是只有工作，对应图乙的低温挡功率 因此单独工作时的功率 根据纯电阻功率公式，得 题型 焦耳定律的比例计算 在串联电路中（ 相同）： （热量与电阻成正比） 在并联电路中（ 相同）： （热量与电阻成反比，推导自 ） 活学活用 11．标有“”和“”的两个定值电阻，串联起来接在的电路上，则它们在相同的时间内产生的热量之比为（     ） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】两定值电阻的阻值 两电阻串联时电流相同、通电时间相同，则它们在相同的时间内产生的热量之比 故选C。 12．如图所示是电阻RA和RB两端电压与电流的U-I图像。如果将RA和RB串联起来，它们两端电压之比为__________；如果将RA和RB并联起来，在相同的时间t内,它们产生的热量之比为__________。 【答案】 【详解】由图像可知，电阻和是两个定值电阻 如果将和串联起来，通过它们的电流相等，由可知，它们两端电压之比为 如果将和并联起来，它们两端的电压相等，由可知 基础通关 1．下列用电器不是利用电流热效应工作的是（     ） A．电饭锅 B．电熨斗 C．电视机 D．电热水器 【答案】C 【详解】利用电流热效应工作的用电器将电能主要转化为内能。电饭锅、电熨斗、电热水器工作时电能主要转化为内能，利用电流热效应工作；电视机工作时电能主要转化为光能、声能，不是利用电流热效应工作。故选C。 2．科技兴趣小组的同学模拟野外求生时，取口香糖锡纸剪成如图甲所示形状，其中AB和CD段等长。将带锡一面两端的M、N两点分别接触电池正、负两极，发现锡纸条很快开始冒烟、着火，如图乙所示。下列分析正确的是（     ）` A．先冒烟、着火的是AB段 B．AB段的电阻小于CD段的电阻 C．通过AB段的电流大于通过CD段的电流 D．电流通过AB段和CD段相同时间产生的热量相同 【答案】A 【详解】B．段和段材料、长度相同，段横截面积小；根据电阻与横截面积的关系，在材料、长度相同时，横截面积越小，电阻越大，所以段的电阻比段的电阻大，故B错误； C．段和段串联，根据串联电路电流规律，串联电路中各处电流相等，所以段的电流和段的电流一样大，故C错误； AD．根据焦耳定律可知，电流和通电时间相同，段的电阻更大，因此段相同时间产生的热量更多，温度先达到锡纸的着火点，先冒烟着火，故A正确，D错误。 故选A。 3．将甲乙两个完全一样的滑动变阻器的滑片P调节到同一位置后，按如图方式连入电路（部分画出），则通电一段时间后，甲、乙两滑动变阻器两端的电压、和它们产生的热量、的大小关系正确的是（     ）    A．、 B．、 C．、 D．、 【答案】D 【详解】由图可知，甲变阻器接入电路的是PB段电阻丝，乙变阻器接入电路的是AP段电阻丝。接入电路的电阻丝长度，故电阻。两个滑动变阻器串联接入电路，通过它们的电流和通电时间相同。由可知，。由可知，。 故选D。 4．如图所示是“探究电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有关”的实验装置。两透明空气盒中密封着等量的空气。下列说法正确的是（     ） A．U形管液面高度变化是因为U形管中液体热胀冷缩的缘故 B．此实验必须把甲、乙两装置接在电压相同的电源两端，实验结论才具有科学性 C．透明容器中空气内能增大是通过做功的方式改变的 D．图乙所示的装置，若右边容器外5Ω的电阻放入容器中，将可以用来探究电流通过导体产生的热量多少与电阻大小的关系 【答案】D 【详解】A．U形管液面高度变化是因为透明空气盒中密封的空气受热膨胀，压强增大，推动液体，故A错误； B．甲装置探究热量与电阻的关系，乙装置探究热量与电流的关系，两者为独立实验，无需接在电压相同的电源两端，故B错误； C．电阻丝通电发热，通过热传递的方式使透明容器中空气内能增大，故C错误； D．若将右边容器外的电阻放入容器中，右边容器内总电阻，左边容器内电阻。两容器串联，通过电流相同，通电时间相同，由可知，可探究热量与电阻大小的关系，故D正确。 故选D。 5．如下图所示的家用电器中，主要是将电能转化为内能的是（     ） A．电风扇 B．电饭煲 C．电灯 D．洗衣机 【答案】B 【详解】AD．电风扇和洗衣机工作时主要将电能转化为机械能，故AD不符合题意； B．电饭煲工作时利用电流的热效应，主要将电能转化为内能，故B符合题意； C．电灯工作时主要将电能转化为光能，故C不符合题意。 故选B。 6．某款电热杯有高、中、低三挡，简化电路如图所示，、不能同时闭合，的阻值为。只闭合时，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、时，电热杯处于低温挡 C．只闭合时，电热杯工作1min产生热量600J D．加热100g水，水温升高10℃，水吸收热量420J 【答案】C 【详解】A．只闭合时，电路为的简单电路，电源电压，故A错误； B．只闭合、时，与并联，电路总电阻最小，由可知电功率最大，电热杯处于高温挡，故B错误； C．只闭合时，电热杯工作1min产生热量，故C正确； D．水的质量 水吸收热量，故D错误。 故选C。 7．小明家的电火锅有高、低温挡，如图为电火锅的简化电路图，和是加热电阻丝，高温挡额定功率为，开关接触_______（选填“a”或“b”）时，电火锅处于高温挡正常工作产生的热量是_______J。 【答案】 b 【详解】根据电功率公式，电路总电阻越小，加热功率越大，对应高温挡；当开关接触时，电阻和串联接入电路，总电阻最大，为低温挡；当接触时，被断路，电路中只有工作，总电阻最小，功率最大，为高温挡； 电火锅是纯电阻用电器，正常工作时消耗的电能全部转化为热量，因此热量，电火锅处于高温挡正常工作产生的热量是 8．如图甲所示的插线板中，a接电源，b接微波炉，c接电烤箱。 (1)两个用电器______联接入电路中，用电器均正常工作时，a、b、c三处中电流最大的是______处。 (2)电烤箱有高温和低温两个挡位，图乙是其内部简化电路，当S1、S2均闭合时，为______挡。若高温挡电功率为1000W，通电1min，电烤箱产生的热量为______J。 【答案】(1) 并 a (2) 高温 【详解】（1）微波炉和电烤箱工作时互不影响，可以独立工作，所以它们是并联接入电路的。 两用电器并联，a处在干路，b、c处在支路，由并联电路电流规律可知a处电流最大。 （2）当开关S1、S2都闭合时，只有R1工作，电路的总电阻最小，由可知，总功率最大，故为高温挡。 电烤箱产生的热量为 9．甲、乙两白炽灯中的电流与电压变化的关系如下图所示，将甲、乙两灯泡串联后接在电压为_____V的电源两端时，甲灯泡中通过的电流为0.5A，此时乙灯泡1min所产生的热量为_____J。 【答案】 8 180 【详解】因两灯串联，故通过甲、乙灯的电流 由图像可知，当时，甲灯两端电压，乙灯两端电压，电源电压为 乙灯1min产生的热量为 10．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所示，A、B为两个完全相同的烧瓶，瓶中插入温度计a、b。 (1)为了让实验效果更显著，应在A、B两烧瓶中加入质量、初温均相同的______（选填“煤油”或“水”）； (2)实验中，通过观察温度计的示数变化来比较电流通过电阻丝产生热量的多少，下列实验应用了该研究方法的是______（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，在图中的A、B两烧瓶内换用质量、初温都相同的不同液体，且换用两根电阻丝的电阻______。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A、B两烧瓶内液体比热容的关系为cA__________________cB；（均选填“>”、“<”或“=”） 【答案】(1)煤油 (2)B (3) = 【详解】（1）煤油的比热容比水小，在质量相同、吸收相同热量时，煤油的温度升高更明显，实验现象更易观察，因此选煤油。 （2）通过温度计示数变化反映产生热量的多少，这种将不易直接观测的物理量转换为直观易测现象的方法是转换法。 A．探究电流与电压、电阻的关系用的是控制变量法，故A不符合题意； B．探究导体电阻的影响因素时，通过电流表示数大小反映电阻大小，属于转换法，故B符合题意； C．选项伏安法测电阻是利用公式直接测量计算电阻，没有用到该转换思想，故C不符合题意。 故选B。 （3）比较不同物质的吸热能力时，需要保证两种液体在相同时间内吸收的热量完全相等；图中两根电阻丝串联、电流和通电时间相同，根据焦耳定律，只有让两根电阻丝的电阻相等，才能保证相同时间放出的热量相等，让两种液体吸收的热量相同； 根据比热容公式，质量、吸收热量相同时，温度升高越快，即越大，比热容越小，因此A的温度升得更快时，。 11．如图所示的电路中，电源电压恒定，R1、R2均为定值电阻，R1的阻值为5 Ω。 (1)闭合开关S1、断开开关S2，电流表示数为0.6A，求电源电压； (2)闭合开关S1、S2，电流表示数为0.9A，求电阻R2的阻值； (3)闭合开关S1、S2，通电10s，求电路产生的热量。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）闭合、断开时，电路为仅的简单电路，电流表测通过的电流。 根据欧姆定律可得电源电压 （2）闭合、时，与并联，电流表测干路总电流。 并联电路各支路独立工作，因此通过的电流仍为；根据并联电路电流规律，通过的电流 并联电路各支路电压等于电源电压，由欧姆定律可得的阻值 （3）由于该电路为纯电阻电路，所以电路总热量 素养提升 12．小明设计了一种具有高、中、低温三挡的加热装置，其电路如图所示，已知，电源电压为220V。当开关S1断开、S2接b时，电路发热功率为220W。下列说法错误的是（     ） A．R2的阻值为20 B．当电路接高温挡时，发热功率为2420W C．当开关S1断开，S2接b时加热装置处于中温挡 D．该加热装置存在中、低温两挡位功率相差不大的设计不足 【答案】A 【详解】由电路图可知，当开关断开、接b时，电路为的简单电路，当开关闭合、接b时，与并联，当开关断开、接a时，与串联。 因串联电路中总电阻大于任何一个分电阻、并联电路中总电阻小于任何一个分电阻，所以当开关闭合、接b时，电路的总电阻最小，当开关断开、接a时，电路的总电阻最大。 电源的电压一定时，由可知，当开关闭合、接b时，电路的总功率最大，加热装置处于高温挡；同理可知，当开关断开、接a时，加热装置处于低温挡，当开关断开、接b时，加热装置处于中温挡。 A．当开关断开、接b时，电路发热功率为220W，则电阻的阻值，故A错误； B．当开关闭合、接b时，与并联，加热装置处于高温挡，因并联电路中各支路独立工作、互不影响，且各支路两端的电压相等，所以，发热功率，故B正确； C．当开关断开、接b时，加热装置处于中温挡，故C正确； D．当开关断开、接a时，与串联，加热装置处于低温挡，因串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以低温挡的功率 由200W和220W相差不大可知，该加热装置存在中、低温两挡位功率相差不大的设计不足，故D正确。 本题选择错误的，故选A。 13．小明家的电热水壶有加热和保温两个挡位，其简化电路如图所示，将开关S置于“1”或“2”位置时，电热水壶处于不同挡位，电热丝，，当开关S置于2位置时，电热水壶处于______（选填“加热”或“保温”）挡，此时功率是______W。该电热水壶处于加热挡正常工作5min，会产生______J的热量，此时，和的功率之比为______。 【答案】 保温 110 【详解】[1]当开关S置于2位置时，电路中R1被短路，只有R2工作，电路中的总电阻最大，由可知，总功率最小，电热水壶处于保温挡。 [2]保温挡的功率为 [3]当开关S置于1位置时，R1、R2并联，电路中的总电阻最小，由可知，电路中的总功率最大，电热水壶处于加热挡。电热水壶加热挡的功率为 加热挡工作5min产生的热量等于消耗的电能： [4]功率之比为 14．如图甲为电热毛巾架，额定电压为220V。该毛巾架通过智能系统能够实现高温、低温挡自动切换。如图乙所示为其内部电路原理图，和都为发热电阻丝；如图丙为该毛巾架在正常工作20min内电流随时间变化的图像。则： (1)当开关S接1时是______（选填“高温挡”或“低温挡”） (2)高温挡的电功率是多少？ (3)毛巾架工作20min产生的热量是多少？ (4)小明在使用毛巾架时发现，高温挡和低温挡的温度均偏高，有安全隐患。请提出一条改进措施，并说明理由。 【答案】(1) 高温挡 (2) 220W (3) (4) 换用阻值更大的发热电阻丝；根据，电源电压不变时，电阻越大，电功率越小，相同时间内产生的热量越少，可降低工作温度 【详解】（1） 电源电压恒定，根据可知，电路总电阻越小，功率越大，对应高温挡。当开关S接1时，仅接入电路，总电阻最小，所以是高温挡。 （2）由图丙可知高温挡电流，根据，可得高温挡的电功率 （3）热毛巾架为纯电阻电路，电流产生的热量等于消耗的电能，即 由图丙可知，20min内高温挡工作时间 低温挡工作时间 低温挡电流 则总热量 （4）略 15．如图所示的电路，电源电压不变，闭合开关S，电路正常工作，电压表测的是___________（选填“滑动变阻器”“电源”或“电动机M”）的电压；当电压表的示数为10V时，电流表示数为0.2A，电动机内部线圈的电阻为2Ω，电动机转动5min，电流通过电动机内部线圈产生的热量是___________J，电动机的效率为___________%。 【答案】 电动机M 24 96 【详解】由电路连接可知，滑动变阻器与电动机串联，电压表并联在电动机两端，测电动机M的电压。 电流通过电动机内部线圈产生的热量为 电动机消耗的总电能为 电动机的效率为 16．央视节目《是真的吗》中，主持人做了“电池+口香糖锡纸=取火工具”的实验：取口香糖锡纸，剪成如图甲所示形状，其中、和段等长。戴好防护手套，将锡纸条两端连接电池正、负极，如图乙所示，发现锡纸条很快开始冒烟、着火。下列说法正确的是（     ） A．最先着火的是段，因为这里的电流最大 B．通过、、段的电流相等，但是段电阻最大，相同时间内产生的热量最多 C．电流通过、、段相同时间产生的热量相同 D．通过段的电流最小，但是段电阻最大，相同时间内产生的热量最多 【答案】B 【详解】锡纸条各段串联，通过ab、bc、cd段的电流相等。ab段横截面积最小，材料和长度相同，故ab段电阻最大。由 可知，在电流和通电时间相同时，ab段产生的热量最多，故B正确。 故选B。 迁移创新 17．一台线圈电阻为r的电动机可以等效为一台理想电动机M和纯电阻r串联，如图所示。如果将此电动机接入电压为U的电源，通过的电流为I，则在t时间内（     ） A．M产生的电热为 B．M产生的电热为Q=IUt C．M消耗的电能为E=I（U-Ir）t D．M消耗的电能为E=IUt 【答案】C 【详解】AB.电动机M是理想电动机，没有内阻，不会产生热量，故电动机M产生的电热为0，故AB错误； CD.电路中消耗的总电能，电阻r产生的电热，故电动机M消耗的电能，故C正确，D错误； 故选C。 18．石墨烯暖手袋又被称为无水暖手袋，具有发热快速、安全性高等优点。如图甲是某款石墨烯暖手袋，具有高温和低温两种功能，电路图如图乙所示，额定电压为5V，低温功率为4W，R1和R2均为发热电阻（阻值不变），其中R1的阻值为25Ω。求： (1)石墨烯暖手袋在低温挡工作时流过开关S的电流； (2)石墨烯暖手袋在高温挡工作时，电路中的总电阻； (3)一个标注为“5V  10000mAh”的充电宝充满电后，其所存电能的50%可供该石墨烯暖手袋在高温挡工作的时间。 【答案】(1)0.8A (2)5Ω (3)5h 【详解】（1）由可知，低温挡工作时流过开关S的电流 （2）由图乙可知，当开关S、S1都闭合时，R1、R2并联，此时电路中的总电阻较小，由可知，电路中的总功率较大，暖手袋处于高温挡；当开关S闭合、S1断开时，电路中只有R2工作，电路中的总电阻较大，总功率较小，暖手袋处于低温挡。 石墨烯暖手袋在高温挡工作时，开关S、S1都闭合，通过R1的电流 并联电路中各支路互不影响，通过R2的电流 干路的电流 电路的总电阻 （3）充电宝充满电后储存的电能 该石墨烯暖手袋在高温挡工作消耗的电能 高温挡的功率 在高温挡工作的时间 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第十五章 电能与电功率 第4节 焦耳定律 课标要点 知道电流的热效应，了解生活中利用电流热效应的实例。 理解焦耳定律的内容，能用公式 进行简单计算。 通过实验探究，认识电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。 了解电热的利用和防止，增强安全用电意识。 学习重难点 重点：焦耳定律的内容、公式及应用；探究电流热效应影响因素的实验设计。 难点：区分电功（ ）与电热（ ）的关系；纯电阻电路与非纯电阻电路中 与 的区别；焦耳定律公式的灵活运用。 知识点 电流的热效应 1. 现象定义 当电流通过导体时，电能转化成内能的现象，叫做 。 常见实例：电热水壶烧水、电饭煲煮饭、电熨斗烫衣服、白炽灯发光发热等。 能量转化：电能 。 2. 电热器 定义：主要利用电流热效应来工作的设备。 核心部件：发热体。 材料特点：由电阻率大、熔点高的合金制成（如镍铬合金）。 思考：为什么不用铜丝或铁丝做发热体？（铜/铁电阻率小，产生热量少；且熔点相对较低，易熔断。） 特别提醒 并非所有用电器都主要利用热效应。例如：电风扇主要将电能转化为机械能，电视机主要转化为光能和声能，但它们工作时也会发热，这是电流热效应的副产物。 随学随练 1．有一块手机电池，铭牌上面标明电压3.7 V，容量5000 mA·h。充满电后大约储存了___________J的电能。在给它充电过程中发生的能量转化是______________________。长时间使用后手机会发热，这种现象叫作电流的___________效应。 2．将标有“220V 40W”的电风扇、“110V  40W”电视机、“36V 40W”电热杯各一个，三个用电器均在各自额定电压下正常工作。在相同的时间内，电流流过它们产生热量最多的是____________（选填“一样多”“电风扇”“电视机”或“电热杯”）。 知识点 焦耳定律（重点） 1. 定律内容 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成 ，跟导体的电阻成 ，跟通电时间成 。 2. 公式表达 ：热量，单位：焦耳（J） ：电流，单位：安培（A） ：电阻，单位：欧姆（ ） ：时间，单位：秒（s） 3. 适用范围 普遍适用：该公式适用于 电路（无论是纯电阻还是非纯电阻）中计算电流产生的热量。 4. 电功 ( ) 与电热 ( ) 的关系（易错点） 电路类型 能量转化特点 W 与 Q 的关系 计算公式选择 纯电阻电路 (如: 电炉、白炽灯、电烙铁) 电能全部转化为内能 (四个公式通用) 非纯电阻电路 (如: 电动机、充电电池、电风扇) 电能 = 内能 + 其他形式能 (机械能/化学能等) 求热量只能用： 求总功用： (注意： , ) 易错提醒 在含有电动机的电路中，计算线圈产生的热量时，严禁使用 或 ，因为此时电压 并不全部加在电阻 上用于发热，还有一部分用于驱动电机转动（反电动势）。必须使用 。 随学随练 3．电炉工作时，电炉丝通过导线接入电路里。为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？请你用所学的物理知识解释。 4．夏天，人们常用电热驱蚊器驱蚊（如图），它是利用电流的___________效应来工作的。驱蚊器的发热元件是一个阻值为10000Ω的电阻，工作电流为20mA，则发热元件通电50s产生的热量为__________J。 知识点 探究电流热效应的影响因素 1. 实验方法 转换法：通过观察U形管液面高度差（或温度计示数变化）来反映密闭空气盒内或锥形瓶内电阻丝产生热量的多少。 控制变量法： 探究与电阻关系：控制 、 相同，改变 。 探究与电流关系：控制 、 相同，改变 。 2. 实验装置与分析 (1) 探究热量与电阻的关系 连接方式：两不同阻值的电阻丝 。 目的：保证通过两电阻的 相等， 相等。 现象：阻值大的电阻所在容器，U形管液面高度差更大或温度更高。 结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越 。 (2) 探究热量与电流的关系 连接方式：一个电阻在干路，另一个相同的电阻在支路（或通过滑动变阻器改变电流进行两次实验）。通常采用右侧容器外并联一个电阻的方式，使通过左右容器内电阻的电流不同（ ）。 目的：保证两容器内 相等， 相等，但 不同。 现象：电流大的容器，U形管液面高度差更大或温度更高。 结论：在电阻和通电时间相同时，电流越大，产生的热量越 。 教材延伸 为什么实验中常用空气盒而不是直接加热液体？ 空气受热膨胀明显，现象更直观，且空气比热容小，升温快，实验耗时短。 随学随练 5．用如下图所示的装置探究影响电流热效应的因素，甲、乙、丙三个相同的容器内均装有等质量的煤油，电阻丝、、浸没在煤油中，其中，，记录甲、乙、丙中煤油的初温。闭合开关S、，调节可调电源，使电流表示数为1.5 A，分别记录加热2 min、4 min时甲中煤油的末温，断开开关S、；再闭合开关S、，调节可调电源，使电流表示数为1.0 A，分别记录加热4 min时乙、丙中煤油的末温。数据记录在下表中。 序号 电阻 阻值/Ω 电流I/A 时间/min 初温t0/℃ 末温t/℃ ① R1 6 1.5 2 25.0 31.1 ② R1 6 1.5 4 25.0 37.1 ③ R2 6 1.0 4 25.0 30.4 ④ R3 3 1.0 4 25.0 27.7 (1)比较序号①和②可知，导体产生的热量与通电________有关。若要比较导体产生的热量与电流大小的关系，应该比较序号②和________。 (2)比较序号③和④可知，电流和通电时间相同时，导体电阻越大，产生的热量越________。比较序号③④和序号②③可得，导体通电时间相同时，“电阻”和“电流”中对电流的热效应影响更大的因素是________。 6．（多选）如图是探究“影响电流热效应”的实验装置（将、两电阻丝密封在两只完全相同的烧瓶内，且，瓶内装入等质量的煤油，实验时还有秒表一只（图中未画出），下列说法正确的是（     ） A．利用水代替烧瓶内的煤油可使实验现象更明显 B．该装置可以通过通电时间长短来反映产生电热的多少 C．该装置可以探究电流通过电阻丝产生的热量与电流的关系 D．将滑动变阻器的滑片向右移，两管中煤油温度上升变慢 知识点 电热的利用与防止 1. 电热的利用 原理：利用 ，在 一定时，增大 可产生更多热量。 应用：电暖器、电烤箱、电热毯、孵化器、电焊等。 2. 电热的防止 危害：导线过热加速绝缘层老化，甚至引发火灾；电器元件过热损坏。 措施： 散热孔/风扇：电脑CPU散热、电视机后盖散热孔。 减小电阻：输电导线采用粗铜线或铝线，减小线路损耗。 保护装置：安装保险丝或空气开关，电流过大时自动切断电路。 随学随练 7．电流的热效应在科研、生产、生活中被广泛应用，但有时它也会给我们带来危害。下列情况中不属于防止电热危害的是（     ） A．电脑机箱内有小风扇 B．电视机的后盖有散热窗 C．电动机外壳有许多散热片 D．高空飞行员所穿衣服里有电热保温装置 8．下列家用电器中，主要利用电流热效应工作的是（   ） A．电风扇 B．电视机 C．电饭锅 D．洗衣机 题型 多档位用电器的计算 许多电热器（如电饭锅、饮水机）有“高温档”和“低温档”。 判断依据：电源电压 不变，由 可知： 电阻小 功率大 档（通常是两电阻并联，或只接入一个小电阻）。 电阻大 功率小 档（通常是两电阻串联，或只接入一个大电阻）。 活学活用 1．电热饮水机通过机内温控开关S进行自动控制，有加热和保温两挡。电路原理如图所示。电源电压恒为220V。 (1)当开关S接a时，电路处于____________挡，若此时电流为5A，则电路的功率为____________W。 (2)该电热饮水机在加热状态工作100s，产生的热量为____________J。 (3)当开关S接b时，电路的功率为44W。则在保温状态下，电阻两端的电压为____________V。 2．某中学成立了物理科技小组，在一次活动中，小红小组设计了一种电热饮水机电路，如图甲所示，R1和R2均为电热丝，S2是自动控制开关，可实现“低挡”、“高挡”之间的转换，饮水机工作时功率随时间的关系图像如图乙所示。当饮水机接在家庭电路中工作时，求： (1)画出两个挡位对应的等效电路图，并在图下方标明是什么挡位。 (2)求高温挡模式下正常工作10 min，产生的热量。 (3)求R2的阻值。 题型 焦耳定律的比例计算 在串联电路中（ 相同）： （热量与电阻成正比） 在并联电路中（ 相同）： （热量与电阻成反比，推导自 ） 活学活用 11．标有“”和“”的两个定值电阻，串联起来接在的电路上，则它们在相同的时间内产生的热量之比为（     ） A． B． C． D． 12．如图所示是电阻RA和RB两端电压与电流的U-I图像。如果将RA和RB串联起来，它们两端电压之比为__________；如果将RA和RB并联起来，在相同的时间t内,它们产生的热量之比为__________。 基础通关 1．下列用电器不是利用电流热效应工作的是（     ） A．电饭锅 B．电熨斗 C．电视机 D．电热水器 2．科技兴趣小组的同学模拟野外求生时，取口香糖锡纸剪成如图甲所示形状，其中AB和CD段等长。将带锡一面两端的M、N两点分别接触电池正、负两极，发现锡纸条很快开始冒烟、着火，如图乙所示。下列分析正确的是（     ）` A．先冒烟、着火的是AB段 B．AB段的电阻小于CD段的电阻 C．通过AB段的电流大于通过CD段的电流 D．电流通过AB段和CD段相同时间产生的热量相同 3．将甲乙两个完全一样的滑动变阻器的滑片P调节到同一位置后，按如图方式连入电路（部分画出），则通电一段时间后，甲、乙两滑动变阻器两端的电压、和它们产生的热量、的大小关系正确的是（     ）    A．、 B．、 C．、 D．、 4．如图所示是“探究电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有关”的实验装置。两透明空气盒中密封着等量的空气。下列说法正确的是（     ） A．U形管液面高度变化是因为U形管中液体热胀冷缩的缘故 B．此实验必须把甲、乙两装置接在电压相同的电源两端，实验结论才具有科学性 C．透明容器中空气内能增大是通过做功的方式改变的 D．图乙所示的装置，若右边容器外5Ω的电阻放入容器中，将可以用来探究电流通过导体产生的热量多少与电阻大小的关系 5．如下图所示的家用电器中，主要是将电能转化为内能的是（     ） A．电风扇 B．电饭煲 C．电灯 D．洗衣机 6．某款电热杯有高、中、低三挡，简化电路如图所示，、不能同时闭合，的阻值为。只闭合时，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、时，电热杯处于低温挡 C．只闭合时，电热杯工作1min产生热量600J D．加热100g水，水温升高10℃，水吸收热量420J 7．小明家的电火锅有高、低温挡，如图为电火锅的简化电路图，和是加热电阻丝，高温挡额定功率为，开关接触_______（选填“a”或“b”）时，电火锅处于高温挡正常工作产生的热量是_______J。 8．如图甲所示的插线板中，a接电源，b接微波炉，c接电烤箱。 (1)两个用电器______联接入电路中，用电器均正常工作时，a、b、c三处中电流最大的是______处。 (2)电烤箱有高温和低温两个挡位，图乙是其内部简化电路，当S1、S2均闭合时，为______挡。若高温挡电功率为1000W，通电1min，电烤箱产生的热量为______J。 9．甲、乙两白炽灯中的电流与电压变化的关系如下图所示，将甲、乙两灯泡串联后接在电压为_____V的电源两端时，甲灯泡中通过的电流为0.5A，此时乙灯泡1min所产生的热量为_____J。 10．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所示，A、B为两个完全相同的烧瓶，瓶中插入温度计a、b。 (1)为了让实验效果更显著，应在A、B两烧瓶中加入质量、初温均相同的______（选填“煤油”或“水”）； (2)实验中，通过观察温度计的示数变化来比较电流通过电阻丝产生热量的多少，下列实验应用了该研究方法的是______（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，在图中的A、B两烧瓶内换用质量、初温都相同的不同液体，且换用两根电阻丝的电阻______。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A、B两烧瓶内液体比热容的关系为cA__________________cB；（均选填“>”、“<”或“=”） 11．如图所示的电路中，电源电压恒定，R1、R2均为定值电阻，R1的阻值为5 Ω。 (1)闭合开关S1、断开开关S2，电流表示数为0.6A，求电源电压； (2)闭合开关S1、S2，电流表示数为0.9A，求电阻R2的阻值； (3)闭合开关S1、S2，通电10s，求电路产生的热量。 素养提升 12．小明设计了一种具有高、中、低温三挡的加热装置，其电路如图所示，已知，电源电压为220V。当开关S1断开、S2接b时，电路发热功率为220W。下列说法错误的是（     ） A．R2的阻值为20 B．当电路接高温挡时，发热功率为2420W C．当开关S1断开，S2接b时加热装置处于中温挡 D．该加热装置存在中、低温两挡位功率相差不大的设计不足 13．小明家的电热水壶有加热和保温两个挡位，其简化电路如图所示，将开关S置于“1”或“2”位置时，电热水壶处于不同挡位，电热丝，，当开关S置于2位置时，电热水壶处于______（选填“加热”或“保温”）挡，此时功率是______W。该电热水壶处于加热挡正常工作5min，会产生______J的热量，此时，和的功率之比为______。 14．如图甲为电热毛巾架，额定电压为220V。该毛巾架通过智能系统能够实现高温、低温挡自动切换。如图乙所示为其内部电路原理图，和都为发热电阻丝；如图丙为该毛巾架在正常工作20min内电流随时间变化的图像。则： (1)当开关S接1时是______（选填“高温挡”或“低温挡”） (2)高温挡的电功率是多少？ (3)毛巾架工作20min产生的热量是多少？ (4)小明在使用毛巾架时发现，高温挡和低温挡的温度均偏高，有安全隐患。请提出一条改进措施，并说明理由。 15．如图所示的电路，电源电压不变，闭合开关S，电路正常工作，电压表测的是___________（选填“滑动变阻器”“电源”或“电动机M”）的电压；当电压表的示数为10V时，电流表示数为0.2A，电动机内部线圈的电阻为2Ω，电动机转动5min，电流通过电动机内部线圈产生的热量是___________J，电动机的效率为___________%。 16．央视节目《是真的吗》中，主持人做了“电池+口香糖锡纸=取火工具”的实验：取口香糖锡纸，剪成如图甲所示形状，其中、和段等长。戴好防护手套，将锡纸条两端连接电池正、负极，如图乙所示，发现锡纸条很快开始冒烟、着火。下列说法正确的是（     ） A．最先着火的是段，因为这里的电流最大 B．通过、、段的电流相等，但是段电阻最大，相同时间内产生的热量最多 C．电流通过、、段相同时间产生的热量相同 D．通过段的电流最小，但是段电阻最大，相同时间内产生的热量最多 迁移创新 17．一台线圈电阻为r的电动机可以等效为一台理想电动机M和纯电阻r串联，如图所示。如果将此电动机接入电压为U的电源，通过的电流为I，则在t时间内（     ） A．M产生的电热为 B．M产生的电热为Q=IUt C．M消耗的电能为E=I（U-Ir）t D．M消耗的电能为E=IUt 18．石墨烯暖手袋又被称为无水暖手袋，具有发热快速、安全性高等优点。如图甲是某款石墨烯暖手袋，具有高温和低温两种功能，电路图如图乙所示，额定电压为5V，低温功率为4W，R1和R2均为发热电阻（阻值不变），其中R1的阻值为25Ω。求： (1)石墨烯暖手袋在低温挡工作时流过开关S的电流； (2)石墨烯暖手袋在高温挡工作时，电路中的总电阻； (3)一个标注为“5V  10000mAh”的充电宝充满电后，其所存电能的50%可供该石墨烯暖手袋在高温挡工作的时间。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $