13.3 焦耳定律（教学设计）物理新教材沪科版（五四学制）九年级上册

13.3 焦耳定律（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 13.3 焦耳定律 教学 目标 物理观念 知道电流的热效应，理解电流通过导体时会产生热量；理解焦耳定律的内容；掌握焦耳定律的公式 Q=I2Rt及其单位；了解电流热效应在生活和生产中的应用与危害。 科学思维 通过实验探究，运用控制变量法和转换法研究电流产生的热量与电流、电阻、通电时间的关系；能运用焦耳定律分析生活中的有关现象，解决简单实际问题。 科学探究 经历“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验过程，学会设计实验方案、控制实验条件、分析实验现象。 科学态度 与责任 在实验探究中，养成严谨、规范、实事求是的科学态度；了解电流热效应的应用与危害，增强安全用电意识。 教材 分析 本节选自沪科版（五四学制）九年级上册第13章“电功率”第3节。第1节学生学习了电功的概念和计算公式W＝UIt，第2节学习了电功率的概念、公式P＝W/t＝UI以及额定功率与实际功率的关系。本节“焦耳定律”则是在此基础上，进一步研究电流通过导体时产生的热量与电流、电阻、通电时间的定量关系，是电功率知识的延伸和深化，也是能量转化与守恒定律在电学中的具体体现。 本节内容由“电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”“焦耳定律”“电流热效应的应用与防止”三部分构成。教材首先通过取暖器发热的生活情境，引出电流的热效应；然后通过“探究电流产生的热量与电流、电阻的关系”的自主活动，归纳得出焦耳定律Q＝I2Rt；接着介绍电烙铁、发热电缆、保险丝等电流热效应的应用，以及电流热效应可能带来的危害。本节内容是后续学习“家庭电路”“安全用电”等知识的直接基础，也是理解电热器工作原理和电路安全问题的关键，在电学知识体系中起着承上启下的重要作用。 学情分析 学生已经学习了电功（W＝UIt）和电功率（P＝W/t＝UI）的概念和计算公式，理解了电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，知道了额定功率与实际功率的关系。学生已经掌握了欧姆定律（I＝U/R）和串并联电路中电流、电压的特点，能够运用这些知识进行简单的电路分析。学生已初步掌握控制变量法，能够运用该方法设计实验方案。学生在日常生活中接触过电热器（如电热水壶、取暖器、电熨斗），对电流的热效应有感性认识。 九年级学生已具备一定的抽象思维能力和实验探究能力，能够运用控制变量法设计实验方案。但焦耳定律涉及三个变量（电流、电阻、通电时间）与热量的关系，学生在实验设计和数据分析上存在一定困难。此外，焦耳定律的公式Q＝I²Rt与电功公式W＝UIt容易混淆，学生需要理解两者的区别与联系——在纯电阻电路中，电能全部转化为内能，W＝Q；在非纯电阻电路中（如电动机），电能只有一部分转化为内能，W＞Q。 教学重点 1. 探究电流产生的热量与电流、电阻、通电时间关系的实验方法。 2. 焦耳定律的内容、公式 Q=I2Rt及其应用。 3. 电流热效应在生活中的应用与危害。 教学难点 1. 理解焦耳定律的定量关系。 2. 区分电功与电热。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 情境导入，引出问题 1. 展示图片：展示取暖器工作的场景。提问：“在寒冷的冬日，我们可以打开取暖器使房间温度升高。取暖器放出的热量从何而来呢？这些金属丝又起什么作用呢？” 2. 引导分析：取暖器内部布满了一圈圈紧密缠绕的金属丝，通电后金属丝发热，放出热量。 3. 引出概念：电流通过导体时，导体会发热，内能增加，这种现象叫做电流的热效应。 4. 提出问题：电流产生的热量与哪些因素有关？ 5. 引出课题：今天我们就来探究电流产生的热量与哪些因素有关——焦耳定律。 【设计意图】从生活情境入手，引出电流的热效应，自然过渡到探究电流产生热量的影响因素。 观察图片，思考并回答问题。进入学习状态。 学习新课 电流通过导体产生的热量与哪些因素有关？ 一、实验探究——电流产生的热量与哪些因素有关 1. 引导猜想：电流产生的热量可能与哪些因素有关？（通电时间、电流、电阻） 2. 方法指导： （1）控制变量法：探究热量与电阻的关系时，控制电流和通电时间不变；探究热量与电流的关系时，控制电阻和通电时间不变。 （2）转换法：通过观察煤油温度的变化（温度计示数的变化）来判断电流产生热量的多少。 3. 实验一：探究热量与电阻的关系 （1）按图所示，将甲、乙电热丝串联接入电路（甲、丙电阻相等，乙电阻较大）。 （2）接通电源一段时间后断开，观察比较两瓶中煤油的最终温度。 （3）引导分析：串联电路中电流相等，通电时间相同，乙电热丝电阻较大，乙瓶中煤油温度升高更多——电阻越大，产生的热量越多。 4. 实验二：探究热量与电流的关系 （1）按图所示，将丙电热丝单独接入电路，设法使通过它的电流与实验1中通过甲电热丝的电流大小明显不同，但通电时间相同。 （2）观察比较甲、丙所在瓶中煤油的最终温度。 （3）引导分析：甲、丙电阻相等，通电时间相同，通过丙的电流较大，丙瓶中煤油温度升高更多——电流越大，产生的热量越多。 5. 归纳总结：通过导体的电流越大、导体电阻越大、通电时间越长，产生的热量越多。 【设计意图】通过实验探究让学生亲身经历科学探究过程，运用控制变量法和转换法研究电流产生热量的影响因素。通过对比实验，直观感受电阻和电流对热量的影响。 二、焦耳定律 1. 介绍焦耳的实验：焦耳通过实验研究，于1840年发现了电流通过导体时产生的热量与电流、电阻、通电时间的定量关系。 2. 给出焦耳定律：电流通过导体时产生的热量，与电流的二次方成正比，与导体电阻成正比，与通电时间成正比。这一规律称为焦耳定律（Joule's law），可表示为Q＝I²Rt。 3. 讲解各物理量的单位：电流I的单位是安（A），电阻R的单位是欧（Ω），时间t的单位是秒（s），热量Q的单位是焦（J）。 4. 强调：焦耳定律适用于所有电路——无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电流产生的热量都可以用Q＝I²Rt计算。 5. 对比W＝UIt与Q＝I²Rt： （1）在纯电阻电路中（如电热器），电能全部转化为内能，W＝Q，即UIt＝I²Rt； （2）在非纯电阻电路中（如电动机），电能只有一部分转化为内能，W＞Q。 【设计意图】从实验事实上升到物理规律，建立焦耳定律。通过对比W＝UIt与Q＝I²Rt，帮助学生理解两者的区别与联系，突破教学难点。 【例题1】实验发现，灯泡两端电压越大，电流越大，灯泡越亮。该过程是通过电流做功将电能转化为___________能。当电压超过一定限值，灯泡就烧坏了。灯泡被烧坏本质上是电流的___________效应使灯丝（钨）熔化，电路断路。 【答案】 内能和光 热 【例题2】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) = 【例题3】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 【例题4】将两根电阻丝、分别插入甲、乙两瓶等量煤油中，串联接入电路，。通电一段时间后，、产生的热量之比为（     ） A．3∶2 B．2∶3 C．9∶4 D．4∶9 【答案】A 【例题5】如图所示是两挡电饭锅内部的简化电路图，R1、R2均为发热电阻，将开关S分别置于1、2两位置时，电饭锅处于不同挡位。已知R1、R2的阻值均为110Ω。当开关S置于2位置时，电饭锅处于__________（选填“高温”或“低温”）挡，该挡位正常工作10min产生的热量是__________ J。 【答案】 低温 2.64×105 参与猜想，设计实验方案。分组进行实验，观察并记录实验现象： （1）实验一中乙瓶中煤油温度升高更多； （2）实验二中丙瓶中煤油温度升高更多。 分析数据，归纳结论：电流产生的热量与电流、电阻、通电时间有关。 记录焦耳定律的内容和表达式。理解各物理量的单位。理解Q＝I²Rt与W＝UIt的区别与联系。 学习新课 哪些常见现象与电流热效应有关？ 1. 应用： （1）展示电烙铁、发热电缆等图片，介绍电流热效应在生活生产中的应用。 （2）介绍熔丝（保险丝）的原理：当通过熔丝的电流超过一定限度时，其温度将达到熔点而熔断，电路随之切断，以此保证用电安全。 2. 危害与防止： （1）大功率用电器持续发热可能影响其性能，甚至缩短使用寿命，因此提高用电器散热性能非常重要。 （2）电路发生短路故障时，电流会急剧增大，短时间内产生大量的热量，造成用电器损坏，甚至引发火灾。 3. 引导分析： （1）电热水壶工作时，水壶中加热用的电热丝会明显发热，但电源线却不热，这是为什么呢？ （2）如果想让取暖器的取暖效果更好，取暖器应该换用电阻更大还是更小一些的电热丝？ 【设计意图】通过生活实例，让学生了解电流热效应的应用和危害，培养安全用电意识。通过“电热丝热但电源线不热”的分析，培养学生综合运用焦耳定律和串联电路特点分析问题的能力。 【例题6】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】 = < 【例题7】将规格都是“220V  100W”的一台电风扇、一台电视机和一把电熨斗分别接入家庭电路中，通电时间相同，下列说法正确的是（     ） A．电风扇产生的热量最多 B．电视机产生的热量最多 C．电熨斗产生的热量最多 D．三个用电器产生的热量一样多 【答案】C 观察图片，了解电流热效应的应用。理解熔丝的工作原理。分析“电热丝热但电源线不热”的原因：电热丝与电源线串联，电流相等，但电热丝电阻远大于电源线电阻，根据Q＝I²Rt，电热丝产生的热量远多于电源线。讨论取暖器电热丝的选择问题。 课堂练习 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 2．一个额定功率为1000W的电热水壶装有1.5kg初温为20℃的水。正常工作将水烧开（100℃）所用时间为9min，则水吸收的热量为________J，电热水壶放出的热量为________J，该电热水壶的效率为________（计算结果保留两位小数）。[水的比热容为] 【答案】 【详解】水吸收的热量为 电热水壶放出的热量 电热水壶的效率为 3．如图所示，开关S闭合后，发现、两只电流表的指针恰好偏转到同一位置，若通过的电流为，，则通电电阻产生的热量为________。 【答案】96 【详解】由图可知，与并联，并联电路各支路电压相等，两端电压为 电流表测量干路电流；电流表测量通过的支路电流。根据并联电路电流规律，可知干路电流大于支路电流。因为、两只电流表的指针恰好偏转到同一位置，说明二者选用的量程不同，选用大量程，分度值为；选用小量程，分度值为，相同指针位置下，大量程电流表的示数是小量程电流表示数的倍，即，由，可得，解得。通电1min电阻产生的热量为 4．如图所示是两个实验室中常用的定值电阻R1和R2，两电阻均由粗细均匀、材料相同的电阻丝缠绕在相同的圆柱形绝缘棒上制成，绕制R1比绕制R2所用的电阻丝更粗、且缠绕的圈数更少。将R1、R2串联在电路中工作一段时间，说法正确的是（     ） A．R1的电流更大 B．R1与R2两端的电压相同 C．通过R1与R2 电流一样大 D．电流通过R1产生的热量更多 【答案】C 【详解】由题意可知，与材料相同，的电阻丝更粗且圈数更少，即的长度更短、横截面积更大，故。 AC．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，即，故A错误，C正确； B．设电路电流为，由可得两端电压，两端电压，因，故，故B错误； D．设通电时间为，由可得电流通过产生的热量，通过 产生的热量，因，故，故D错误。 故选C。 5．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。 6．一台线圈电阻为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。 7．如图所示电路中，电源电压不变，电阻的阻值为10Ω，当只闭合开关S后，电流表的示数为0.3A。 (1)求电源两端的电压； (2)若S和S1都闭合，电流表示数为0.4A，求电阻的电功率； (3)若S和S1都闭合，求整个电路在1min内产生的热量。 (4)当 S 和S1都闭合时，求电阻在2min内产生的热量。 【答案】(1)3V (2)0.3W (3)72J (4)36J 【详解】（1）由图可知，当只闭合开关S时，电路为的简单电路，电流表测电路中的电流，电源电压为 （2）开关S、均闭合时，和并联，电流表测干路的电流，由并联电路的特点可知，此时通过的电流不变，由并联电路电流特点可知，通过的电流为 由并联电路电压特点可知， 电阻的电功率 （3）开关S、均闭合时，整个电路在1min内产生的热量 （4）开关S、均闭合时，电阻在2min内产生的热量 8．在做“探究电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”实验时，在装有初温相同、质量相同的煤油的瓶子内装入铜丝和镍铬合金丝（），如图所示。 (1)实验中是通过观察_______来推断电流产生热量的多少；为了在较短的时间内达到明显的实验效果，选用煤油而不用水做实验，是因为煤油比热容较小而具有升温_______的特点（选填“慢”或“快”）； (2)图中，将铜丝和镍铬合金丝串联，是为了控制_______和通电时间相同。闭合开关，移动滑动变阻器的滑片在某一位置，一段时间后观察到B瓶中温度计的示数大于A瓶中温度计的示数，可得出结论：在其他条件一定时，_______越大，电流通过导体产生的热量越多； (3)写出一个该实验中用到的实验方法：_______。 【答案】(1) 温度计示数的变化 快 (2) 电流 电阻 (3)转换法/控制变量法 【详解】（1）[1]电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，而煤油吸收热量会升温，温度计示数的变化能反映煤油吸收热量的多少，从而推断电流产生热量的多少，这是转换法的应用。 [2]根据，可知在质量相同、吸收热量相同，即电流产生热量相同时，比热容越小，温度变化量越大。因为煤油比热容比水小，所以相同条件下煤油升温快，能在较短时间内达到明显实验效果。 （2）[1]由图分析可知，铜丝和镍铬合金丝串联在电路中，经过二者的电流相等，所以是为了控制通过它们的电流和通电时间相同。 [2]闭合开关，移动滑动变阻器的滑片在某一位置，一段时间后观察到B瓶中温度计的示数大于A瓶中温度计的示数，说明镍铬合金丝产生的热量更多。由于B瓶中的镍铬合金丝电阻大于A瓶中的铜丝电阻，且通过它们的电流和通电时间相同，因此可以得出结论：在其他条件一定时，电阻越大，电流通过导体产生的热量越多。 （3）实验中，使用了转换法，将电流产生热量的多少转换为温度计示数上升的多少，便于观察。还使用了控制变量法，探究电流产生的热量与其中一个因素的关系时，控制了其它条件不变。 9．某款小型电火锅具有高、中、低三挡控温功能，如图是它的简化电路图。开关可接触点1或2，、为加热电阻且，电火锅的部分参数如表所示，。画出三个挡位的等效电路图，求 电源电压/V 220 低温挡功率/W _______ 中温挡功率/W 550 高温挡功率/W 1100 (1)的阻值。 (2)电火锅在低温挡工作时的电流。 (3)在标准大气压下，使用高温挡将质量为、初温为的水烧开需要的时间（不计热量损失）。 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）根据电源电压不变时，总电阻越大，总功率越小； 高温挡：闭合，接触点“2”时，与并联，总电阻最小，总功率最大； 低温挡：断开，接触点“1”时，与串联，总电阻最大，总功率最小 中温挡：只闭合，只有接入电路工作；已知中温挡功率。由得 （2）与串联时，总电阻最大，处于低温挡。因，故总电阻 由得 （3）与并联，总电阻最小，处于高温挡，总功率，不计热量损失时。标准大气压下沸水温度为，水吸收的热量 由得 板书设计 13.3 焦耳定律 一、电流的热效应 定义：电流通过导体时，导体会发热，内能增加 实质：电能转化为内能 二、探究：电流产生的热量与哪些因素有关 方法：控制变量法、转换法（通过煤油温度变化反映热量多少） 结论：电流越大、电阻越大、通电时间越长，产生的热量越多 三、焦耳定律 内容：电流通过导体时产生的热量，与电流的二次方成正比，与导体电阻成正比，与通电时间成正比 公式：Q＝I²Rt 单位：I—A，R—Ω，t—s，Q—J 适用范围：所有电路 四、电流热效应的应用与防止 应用：电热水器、电烙铁、发热电缆、保险丝 防止：散热、避免短路、不超负荷用电 教学反思 实验准备时间较长：本实验需要准备煤油、温度计、烧瓶等器材，实验准备时间较长，且煤油温度变化需要一定时间才能观察到明显差异。改进：可提前预热实验器材，缩短课堂等待时间；也可采用温度传感器代替温度计，实时记录温度变化数据，提高实验效率；还可录制实验视频作为备用方案。 “热量与电流的二次方成正比”的理解需强化：学生容易将“热量与电流的二次方成正比”误记为“热量与电流成正比”。改进：在教学中反复强调“二次方”的含义，可通过具体数据计算（如电流变为原来的2倍，热量变为原来的4倍）帮助学生理解；设计针对性辨析题进行巩固。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $