15.4 焦耳定律（教学设计）物理新教材沪粤版九年级上册

第4节 焦耳定律（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第4节 焦耳定律 教学 目标 物理观念 知道电流的热效应，了解电能转化为内能的现象。理解焦耳定律的内容、公式及其单位，能进行简单的计算。知道电热在生活中的应用（如电热器）及防止（如散热）。 科学思维 通过实验探究，掌握控制变量法和转换法在物理研究中的应用。能从能量转化的角度分析电功与电热的关系，区分纯电阻电路与非纯电阻电路。 科学探究 经历“探究电流产生热量与哪些因素有关”的实验过程，能设计实验方案、收集数据并分析论证。能通过实验现象归纳出焦耳定律的定性规律。 科学态度 与责任 体会物理与生活的紧密联系，增强安全用电意识。培养严谨的科学态度和团队合作精神。 教材 分析 本节内容是电学部分的重要章节，承接了前面的电功、电功率知识。教材首先通过生活实例引入电流的热效应，接着重点安排探究实验，引导学生发现热量与电流、电阻、时间的关系，最后总结出焦耳定律。这部分内容既是电学知识的深化，也是后续学习家庭电路安全的基础。 学情分析 1. 知识储备分析：学生已掌握欧姆定律、电功和电功率的计算，对串联、并联电路特点熟悉。 2. 思维能力分析：具备初步的实验操作能力和控制变量法的思维基础，但在设计多变量实验时仍存在困难。 3. 学习兴趣与态度分析：容易混淆电功（ ）与电热（ ），特别是在非纯电阻电路（如电动机）中，误认为 。 教学重点 探究电流产生热量与电流、电阻、通电时间的关系。焦耳定律的内容、公式及应用。 教学难点 实验方案的设计与控制变量法的具体实施。理解焦耳定律的适用条件，区分纯电阻与非纯电阻电路中的能量转化。 教学 器材 演示/分组实验器材：焦耳定律演示器（包含两个透明密闭容器，内含等量空气，连接U形管液面高度差显示热量变化）、电阻丝（ 、 各两根）、电源、开关、导线、滑动变阻器、电流表、秒表。 多媒体资源：PPT课件、视频《电流的热效应应用》、《电火灾警示录》。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【教师活动】 展示图片：电热水壶烧水、电熨斗熨衣服、电脑CPU发热、电线老化起火。 提问： “这些用电器工作时有什么共同特点？”（都发热） “电流通过导体时为什么会发热？能量是如何转化的？” 引出概念：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。 【学生活动】 观察图片，思考并回答：电能转化为内能。列举生活中其他利用或防止电流热效应的例子。 【设计意图】 通过熟悉的生活场景激发兴趣，自然引出“电流的热效应”这一核心概念。 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、探究电流产生热量的影响因素 1. 猜想与假设 【教师引导】 根据生活经验（如电炉丝很热而导线不热、充电时手机发烫等），请同学们猜想：电流通过导体产生的热量可能与哪些因素有关？ 【学生猜想】 可能与电流大小有关（电流越大越热）。 可能与电阻大小有关（电阻越大越热，如电炉丝电阻大）。 可能与通电时间有关（时间越长越热）。 2. 实验设计：控制变量法与转换法 【教师讲解】 研究方法：由于热量受多个因素影响，需采用控制变量法。 测量方法：热量无法直接测量，如何比较产生热量的多少？ 转换法：利用密闭容器内的空气受热膨胀，推动U形管中的液柱移动。液面高度差越大，说明产生的热量越多（利用锥形瓶内的电阻丝通电产热，使瓶中的煤油温度升高。温度升高越多，说明产生的热量越多）。 【实验装置介绍】 展示焦耳定律演示器： 实验装置如图所示，甲、乙两个锥形瓶中的电阻丝的电阻R₁、R₂分别为5Ω和10Ω,两个瓶内装有等量、初始温度相同的煤油。 3. 进行实验与数据分析 【实验一】探究热量与电阻的关系 控制条件：保持电流和通电时间相同。 操作：将 和 的两个电阻串联接入电路（确保电流相等）。连接电路，进行实验。通电前，先记下锥形瓶中煤油的初始温度t₀;通电后，每经过相同时间(如1min),读出两支温度计的示数，并将数据填写在表中。 现象：通电一段时间后，连接 电阻的锥形瓶中煤油的温度变化更大。 结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。 【实验二】探究热量与电流的关系 控制条件：保持电阻和通电时间相同。 操作： 选取一个 电阻接入电路，记录电流 和初始温度。 调节滑动变阻器，增大电流至 ( )，保持通电时间相同，观察温度变化。 现象：电流较大时，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。 【实验三】探究热量与通电时间的关系 控制条件：保持电流和电阻不变。 操作：持续通电，观察同一电阻对应的U形管液面随时间的变化。 现象：通电时间越长，液面高度差越大。 结论：在电流和电阻相同时，通电时间越长，产生的热量越多。 4. 总结规律：焦耳定律 【教师归纳】 英国物理学家焦耳通过大量精确实验，于1840年发现了电流产生热量的规律，即焦耳定律。 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： 单位： —— 热量 —— 焦耳 (J) —— 电流 —— 安培 (A) —— 电阻 —— 欧姆 ( ) —— 时间 —— 秒 (s) 【深度辨析】电功( )与电热( )的关系 电路类型 能量转化情况 关系式 示例 纯电阻电路 电能全部转化为内能 即 电烙铁、电饭煲、白炽灯 非纯电阻电路 电能主要转化为机械能/化学能，少部分转化为内能 (总功) (热损耗) 电动机、电风扇、充电电池 强调：焦耳定律 适用于所有电路计算电热；而 仅适用于纯电阻电路。 【例题1】如图甲所示是“探究电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关”的实验装置，两个相同的透明容器中密封着等质量的空气。 (1)甲实验是为了探究电流产生的热量与___________的关系，将此装置接到电源两端，通电一段时间后，电流在___________容器中产生的热量较多。（选填“A瓶”或“B瓶”） (2)如乙图所示的是探究电流产生的热量跟___________的关系，通电一段时间___________（选填“C瓶”或“D瓶”）内的电阻丝产生的热量多。 (3)小明认为只需将乙图中左边容器中的电阻丝由5Ω换成10Ω，就可以探究电流产生的热量与电阻的关系，你认为他的想法___________（选填“是”或“不是”）正确的，请解释原因___________。 【答案】(1) 电阻 B瓶 (2) 电流 C瓶 (3) 不是 没有控制通过电阻丝的电流相同 【详解】（1）甲装置中两个电阻丝串联，通过的电流和通电时间相同，只有电阻大小不同，因此是探究电流产生的热量与电阻的关系。 由图甲可知，B瓶中电阻阻值大于A瓶中电阻阻值，电流、通电时间相同时，由焦耳定律可知，电流在B瓶容器中产生的热量较多。 （2）如图乙的装置中，右边两个5Ω的电阻并联后再与左边5Ω的电阻串联；根据串联电路的电流特点可知，右边两个电阻的总电流和左边电阻的电流相等，即，两个5Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点可知，比较可知；两容器中的电阻值相等，通电时间相等，电流不同，故探究的是电流产生的热量跟电流的关系。 根据，电阻、通电时间相同时，电流越大产热越多，通过C瓶中电阻的电流大于通过D瓶中电阻的电流，因此C瓶内电阻丝产热更多。 （3）探究电流产生的热量与电阻的关系，需控制电流和通电时间相等，将乙图中左边容器中的电阻丝由5Ω换成10Ω，C瓶与D瓶中电阻阻值不相等，通过C瓶与D瓶中电阻的电流也不相等，所以不能探究电流产生的热量与电阻的关系，小明的想法不是正确的，原因是没有控制通过电阻丝的电流相同。 知道热量的概念与单位。 根据生活经验，讨论电流通过导体产生的热量可能与哪些因素有关，提出问题。 设计实验，知道实验实验器材；知道需要测量的物理量；设计实验记录表格；实验所用方法。 观看演示实验并收集数据。 对实验数据进行分析论证，归纳出结论。 进行交流讨论，知道电流产生热量的影响因素。 知道焦耳定律的内容、公式。 辨析电功和电热的关系。 做例题1。 学习新课 二、电热的利用与防止 【小组讨论】 阅读课本，结合生活经验，讨论电热的利与弊。 1. 电热的利用（电热器） 原理：利用电流的热效应工作。 核心部件：发热体（由电阻率大、熔点高的合金制成，如镍铬合金）。 实例：电饭锅、电暖器、电水壶、电熨斗。 2. 电热的防止（散热） 危害：导线过热引发火灾、电器元件损坏、效率降低。 措施： 加装散热片（如电脑CPU散热器）。 安装散热风扇（如投影仪、笔记本电脑）。 外壳开孔通风。 选用粗导线减小电阻（输电线）。 【安全教育】 播放视频《电气火灾警示》，强调不要私拉乱接电线，不要超负荷使用插座，离家切断电源。 【例题2】（多选）下列情况中，属于防止电热造成危害的是（     ） A．电视机背后有散热窗 B．家电长期不使用，隔一段时间要通电一次 C．大型用电器机身内安装散热风扇 D．大型爆破工程用电热引爆炸药 【答案】AC 【详解】A．电视机工作时会产生电热，散热窗可以把多余的热量散发出去，避免热量堆积烧坏元件，属于防止电热危害，故A符合题意； B．家电长期不用时内部容易受潮，隔一段时间通电，利用电热驱走内部潮气，属于电热的利用，故B不符合题意； C．大型用电器工作时产生电热，内置散热风扇可以加速热量排出，避免过热损坏设备，属于防止电热危害，故C符合题意； D．用电热产生的高温引爆炸药，属于电热的利用，故D不符合题意。 故选AC。 知道电热的利用及其实例。 知道电热的防止及其实例。 做例题2。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．若导体的电阻消失，家中的哪个用电器仍然可以工作（     ） A．白炽灯 B．电风扇 C．电饭锅 D．电烙铁 【答案】B 【详解】ACD．白炽灯、电饭锅、电烙铁均利用电流热效应工作，由焦耳定律，若导体电阻，则，无法产生工作所需热量，不能正常工作，故ACD不符合题意； B．电风扇工作时将电能主要转化为机械能，不需要依赖电流热效应，电阻消失时不发热，仍可正常工作，故B符合题意。 故选B。 2．下列家用电器中与智能控温电加热手套工作原理相同的是（     ） A．电风扇 B．电熨斗 C．电脑 D．电冰箱 【答案】B 【详解】智能控温电加热手套利用电流热效应工作，电能主要转化为内能。 A．电风扇工作时电能主要转化为机械能，故A不符合题意； B．电熨斗利用电流热效应工作，电能主要转化为内能，与题干用电器原理相同，故B符合题意； C．电脑工作时电能主要转化为光能、声能等，故C不符合题意； D．电冰箱工作时电能主要转化为压缩机的机械能，故D不符合题意。 故选B。 3．研究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关的实验，下列分析不正确的是（     ） A．电流通过导体产生的热量的多少是通过U形管内液面高度差来反映的 B．甲实验两电阻串联，电流和通电时间相同，探究热量与电阻的关系 C．由乙实验可得结论：电流越大，电流产生的热量越多 D．如图丙把乙实验右侧盒外的电阻放到盒内，通电相同时间仍然是左侧U形管液面高度差大 【答案】C 【详解】A．电流产生的热量无法直接观察，热量会使容器内空气受热膨胀，推动U形管液面出现高度差，因此用U形管液面高度差反映产热多少，这是转换法的应用，该分析正确，故A不符合题意； B．甲实验中两个不同阻值的电阻串联，根据串联电路特点，通过两个电阻的电流、通电时间完全相同，仅电阻大小不同，因此可以探究电流产热与电阻的关系，该分析正确，故B不符合题意； C．乙实验中两个盒内都是5Ω的电阻、通电时间相同，只有通过两个电阻的电流不同，根据控制变量法，得出的结论必须明确前提：在电阻和通电时间相同时，电流越大，导体产生的热量越多。该选项的结论缺少必要的控制条件，表述错误，故C符合题意； D．丙图中，左侧盒内是5Ω电阻，右侧盒内两个5Ω电阻并联，右侧盒内的总电阻为2.5Ω；左右两侧电阻是串联关系，通过它们的总电流、通电时间相同。根据焦耳定律，左侧电阻阻值更大，相同时间内左侧电阻产生的热量更多，因此左侧U形管液面高度差更大，该分析正确，故D不符合题意。 故选C。 4．将规格都是“220V100W”的一台电视机和一个电热毯，分别接入220V的家庭电路中，通电时间相同。电流通过这两个用电器所做的功、的大小关系是____________；这两个用电器产生的热量、的大小关系是____________。（均选填“”“”或“”） 【答案】 = < 【详解】两个用电器额定电压、额定功率均相同，接入家庭电路中都正常工作，实际功率等于额定功率，通电时间相同，由可知。因电热毯为纯电阻用电器，消耗的电能全部转化为内能，即；电视机工作时消耗的电能大部分转化为光能、声能，仅少部分转化为内能，即，故。 5．用甲、乙两根电热丝（R甲>R乙）烧水，若电源电压不变，在其他条件相同的情况下，下列情形中可使水温升高得最快的是（     ） A．只使用甲 B．只使用乙 C．两根串联 D．两根并联 【答案】D 【详解】水温升高最快对应电热丝总发热功率最大，纯电阻电路发热功率公式为，电源电压U不变，总电阻R越小，总功率P越大。根据串并联电阻规律可知，串联总电阻大于任意分电阻，并联总电阻小于任意分电阻，结合，可得四种连接方式总电阻大小关系为，故并联时总功率最大，水温升高最快，ABC不符合题意，D符合题意。 故选D。 6．电炉工作时，电炉丝通过导线接到电路里，电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热。下列说法正确的是（     ） A．通过导线的电流小于通过电炉丝的电流 B．导线的电阻大于电炉丝的电阻 C．导线的电阻小于电炉丝的电阻 D．电流通过导线时没有产生热效应 【答案】C 【详解】A．电炉丝与导线串联，由串联电路中电流处处相等的规律可知，通过二者的电流大小相等，故A错误； BC．二者串联电流I相等、通电时间t相同，电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热，说明电炉丝产生的热量远大于导线产生的热量，由焦耳定律的变形式可知，电炉丝电阻远大于导线电阻，即导线电阻小于电炉丝电阻，故B错误，C正确； D．电流通过导线有热效应，导线几乎不发热是因为产生的热量极少，所以几乎察觉不到发热，故D错误。 故选C。 7．如图所示，在铝箔条上的A、B、C三处剪出宽度相同的缺口，将铝箔条的两端连到电池的两极上，此时通过A、B、C三处的电流相同，则铝箔条上产生热量最多的地方是（    ） A．A处 B．B处 C．C处 D．无法确定 【答案】A 【详解】由图可知，铝箔条A、B、C三处串联，串联电路中的电流处处相等，所以通过铝箔条A、B、C三处的电流是相同的。A、B、C三处的铝箔条材料和长度相同，而A处铝箔条的横截面积最小，所以A铝箔条的电阻最大，根据可知，在相同时间内，A处产生的热量最多。故选A。 8．下列属于防止电流热效应产生危害的是（     ） A．使用电热水器烧水 B．电脑利用微型风扇散热 C．使用电饭锅煮饭 D．养鸡场利用电热孵化器孵小鸡 【答案】B 【详解】ACD．电热水器、电饭锅、电热孵化器均利用电流热效应将电能转化为内能来获取热量，属于电流热效应的应用，故ACD不符合题意； B．电脑工作时电流产生的热量会损坏元件，微型风扇用于散发热量，防止电流热效应产生危害，故B符合题意。 故选B。 9．小明在探究“电流产生的热量与哪些因素有关系”的实验中，在两个透明容器中密封等量的空气，各放置一段电阻丝，并分别连接一个装水的U形管，通过U形管中水面的高度差来判断电阻产生热量的多少，装置的密封性能良好，电源电压为6 V。 (1)图甲装置中的作用主要是使通过电阻、的电流______（选填“相等”或“不相等”），为了使实验现象更明显，可以将的阻值换成更_____（选填“大”或“小”）的； (2)图甲装置中，如果发生了断路，在通电时间相同的情况下，与未发生断路之前相比较，左侧U形管中液面的高度差将_____（选填“变大”“变小”或“不变”）； (3)小明猜想电流产生的热量与电阻大小有关，下列能支持他猜想的是_____： A．正常工作时，“36 V，54 W”的灯泡比“12 V，6 W”的灯泡亮 B．接线板上接入的用电器越多，导线越容易发热 C．电熨斗工作时发热明显，而与之相连的导线却不怎么热 (4)图甲装置，最终可以得到结论：_______________。 (5)为了验证猜想，小明选用了5Ω和100Ω的电阻丝进行实验，如图乙所示，闭合开关，他发现较长时间后两个U形管的高度差均不明显，原因是_____________________________。 【答案】(1) 不相等 小 (2)变小 (3)C (4)当电阻和通电时间相同时，电流越大，电流通过导体产生的热量越大 (5)乙装置中5Ω和100Ω电阻串联，总电阻为105Ω，电源电压6V，电路电流 电流极小，即使100Ω电阻产生的热量也非常少，不足以让密封的空气明显膨胀，因此U形管液面高度差均不明显。 【详解】（1）甲装置中，右侧两电阻并联后再与左侧电阻串联，容器内两电阻大小相等，根据并联和串联电路电流的规律，通过左侧容器中电阻的电流大于通过右侧容器中电阻的电流，而通电时间相同，故甲实验可以研究电流产生的热量与电流的关系，故甲装置中的电阻R3的作用主要是使电阻R1和R2​中的电流不相等； 为了使实验现象更明显，根据，在电阻和通电时间相同的条件下，应使通过两容器内的电流差别较大，由并联电路电流与电阻成反比可知，可以将R3的阻值换成更小的。 （2）甲装置中电阻丝R3发生断路，该电路为串联电路，根据并联电路的电阻关系可知，右侧的电阻变大，总电阻变大，电源电压不变，电路电流变小。根据焦耳定律，R1的阻值、通电时间不变，电流变小则产生的电热变少，左侧容器空气膨胀程度变弱，对应U形管液面高度差变小。 （3）A．正常工作时，灯泡的亮度与额定电功率有关，不能直接支持电热与电阻的关系，故A不符合题意； B．接线板上用电器越多，总电流越大，导线越容易发热，探究的是热量与电流的关系，故B不符合题意； C．电熨斗和导线串联，电流、通电时间完全相同，但电熨斗电阻远大于导线，电熨斗工作时发热明显，说明电阻大的产生热量多，能支持小明猜想电流产生的热量与电阻大小有关，故C符合题意。 故选C。 （4）图甲中R1和R2​阻值相等、通电时间相同，只有通过的电流大小不同，因此得到对应结论：在电阻和通电时间相同时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多。 （5）略。 10．小王为自己设计了一款有“加热”和“保温”两挡的暖手袋，内部电路简化如图所示，电源电压，电热丝，的阻值恒定，，。求： (1)只闭合开关时，通过电路的电流； (2)“加热”挡通电1min产生的热量。 【答案】(1)0.24A (2)432J 【详解】（1）只闭合开关时，与串联，此时 通过电路电流 （2）当，都闭合时，只有连入电路，根据电功率公式，此时电路功率最大，为“加热”挡，此时 时间，“加热”挡通电1min产生的热量 板 书 设 计 第4节 焦耳定律 一、电流的热效应 定义：电流通过导体，电能转化为内能。 二、焦耳定律 内容：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。 公式：Q = I²Rt Q: 热量(J), I: 电流(A), R: 电阻(Ω) t: 时间(s) 适用范围：所有电路 三、电功(W)与电热(Q)的关系 纯电阻电路（电炉、灯泡）：W = Q 公式通用：W = Q = UIt = I²Rt =t 非纯电阻电路（电动机）：W > Q W = UIt (总功) Q = I²Rt (热损耗) W机械 = W - Q 四、电热的利用与防止 利用：电热器（电阻率大、熔点高） 防止：散热片、风扇、通风孔 课 堂 小 结 第4节 焦耳定律 作 业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $