18.4 焦耳定律 （导学案）物理新教材人教版九年级全一册

第4节 焦耳定律 （导学案） 【学习目标】 1. 知道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；理解焦耳定律的内容——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，表达式为 Q=I2Rt；知道焦耳定律对纯电阻电路和非纯电阻电路均适用；知道电热的利用和防止。 2. 经历“现象—猜想—设计—实验—归纳”的完整探究过程，运用控制变量法分别探究电热与电阻、电流、时间的关系；理解转换法在本实验中的运用；能由 Q=W在纯电阻条件下推导焦耳定律与电功公式的关系，区分纯电阻与非纯电阻电路中电功与电热的联系与区别。 3. 能与同伴合作完成“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验，规范操作、记录现象、分析数据并归纳结论；能对实验方案的合理性作出初步评价，知道串联和并联在控制变量中的不同作用。 4. 通过了解焦耳在质疑声中坚持精确测量的科学史实，体会严谨、执着的科学精神；通过电热利用与电热危害的对比，形成安全用电和节能意识；在“直流融冰”等真实问题中感受物理知识服务社会的价值。 【学习重点】 1. 通过实验探究电流产生的热量与电阻、电流、通电时间的关系； 2. 理解焦耳定律 Q=I2Rt的物理意义并应用于简单计算； 3. 区分纯电阻电路与非纯电阻电路中电功与电热的关系。 【学习难点】 1. 实验方案的设计，特别是“如何改变电流而保持电阻不变”以及“如何把不可见的热量转化为可见的现象”； 2. 理解 Q=I2Rt对任何电路都适用，而 Q=W只在纯电阻电路中成立； 3. 在含电动机等非纯电阻用电器的简单问题中正确选择电功公式与电热公式。 【自主预习】阅读教材《第4节 焦耳定律》，完成以下问题： 1. 电流通过导体时电能转化为______，这种现象叫做电流的热效应。 2. 焦耳定律的内容：电流通过导体产生的热量跟______成正比，跟______成正比，跟______成正比。公式是______。 3. 在焦耳定律公式 Q=I2Rt中，I的单位是______，R的单位是______，t的单位是______，Q的单位是______。 4. 在纯电阻电路中，电能全部转化为内能，电功______电热，即 W______Q（选填“>”“<”或“=”），此时 Q=W=UIt=I2Rt=U2/Rt。 5. 在非纯电阻电路（如电动机）中，电能主要转化为______能，同时有少量转化为______能，电功______电热，即 W______Q（选填“>”“<”或“=”），电热只能用公式______计算。 6. 电热水器、电饭锅利用了电流的______效应；电视机外壳的散热孔、电动机外壳的散热片是为了防止电热带来的______。 答案： 1. 内能 2. 电流的二次方；导体的电阻；通电时间；Q=I2Rt 3. A；Ω；s；J 4. 等于；= 5. 机械；内；大于；>；Q=I2Rt 6. 热；危害 【课堂探究】 探究一、电流的热效应 1. 定义 电流通过导体时电能转化为内能，这种现象叫做电流的热效应。 2. 能量转化视角 （1）电热水壶：电能几乎全部转化为内能。 （2）电动机：电能主要转化为机械能，同时有少量转化为内能（电机发热）。 3. 演示实验引入 将一段电炉丝与一段等长的铜导线串联接入电路，通电一段时间后： （1）现象：电炉丝明显发热甚至发红，铜导线几乎不热。 （2）分析：通过电炉丝和铜导线的电流相同，通电时间也相同，但电阻不同，发热程度相差悬殊。 （3）猜想：电热可能与电阻 R、电流 I、时间 t有关。 附加情境 2008年南方雪灾中，电线覆冰导致杆倒线断，科技人员采用“直流融冰”技术让冰熔化——其基本物理原理正是电流的热效应。 特别提醒： （1）电流的热效应是电能转化为内能，不是“产生热量”凭空而来。 （2）电热的多少与多个因素有关，需要用控制变量法逐一研究。 【典例1】如图所示的手机采用了具有中国自主知识产权的芯片，因而受到了广泛的关注，给手机充电时，手机的电池相当于 ，给手机充电的过程中，是将电能转化为 能，在拔充电器时发现充电器发烫，充电头发热现象是因为电流具有 效应。 【答案】 用电器 化学 热 【详解】 给手机充电时，电池需要消耗电能，相当于用电器。 充电过程中，电池将消耗的电能转化为化学能储存起来。 充电器发烫，是电流通过导体时，电能转化为内能，其温度升高，所以感觉发烫，发热现象是电流具有热效应。 【典例2】如图所示是一款暖宝宝，通电后其内部加热棒可以对液体进行加热，这是利用了电流具有______效应。在加热过程中，加热棒将电能转化为_____能，为了能使暖宝放出更多的热量，暖宝内应充入比热容_____（填“大”或“小”）的液体。 【答案】热，内，大。 【详解】加热棒可以对液体进行加热是因为由于电流的热效应，电流流过导体时产生热量。 加热过程中，电能转化为暖宝内液体的内能，使其内部液体温度升高。 由吸热公式可得，在相同的条件下，比热容大的液体放出的热量更多，所以想要使暖宝放出更多的热量，应该选用比热容大的液体。 探究二、实验探究：电热与哪些因素有关 1. 实验方法 （1）控制变量法：研究电热与电阻的关系时，控制电流和通电时间相同；研究电热与电流的关系时，控制电阻和通电时间相同；研究电热与时间的关系时，控制电阻和电流相同。 （2）转换法：热量无法直接“看见”，但可以使密闭容器中的空气受热膨胀，推动U形管液面上升。液面高度差越大，说明电阻丝放出的热量越多。 2. 探究电热与电阻的关系 （1）电路设计：将两个阻值不同的电阻丝（如 R1<R2）串联接入电路，保证电流和通电时间相同。 （2）现象：R2所在容器对应的液面高度差更大。 （3）结论：在电流、通电时间相同时，电阻越大，电流产生的热量越多。 3. 探究电热与电流的关系 （1）电路设计：保持电阻和通电时间相同，改变通过电阻丝的电流。可在其中一个容器内的电阻丝两端并联一段电阻丝（或利用演示器的并联装置），使通过两个容器内电阻丝的电流不同。 （2）现象：电流较大的容器对应的液面高度差更大。 （3）结论：在电阻、通电时间相同时，电流越大，电流产生的热量越多，且进一步定量实验表明与电流的二次方成正比。 4. 探究电热与时间的关系 （1）电路设计：保持电阻和电流相同，延长通电时间。 （2）现象：液面高度差继续增大。 （3）结论：在电阻、电流相同时，通电时间越长，电流产生的热量越多。 5. 实验注意事项 （1）连接电路时开关断开，滑动变阻器置于最大阻值端； （2）读数时U形管液面待稳定后记录； （3）实事求是记录数据，不拼凑、不改数； （4）比较热量多少时，必须控制其他变量相同。 特别提醒： （1）为什么用U形管液面高度差而不用温度计？因为气体受热膨胀比液体温度变化更明显，转换效果更好。 （2）串联保证电流相同，并联可用于改变电流，这是控制变量法在电路设计中的具体运用。 【典例3】如图所示是“探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关”的实验装置，将四段电阻丝a、b、c、d分别密封在完全相同的盒子内，盒内封闭一定量的空气，其中图乙中另取阻值为5Ω的电阻在盒外与盒内电阻并联。 （1）在实验中电流通过电阻时产生热量的多少是通过观察U形管中 来比较的，应用的物理科学探究方法是 ； （2）图甲可探究电流产生的热量与 的关系，通电一段时间后， （选填“左”或“右”）侧盒子中的电阻产生的热量多； （3）由公式可知，图乙中左右两侧盒子中的电阻产生的热量之比为 。 【答案】（1）液面的高度差，转换法；（2）电阻大小，右；（3）4:1 【详解】 （1）电流通过导体产生热量的多少不易直接观察，透明容器中密封着等量的空气，电阻丝产生热量越多，气体膨胀程度越大，U形管液面的高度差越大，故可通过U形管液面的高度差来反映电阻丝产生的热量多少，采用了转换法。 （2）甲装置中，两电阻串联，通过两电阻的电流和通电时间相同，而电阻阻值大小不同，故该装置用来探究电流产生的热量与电阻大小的关系。 通电一段时间后，根据Q=I2Rt可知，当通过电阻的电流和通电时间相同时，电阻阻值越大，产生的热量越多，因右侧容器中电阻大，故右侧盒子中的电阻产生的热量多。 （3）由串联和并联电路电流的规律可知，通过乙中左右两容器内两电阻的电流之比为2:1，根据Q=I2Rt可知，在电阻和通电时间相同时，产生热量与电流的平方成正比，故图乙中左右两侧盒子中的电阻产生的热量之比为4:1。 【典例4】用如图所示的装置探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，相同烧瓶内装满了煤油。 （1）烧瓶中装入的煤油是 （选填“导体”或“绝缘体”）； （2）在探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”时应控制 和 相同； （3）在甲烧瓶外面并联一电阻的目的是使甲、乙两个烧瓶内电阻丝的 不同； （4）用Q=I2Rt可以算电流通过任何用电器产生的热量，能用Q=UIt计算电流通过任何用电器产生的热量吗？请用实例说明原因 。 【答案】（1）绝缘体；（2）电阻，通电时间；（3）电流；（4）见解析 【详解】 （1）绝缘体是指不容易导电的物体。煤油中不存在大量能够自由移动的带电粒子，所以煤油不容易导电，是绝缘体。 （2）根据控制变量法，在探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”时，需要控制电流不同而其他可能影响热量产生的因素相同。而电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间有关，所以应控制电阻和通电时间相同。 （3）根据并联电路电流的规律可知，通过R1的电流小于通过R2的电流；在甲烧瓶外面并联一电阻的目的是使甲、乙两个烧瓶内电阻丝的电流不同。 （4）用Q=I2Rt可以算电流通过任何用电器产生的热量，而W=UIt是计算电功的普遍适用的公式，Q=W的条件是：纯电阻即不含有电动机等的电路（将电能全部转化为内能的电路）。如含有电动机的电路，电流做的功大部分转化为机械能，有一小部分转化为内能，即发热了，则W=UIt>Q，所以，Q=UIt不能计算电流通过任何用电器产生的热量。 探究三、焦耳定律 1. 额定电压与额定功率 1. 焦耳定律的内容 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 Q=I2Rt 各量单位：I—A，R—Ω，t—s，Q—J。 3. “二次方”的含义 电流变为原来的2倍，在电阻和时间不变时，电热变为原来的4倍，而不是2倍。这是本节最容易被忽视的定量特征。 4. 历史附加信息 焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）并非学院派出身的物理学家，而是一位经营啤酒厂的业余科学家。在19世纪上半叶，“热素说”仍被许多学者相信，热被当作一种可以流动的物质。焦耳从1840年起，用极其精巧的实验测量电流产生的热、机械做功产生的热，甚至用重物下落带动搅拌器使水温升高，以惊人的耐心反复测量热功当量。他的论文最初并未受到重视，甚至被当作“乡下的业余爱好者”的成果。但正是这种对精确测量的坚持，使他不仅发现了焦耳定律，也为能量守恒定律的建立提供了坚实的实验基础。焦耳的故事告诉我们：科学规律的确立，不靠直觉的“看起来对”，而靠可重复、可检验的测量。 特别提醒： （1）焦耳定律 Q=I2Rt对纯电阻和非纯电阻电路都适用，是普适式。 （2）计算时时间单位必须用 s，不能直接用 min 或 h。 （3）不要与Q=UIt或Q=U2/Rt无条件混用，后两式只在纯电阻电路中成立。 【典例5】小明同学在班会活动课上表演了一个小魔术：用金属片点燃火柴，将一金属片接在学生电源上（如图所示），他将火柴放在哪个位置效果最明显（　　） A．a点 B．b点 C．c点 D．都一样 【答案】A 【详解】 影响电阻大小的因素是材料、长度、横截面积，由题图可知，a点横截面积最小，故a的电阻最大，abc是串联的，电流相同，根据Q=I2Rt可知，在相同时间内a产生的热量多，故放在a点效果明显。故A符合题意，BCD不符合题意。 故选：A。 【典例6】关于电流通过导体时产生的热量，以下说法正确的是（　　） A．根据Q=I2Rt可知，电阻越大，相同时间内产生的热量越多 B．根据可知，电阻越大，相同时间内产生的热量越少 C．根据Q=UIt可知，相同时间内，电流产生的热量与电阻无关 D．根据Q=I2Rt可知，在电流一定时，电阻越大，相同时间内产生的热量越多 【答案】D 【详解】 A．没有说明控制电流一定，故缺少条件，结论不一定正确，故A错误； B．没有说明控制电压一定，故缺少条件，结论不一定正确，故B错误； C．此公式是导出式，只能说明电热在数值上等于电流、电压、时间的乘积，与电阻是否有关要看定义式，故C错误； D．电流、时间一定时，电热与电阻成正比，故D正确。 故选：D。 探究四、纯电阻电路与非纯电阻电路 1. 纯电阻电路 电能全部转化为内能（如定值电阻、白炽灯正常工作时的灯丝、电热水器）。此时电功等于电热： Q=W=UIt=I2Rt=U2/Rt 2. 非纯电阻电路 电能转化为内能和其他形式的能（如电动机主要转化为机械能，同时有少量内能）。此时电功大于电热： W=UIt > Q=I2Rt 电热只能由Q=I2Rt计算，不能用Q=UIt或Q=U2/Rt计算。 3. 对比表 电路类型 能量转化 电功与电热 电热计算 纯电阻 电能→内能 W=Q Q=I2Rt=UIt=U2/Rt 非纯电阻 电能→内能+其他能 W>Q 只能 Q=I2Rt 4. 电动机问题辨析 电动机两端电压为U，通过的电流为I，线圈电阻为R。能否用UIt 计算它产生的热量？不能。UIt 是消耗的总电能，其中大部分转化为机械能，只有I2Rt转化为内能。 特别提醒： （1）判断电路类型是选公式的前提：纯电阻电路三个公式均可；非纯电阻电路只能用Q=I2Rt算电热。 （2）焦耳定律Q=I2Rt对两种电路都适用，但Q=W只在纯电阻电路中成立。 （3）电动机不转时（如卡住），可视为纯电阻电路，此时 W=Q。 【典例7】有一台“3V 3W”的迷你小电风扇（如图所示），电动机的线圈电阻为 0.1 Ω，忽略一切摩擦，下列说法不正确的是（　　） A．小电风扇正常工作 1min消耗的电能为 180 J B．小电风扇正常工作 1min产生的热量为 6J C．若小电风扇的扇叶被卡住，通电1min产生的热量为180J D．小电风扇正常工作 1min产生的机械能为 174J 【答案】C 【详解】A．小电风扇正常工作1min消耗的电能 故A正确，不符合题意； B．正常工作时，通过小电风扇的电流 1min产生的热量 故B正确，不符合题意； C．若小电风扇被卡住，此时通过电动机的电流 通电1min产生的热量 故C错误，符合题意； D．小电风扇正常工作1min产生的机械能 W机械=W-Q=180J-6J=174J 故D正确，不符合题意。 故选：C。 【典例8】计算机的散热电风扇两端的电压为12V，通过它的电流为2A，电风扇线圈的电阻为0.6Ω，则工作10s钟消耗的电能为________J，产生的热量是________J，效率为________。 【答案】240，24，90%。 【详解】 工作10s钟消耗的电能为 W=UIt=12V×2A×10s=240J 产生的热量是 Q=I2Rt=（2A）2×0.6Ω×10s=24J 探究五、电热的利用与防止 1. 电热的利用 电热水器、电饭锅、电熨斗、电热毯、养鸡场的孵化器等，都是利用电流的热效应工作。 2. 电热的防止 （1）电视机、电脑的散热孔； （2）电动机外壳的散热片； （3）输电导线不能过细（电阻过大导致Q=I2Rt过大）； （4）充电器不宜长时间插在插座上。 3. 辩证看待 同一种效应，在需要时是“有用”的，在不需要时就是“有害”的。物理知识不替人做价值判断，但能帮助人做出更安全、更高效的选择。 特别提醒： （1）用 Q=I2Rt解释“为什么导线不能太细”：导线越细，电阻越大，相同电流和时间内产生的热量越多，容易引发火灾。 （2）用 Q=I2Rt解释“为什么电器要留散热孔”：散热孔增大散热面积，加快热量散失，防止电器过热损坏。 【典例9】下列情况中属于防止电热带来危害的是（　　） A．电熨斗熨衣服 B．大型爆破工程，利用电热装置引爆炸药 C．电动机外壳有散热片 D．用电器长时间停用，隔一段时间应通一次电 【答案】C 【详解】 A．电熨斗熨衣服利用电流的热效应工作，故A不符合题意； B．利用电热装置引爆炸药，是利用了电热，故B不符合题意； C．散热片工作时主要把电能转化为机械能，散热片不是利用电流热效应工作的，是为了把各电器元件产生的热量及时散失掉，故C符合题意； D．用电器长时间停用，隔一段时间应通电一次，是利用电热来驱潮，故D不符合题意。 故选：C。 【典例10】电流的热效应在科研、生产、生活中被广泛应用，有时使用不当也会给人们带来危害。下列情况中属于利用电流热效应的是（ 　　） A．电脑两侧有散热孔 B．冬天用电暖气取暖 C．电视机的后盖有许多孔 D．“超导体”技术在远距离输电中的应用 【答案】B 【详解】 AC．电脑两侧的散热孔和电视机后盖上的孔，都是为了使用电器工作时产生的热量及时散发，避免用电器过热，故AC不符合题意； B．冬天用电暖气取暖是利用电流热效应产生的热量，故B符合题意； D．“超导体”电阻为0，所以在输电的过程中，不会产生热量，故D不符合题意。 故选：B。 【归纳整理】 第4节 焦耳定律 【课堂练习】 1．下列四种用电器，其中主要是利用电流热效应来工作的是（　　） A．电风扇 B．电冰箱 C．电视机 D．电水壶 【答案】D 【详解】 A．电风扇工作时，主要是电能转化为机械能，不是利用电流的热效应，故A不符合题意； B．电冰箱是利用通电线圈在磁场中受到磁场力而转动，将电能转化成机械能，不是利用电流的热效应，故B不符合题意； C．电视机、电脑工作时主要转化为光能和声能，不是利用电流的热效应，故C不符合题意； D．电水壶工作时，电能转化为内能，是利用电流的热效应，故D符合题意。 故选：D。 2．下列应用属于电热防止的是（　　） A．鸡苗孵化器 B．手机内安装石墨片 C．电热毯 D．通电的电炉丝 【答案】B 【详解】 ACD．鸡苗孵化器、电热毯、通电的电炉丝，都是利用电流的热效应来获得需要的热量，属于电热的利用，故ACD不符合题意； B．手机工作时产生的热量会损坏内部电子元件，安装石墨片是利用石墨良好的导热性散发热量，避免热量堆积，属于电热的防止，故B符合题意。 故选：B。 3．小红在厨房里发现正在煮饭的电饭锅温度很高，但是连接电饭锅跟电源插座的导线温度仅略高于室温。对这个现象，下列解释正确的是（　　） A．电流通过导线时不会产生热量 B．通过电饭锅加热丝的电流大于通过导线的电流 C．电饭锅加热丝两端的电压等于导线两端的电压 D．电饭锅加热丝上的电功率大于导线上的电功率 【答案】D 【详解】 A．电流通过导线时，因导线有电阻，会产生热量，故A错误； B．电饭锅加热丝与导线串联，串联电路中电流处处相等，故两者电流相同，故B错误； C．串联电路中，电压与电阻成正比，加热丝电阻远大于导线电阻，故加热丝两端电压远大于导线两端电压，故C错误； D．根据 ，电流 I 相同，加热丝电阻 R 远大于导线电阻，因此加热丝的电功率远大于导线的电功率，电功率越大，相同时间内产生的热量越多，温度越高，故D正确。 故选：D。 4．关于电功、电能、电热和电功率，下列说法中正确的是（　　） A．对所有用电器来说，电流做功的多少等于用电器消耗电能的多少 B．电视机消耗电能的多少等于电视机中产生电热的多少 C．某用电器的电功率越大，它消耗的电能越多 D．电流产生热量相同的用电器，消耗的电能一定相同 【答案】A 【详解】A．电流做功的过程就是用电器消耗电能的过程，电流做了多少功，用电器就消耗了多少电能，故A正确； B．电视机工作时，电能主要转化为光能、声能等其他形式的能，只有少量转化为电热，因此消耗的电能远大于产生的电热，故B错误； C．用电器消耗的电能由电功率和通电时间共同决定，公式为，电功率大的用电器，若通电时间很短，消耗的电能也可能很少，故C错误； D．不同用电器的能量转化情况不同，例如电暖器电能几乎全部转化为电热，而电风扇电能主要转化为机械能，只有少量转化为电热，因此电流产生热量相同时，消耗的电能不一定相同，故D错误。 故选：A。 5．如图所示是两个实验室中常用的定值电阻和，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，绕制比绕制所用的电阻丝更粗、且缠绕的圈数更少。将、并联在电路中工作一段时间。关于和相关物理量的比较，下列说法正确的是（　　 ） A．通过的电流更小 B．两端的电压更大 C．消耗电能更快 D．电流通过产生的热量更多 【答案】C 【详解】 AB．电阻的大小与导体的材料、长度、横截面积和温度有关。两电阻丝材料相同，R1的电阻丝更粗，即横截面积大、缠绕圈数更少，即长度更短，则。并联电路中各支路两端的电压相等，都等于电源电压，所以R1和R2两端的电压相等；根据欧姆定律，可知通过R1的电流大于通过R2的电流，故AB错误； C．电功率表示电流做功的快慢，R1和R2两端的电压相等，且，根据，可知R1的电功率大于R2的电功率，即R1消耗电能更快，故C正确； D．R1和R2两端的电压相等，工作时间相同，且，根据公式，可知电流通过R1产生的热量更多，故D错误。 故选：C。 6．如图在“探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”的实验中，下列说法正确的是（    ） A．甲实验中将两个电阻串联，只是为了保证通过两个电阻的电流相等 B．乙实验是为了探究电流通过导体产生的热量与导体电阻的关系 C．甲实验中，通电一段时间后，左右两容器内电阻丝产生的热量之比为2∶1 D．乙实验中，通电一段时间后，左右两容器内电阻丝产生的热量之比为4∶1 【答案】D 【详解】AC．甲实验中将两个不同的电阻串联，根据串联电路特点和串联电路的电流规律，可以保证通过两个电阻的电流和通电时间相等，则探究的是电流通过导体产生的热量与电阻的关系，左右两容器内电阻丝阻值之比为，根据，电流和通电时间相等时，产生的热量与电阻成正比，所以通电一段时间后，左右两容器内电阻丝产生的热量之比为1∶2，故AC错误； BD．乙实验中，两个的电阻并联后再与另一个的电阻串联，根据并联电流规律，通过左右两容器内电阻丝的电流之比为2∶1，左右两容器内电阻丝阻值相同，所以探究的是电流通过导体产生的热量与电流的关系。根据，电阻和通电时间相等时，产生的热量与电流的平方成正比，所以通电一段时间后，左右两容器内电阻丝产生的热量之比为4∶1，故B错误，D正确。 故选：D。 7．某品牌电火锅有低温、中温和高温三挡，如图甲所示。其简化电路如图乙所示，R1、R2为阻值一定的电热丝（R1<R2）。通过开关S1、S2的断开和闭合，可以让电火锅在不同的挡位工作。下列说法中正确的是（　　） A．S1闭合、S2断开时火锅处于低温挡 B．高温档一定比低温挡产生热量多 C．先闭合S1、再闭合S2电路总电阻增大 D．高温挡时断开S2，R1两端电压不变 【答案】D 【详解】 A．电源电压U一定，当S1闭合、S2断开时，只有R1接入电路，此时电路消耗的功率，当S2闭合、S1断开时，只有R2接入电路，此时电路消耗的功率，当S1、S2都闭合时，R1、R2并联，此时电路消耗的功率。因为上述3种连接方式的电路总电阻，所以，则S1闭合、S2断开时火锅处于中温挡，故A错误； B．电火锅为纯电阻用电器，则电流通过用电器做功产生的电热Q=W=Pt，由公式可知产生的电热多少与功率和时间都有关，高温挡功率大，但不知道工作时间，所以不能确定高温档一定比低温挡产生热量多，故B错误； C．先闭合S1，只有R1接入电路，再闭合S2，R1、R2并联，根据并联电路电阻特点，并联的电阻越多，总电阻越小，所以电路总电阻减小，故C错误； D．高温挡时R1、R2并联，各用电器两端电压等于电源电压；断开S2，电路中只有R1，其两端电压也等于电源电压，所以R1两端电压不变，故D正确。 故选：D。 8．如图所示，在串联电路中有两个装有等质量煤油的密闭烧瓶A、B，两个烧瓶中分别放有加热电阻丝RA和RB，闭合开关后经过一段时间烧瓶A、B中的温度计示数分别为40℃和60℃。已知温度计初始温度均为20℃。则电阻RA和RB的比值为（　　） A．1∶2 B．2∶3 C．2∶1 D．3∶2 【答案】A 【详解】 由题意知两电阻丝串联，电流相同，通电时间相同，但电阻阻值不同，A、B的质量相同，则吸收的热量之比 由题意可知，吸收的热量等于电阻产生的热量，根据焦耳定律Q=I2Rt得 故选：A。 9．如图所示，小明和小华分别用该实验电路来探究电流产生的热量和哪些因素有关，两个相同的空气盒中装有质量、温度相同的空气，电阻丝、的阻值分别为，的阻值为。两人实验的电源电压相同且不变。 (1)该实验通过观察_________来反映电流产生的热量。 (2)小明只闭合开关，他是想要探究电流产生的热量与________大小的关系，通电一段时间后，观察到的现象如图所示，表明在________和通电时间相同的情况下，________越大，电流产生的热量越多。 (3)小华要探究电流产生的热量与电流大小是否有关，他先将空气盒2内的电阻与电阻交换位置，目的是控制通电时间和________相同。 (4)若小明和小华分别在实验中加热时间相同，小明的实验中左侧U形管内液柱的高度差为，小华的实验中左侧U形管内液柱的高度差为，则________（选填“”“”或“”）。 【答案】(1)U形管内液柱的高度差 (2)电阻 电流 电阻 (3)电阻 (4)＜ 【详解】 （1）电流产生的热量无法直接观察，实验中采用转换法，空气受热后体积膨胀，会使U形管内的液柱高度差发生变化，所以通过观察U形管内液柱的高度差来反映电流产生的热量。 （2）[1]小明只闭合开关时，电阻丝​与​串联在电路中，串联电路中电流处处相等，通电时间也相同，只有电阻的阻值不同，所以是探究电流产生的热量与电阻大小的关系。 [2][3]串联电路中电流处处相等，即该实验控制了电流和通电时间相同，实验现象表明，在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多。 （3）[1]探究电流产生的热量与电流大小是否有关时，需要控制电阻和通电时间相同，改变电流大小。将空气盒2内的电阻​与电阻交换位置，就是为了控制通电时间和电阻相同。 （4）小明的实验中，​与​串联，电路的总电阻较大，电源电压不变，根据欧姆定律可知电路中的电流较小；小华的实验中，交换电阻位置后，电阻​与电阻并联，电阻并联后，相当于增加导体的横截面积，并联后总电阻变小了，的位置没有改变，电路的总电阻也变小了，电路中的电流变大了，的阻值不变，通电时间相同，根据焦耳定律可知，电流越大，产生的热量越多，所以小华做实验时，左侧U形管内液柱的高度差更大，即​。 10．小付同学过年时买了一个电热杯垫给妈妈，如图所示。电热杯垫有加热和保温两挡功能（通过闭合或断开开关来实现该功能），通过USB接口接到电脑上可以随时喝上热饮。杯垫内部简化电路如图所示，R1、R2为加热元件，USB接口的输出电压为5V，R1电阻10Ω，当处于加热状态时，整个电路消耗的功率为7.5W。求： （1）只闭合S1时，通过R1的电流是多少A？ （2）保温30min时产生的热量是多少J？ （3）电阻R2的阻值是多少Ω？ 【答案】（1）0.5A；（2）4500J；（3）5Ω 【详解】 （1）由电路图可知，当只闭合S1时，只有电阻R1工作，此时电路中电阻最大，电源电压一定，根据P知，电功率最小，为保温状态；两开关都闭合时，两电阻并联，电路中电阻最小，电功率最大，为加热状态；则只闭合S1时，通过R1的电流，即整个电路的电流为 I10.5A （2）保温30min时产生的热量为 QR1t=(0.5A)2×10Ω×30×60s=4500J （3）当S1、S2同时闭合时，R1与R2并联，处于加热状态，由P=UI可得，加热状态时整个电路的电流为 I1.5A 因为并联电路中干路电流等于各支路电流之和，所以通过R2的电流为 I2=I-I1=1.5A-0.5A=1A 由欧姆定律可得 R25Ω 答：（1）只闭合S1时，通过R1的电流是0.5A； （2）保温30min时产生的热量是4500J； （3）电阻R2的阻值是5Ω。 【课后反思】 本节课学习了电流的热效应、焦耳定律及其应用，掌握了Q=I2Rt 的计算方法，能区分纯电阻电路和非纯电阻电路中电功与电热的关系。 反思：是否理解“转换法”在本实验中的运用？能否独立设计“保持电阻不变而改变电流”的电路？是否真正理解Q=I2Rt 中“电流的二次方”的含义，能否举例说明“电流加倍，电热变为四倍”？纯电阻与非纯电阻的区分是否清晰，能否在电动机问题中正确选择电功公式与电热公式？是否体会到焦耳坚持精确测量的科学精神？还有哪些实验设计和公式选用容易出错？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节 焦耳定律 （导学案） 【学习目标】 1. 知道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；理解焦耳定律的内容——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，表达式为 Q=I2Rt；知道焦耳定律对纯电阻电路和非纯电阻电路均适用；知道电热的利用和防止。 2. 经历“现象—猜想—设计—实验—归纳”的完整探究过程，运用控制变量法分别探究电热与电阻、电流、时间的关系；理解转换法在本实验中的运用；能由 Q=W在纯电阻条件下推导焦耳定律与电功公式的关系，区分纯电阻与非纯电阻电路中电功与电热的联系与区别。 3. 能与同伴合作完成“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验，规范操作、记录现象、分析数据并归纳结论；能对实验方案的合理性作出初步评价，知道串联和并联在控制变量中的不同作用。 4. 通过了解焦耳在质疑声中坚持精确测量的科学史实，体会严谨、执着的科学精神；通过电热利用与电热危害的对比，形成安全用电和节能意识；在“直流融冰”等真实问题中感受物理知识服务社会的价值。 【学习重点】 1. 通过实验探究电流产生的热量与电阻、电流、通电时间的关系； 2. 理解焦耳定律 Q=I2Rt的物理意义并应用于简单计算； 3. 区分纯电阻电路与非纯电阻电路中电功与电热的关系。 【学习难点】 1. 实验方案的设计，特别是“如何改变电流而保持电阻不变”以及“如何把不可见的热量转化为可见的现象”； 2. 理解 Q=I2Rt对任何电路都适用，而 Q=W只在纯电阻电路中成立； 3. 在含电动机等非纯电阻用电器的简单问题中正确选择电功公式与电热公式。 【自主预习】阅读教材《第4节 焦耳定律》，完成以下问题： 1. 电流通过导体时电能转化为______，这种现象叫做电流的热效应。 2. 焦耳定律的内容：电流通过导体产生的热量跟______成正比，跟______成正比，跟______成正比。公式是______。 3. 在焦耳定律公式 Q=I2Rt中，I的单位是______，R的单位是______，t的单位是______，Q的单位是______。 4. 在纯电阻电路中，电能全部转化为内能，电功______电热，即 W______Q（选填“>”“<”或“=”），此时 Q=W=UIt=I2Rt=U2/Rt。 5. 在非纯电阻电路（如电动机）中，电能主要转化为______能，同时有少量转化为______能，电功______电热，即 W______Q（选填“>”“<”或“=”），电热只能用公式______计算。 6. 电热水器、电饭锅利用了电流的______效应；电视机外壳的散热孔、电动机外壳的散热片是为了防止电热带来的______。 【课堂探究】 探究一、电流的热效应 1. 定义 电流通过导体时电能转化为内能，这种现象叫做电流的热效应。 2. 能量转化视角 （1）电热水壶：电能几乎全部转化为内能。 （2）电动机：电能主要转化为机械能，同时有少量转化为内能（电机发热）。 3. 演示实验引入 将一段电炉丝与一段等长的铜导线串联接入电路，通电一段时间后： （1）现象：电炉丝明显发热甚至发红，铜导线几乎不热。 （2）分析：通过电炉丝和铜导线的电流相同，通电时间也相同，但电阻不同，发热程度相差悬殊。 （3）猜想：电热可能与电阻 R、电流 I、时间 t有关。 附加情境 2008年南方雪灾中，电线覆冰导致杆倒线断，科技人员采用“直流融冰”技术让冰熔化——其基本物理原理正是电流的热效应。 特别提醒： （1）电流的热效应是电能转化为内能，不是“产生热量”凭空而来。 （2）电热的多少与多个因素有关，需要用控制变量法逐一研究。 【典例1】如图所示的手机采用了具有中国自主知识产权的芯片，因而受到了广泛的关注，给手机充电时，手机的电池相当于 ，给手机充电的过程中，是将电能转化为 能，在拔充电器时发现充电器发烫，充电头发热现象是因为电流具有 效应。 【典例2】如图所示是一款暖宝宝，通电后其内部加热棒可以对液体进行加热，这是利用了电流具有______效应。在加热过程中，加热棒将电能转化为_____能，为了能使暖宝放出更多的热量，暖宝内应充入比热容_____（填“大”或“小”）的液体。 探究二、实验探究：电热与哪些因素有关 1. 实验方法 （1）控制变量法：研究电热与电阻的关系时，控制电流和通电时间相同；研究电热与电流的关系时，控制电阻和通电时间相同；研究电热与时间的关系时，控制电阻和电流相同。 （2）转换法：热量无法直接“看见”，但可以使密闭容器中的空气受热膨胀，推动U形管液面上升。液面高度差越大，说明电阻丝放出的热量越多。 2. 探究电热与电阻的关系 （1）电路设计：将两个阻值不同的电阻丝（如 R1<R2）串联接入电路，保证电流和通电时间相同。 （2）现象：R2所在容器对应的液面高度差更大。 （3）结论：在电流、通电时间相同时，电阻越大，电流产生的热量越多。 3. 探究电热与电流的关系 （1）电路设计：保持电阻和通电时间相同，改变通过电阻丝的电流。可在其中一个容器内的电阻丝两端并联一段电阻丝（或利用演示器的并联装置），使通过两个容器内电阻丝的电流不同。 （2）现象：电流较大的容器对应的液面高度差更大。 （3）结论：在电阻、通电时间相同时，电流越大，电流产生的热量越多，且进一步定量实验表明与电流的二次方成正比。 4. 探究电热与时间的关系 （1）电路设计：保持电阻和电流相同，延长通电时间。 （2）现象：液面高度差继续增大。 （3）结论：在电阻、电流相同时，通电时间越长，电流产生的热量越多。 5. 实验注意事项 （1）连接电路时开关断开，滑动变阻器置于最大阻值端； （2）读数时U形管液面待稳定后记录； （3）实事求是记录数据，不拼凑、不改数； （4）比较热量多少时，必须控制其他变量相同。 特别提醒： （1）为什么用U形管液面高度差而不用温度计？因为气体受热膨胀比液体温度变化更明显，转换效果更好。 （2）串联保证电流相同，并联可用于改变电流，这是控制变量法在电路设计中的具体运用。 【典例3】如图所示是“探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关”的实验装置，将四段电阻丝a、b、c、d分别密封在完全相同的盒子内，盒内封闭一定量的空气，其中图乙中另取阻值为5Ω的电阻在盒外与盒内电阻并联。 （1）在实验中电流通过电阻时产生热量的多少是通过观察U形管中 来比较的，应用的物理科学探究方法是 ； （2）图甲可探究电流产生的热量与 的关系，通电一段时间后， （选填“左”或“右”）侧盒子中的电阻产生的热量多； （3）由公式可知，图乙中左右两侧盒子中的电阻产生的热量之比为 。 【典例4】用如图所示的装置探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，相同烧瓶内装满了煤油。 （1）烧瓶中装入的煤油是 （选填“导体”或“绝缘体”）； （2）在探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”时应控制 和 相同； （3）在甲烧瓶外面并联一电阻的目的是使甲、乙两个烧瓶内电阻丝的 不同； （4）用Q=I2Rt可以算电流通过任何用电器产生的热量，能用Q=UIt计算电流通过任何用电器产生的热量吗？请用实例说明原因 。 探究三、焦耳定律 1. 额定电压与额定功率 1. 焦耳定律的内容 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 Q=I2Rt 各量单位：I—A，R—Ω，t—s，Q—J。 3. “二次方”的含义 电流变为原来的2倍，在电阻和时间不变时，电热变为原来的4倍，而不是2倍。这是本节最容易被忽视的定量特征。 4. 历史附加信息 焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）并非学院派出身的物理学家，而是一位经营啤酒厂的业余科学家。在19世纪上半叶，“热素说”仍被许多学者相信，热被当作一种可以流动的物质。焦耳从1840年起，用极其精巧的实验测量电流产生的热、机械做功产生的热，甚至用重物下落带动搅拌器使水温升高，以惊人的耐心反复测量热功当量。他的论文最初并未受到重视，甚至被当作“乡下的业余爱好者”的成果。但正是这种对精确测量的坚持，使他不仅发现了焦耳定律，也为能量守恒定律的建立提供了坚实的实验基础。焦耳的故事告诉我们：科学规律的确立，不靠直觉的“看起来对”，而靠可重复、可检验的测量。 特别提醒： （1）焦耳定律 Q=I2Rt对纯电阻和非纯电阻电路都适用，是普适式。 （2）计算时时间单位必须用 s，不能直接用 min 或 h。 （3）不要与Q=UIt或Q=U2/Rt无条件混用，后两式只在纯电阻电路中成立。 【典例5】小明同学在班会活动课上表演了一个小魔术：用金属片点燃火柴，将一金属片接在学生电源上（如图所示），他将火柴放在哪个位置效果最明显（　　） A．a点 B．b点 C．c点 D．都一样 【典例6】关于电流通过导体时产生的热量，以下说法正确的是（　　） A．根据Q=I2Rt可知，电阻越大，相同时间内产生的热量越多 B．根据可知，电阻越大，相同时间内产生的热量越少 C．根据Q=UIt可知，相同时间内，电流产生的热量与电阻无关 D．根据Q=I2Rt可知，在电流一定时，电阻越大，相同时间内产生的热量越多 探究四、纯电阻电路与非纯电阻电路 1. 纯电阻电路 电能全部转化为内能（如定值电阻、白炽灯正常工作时的灯丝、电热水器）。此时电功等于电热： Q=W=UIt=I2Rt=U2/Rt 2. 非纯电阻电路 电能转化为内能和其他形式的能（如电动机主要转化为机械能，同时有少量内能）。此时电功大于电热： W=UIt > Q=I2Rt 电热只能由Q=I2Rt计算，不能用Q=UIt或Q=U2/Rt计算。 3. 对比表 电路类型 能量转化 电功与电热 电热计算 纯电阻 电能→内能 W=Q Q=I2Rt=UIt=U2/Rt 非纯电阻 电能→内能+其他能 W>Q 只能 Q=I2Rt 4. 电动机问题辨析 电动机两端电压为U，通过的电流为I，线圈电阻为R。能否用UIt 计算它产生的热量？不能。UIt 是消耗的总电能，其中大部分转化为机械能，只有I2Rt转化为内能。 特别提醒： （1）判断电路类型是选公式的前提：纯电阻电路三个公式均可；非纯电阻电路只能用Q=I2Rt算电热。 （2）焦耳定律Q=I2Rt对两种电路都适用，但Q=W只在纯电阻电路中成立。 （3）电动机不转时（如卡住），可视为纯电阻电路，此时 W=Q。 【典例7】有一台“3V 3W”的迷你小电风扇（如图所示），电动机的线圈电阻为 0.1 Ω，忽略一切摩擦，下列说法不正确的是（　　） A．小电风扇正常工作 1min消耗的电能为 180 J B．小电风扇正常工作 1min产生的热量为 6J C．若小电风扇的扇叶被卡住，通电1min产生的热量为180J D．小电风扇正常工作 1min产生的机械能为 174J 【典例8】计算机的散热电风扇两端的电压为12V，通过它的电流为2A，电风扇线圈的电阻为0.6Ω，则工作10s钟消耗的电能为________J，产生的热量是________J，效率为________。 探究五、电热的利用与防止 1. 电热的利用 电热水器、电饭锅、电熨斗、电热毯、养鸡场的孵化器等，都是利用电流的热效应工作。 2. 电热的防止 （1）电视机、电脑的散热孔； （2）电动机外壳的散热片； （3）输电导线不能过细（电阻过大导致Q=I2Rt过大）； （4）充电器不宜长时间插在插座上。 3. 辩证看待 同一种效应，在需要时是“有用”的，在不需要时就是“有害”的。物理知识不替人做价值判断，但能帮助人做出更安全、更高效的选择。 特别提醒： （1）用 Q=I2Rt解释“为什么导线不能太细”：导线越细，电阻越大，相同电流和时间内产生的热量越多，容易引发火灾。 （2）用 Q=I2Rt解释“为什么电器要留散热孔”：散热孔增大散热面积，加快热量散失，防止电器过热损坏。 【典例9】下列情况中属于防止电热带来危害的是（　　） A．电熨斗熨衣服 B．大型爆破工程，利用电热装置引爆炸药 C．电动机外壳有散热片 D．用电器长时间停用，隔一段时间应通一次电 【典例10】电流的热效应在科研、生产、生活中被广泛应用，有时使用不当也会给人们带来危害。下列情况中属于利用电流热效应的是（ 　　） A．电脑两侧有散热孔 B．冬天用电暖气取暖 C．电视机的后盖有许多孔 D．“超导体”技术在远距离输电中的应用 【归纳整理】 第4节 焦耳定律 【课堂练习】 1．下列四种用电器，其中主要是利用电流热效应来工作的是（　　） A．电风扇 B．电冰箱 C．电视机 D．电水壶 2．下列应用属于电热防止的是（　　） A．鸡苗孵化器 B．手机内安装石墨片 C．电热毯 D．通电的电炉丝 3．小红在厨房里发现正在煮饭的电饭锅温度很高，但是连接电饭锅跟电源插座的导线温度仅略高于室温。对这个现象，下列解释正确的是（　　） A．电流通过导线时不会产生热量 B．通过电饭锅加热丝的电流大于通过导线的电流 C．电饭锅加热丝两端的电压等于导线两端的电压 D．电饭锅加热丝上的电功率大于导线上的电功率 4．关于电功、电能、电热和电功率，下列说法中正确的是（　　） A．对所有用电器来说，电流做功的多少等于用电器消耗电能的多少 B．电视机消耗电能的多少等于电视机中产生电热的多少 C．某用电器的电功率越大，它消耗的电能越多 D．电流产生热量相同的用电器，消耗的电能一定相同 5．如图所示是两个实验室中常用的定值电阻和，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，绕制比绕制所用的电阻丝更粗、且缠绕的圈数更少。将、并联在电路中工作一段时间。关于和相关物理量的比较，下列说法正确的是（　　 ） A．通过的电流更小 B．两端的电压更大 C．消耗电能更快 D．电流通过产生的热量更多 6．如图在“探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”的实验中，下列说法正确的是（    ） A．甲实验中将两个电阻串联，只是为了保证通过两个电阻的电流相等 B．乙实验是为了探究电流通过导体产生的热量与导体电阻的关系 C．甲实验中，通电一段时间后，左右两容器内电阻丝产生的热量之比为2∶1 D．乙实验中，通电一段时间后，左右两容器内电阻丝产生的热量之比为4∶1 7．某品牌电火锅有低温、中温和高温三挡，如图甲所示。其简化电路如图乙所示，R1、R2为阻值一定的电热丝（R1<R2）。通过开关S1、S2的断开和闭合，可以让电火锅在不同的挡位工作。下列说法中正确的是（　　） A．S1闭合、S2断开时火锅处于低温挡 B．高温档一定比低温挡产生热量多 C．先闭合S1、再闭合S2电路总电阻增大 D．高温挡时断开S2，R1两端电压不变 8．如图所示，在串联电路中有两个装有等质量煤油的密闭烧瓶A、B，两个烧瓶中分别放有加热电阻丝RA和RB，闭合开关后经过一段时间烧瓶A、B中的温度计示数分别为40℃和60℃。已知温度计初始温度均为20℃。则电阻RA和RB的比值为（　　） A．1∶2 B．2∶3 C．2∶1 D．3∶2 9．如图所示，小明和小华分别用该实验电路来探究电流产生的热量和哪些因素有关，两个相同的空气盒中装有质量、温度相同的空气，电阻丝、的阻值分别为，的阻值为。两人实验的电源电压相同且不变。 (1)该实验通过观察_________来反映电流产生的热量。 (2)小明只闭合开关，他是想要探究电流产生的热量与________大小的关系，通电一段时间后，观察到的现象如图所示，表明在________和通电时间相同的情况下，________越大，电流产生的热量越多。 (3)小华要探究电流产生的热量与电流大小是否有关，他先将空气盒2内的电阻与电阻交换位置，目的是控制通电时间和________相同。 (4)若小明和小华分别在实验中加热时间相同，小明的实验中左侧U形管内液柱的高度差为，小华的实验中左侧U形管内液柱的高度差为，则________（选填“”“”或“”）。 10．小付同学过年时买了一个电热杯垫给妈妈，如图所示。电热杯垫有加热和保温两挡功能（通过闭合或断开开关来实现该功能），通过USB接口接到电脑上可以随时喝上热饮。杯垫内部简化电路如图所示，R1、R2为加热元件，USB接口的输出电压为5V，R1电阻10Ω，当处于加热状态时，整个电路消耗的功率为7.5W。求： （1）只闭合S1时，通过R1的电流是多少A？ （2）保温30min时产生的热量是多少J？ （3）电阻R2的阻值是多少Ω？ 【课后反思】 本节课学习了电流的热效应、焦耳定律及其应用，掌握了Q=I2Rt 的计算方法，能区分纯电阻电路和非纯电阻电路中电功与电热的关系。 反思：是否理解“转换法”在本实验中的运用？能否独立设计“保持电阻不变而改变电流”的电路？是否真正理解Q=I2Rt 中“电流的二次方”的含义，能否举例说明“电流加倍，电热变为四倍”？纯电阻与非纯电阻的区分是否清晰，能否在电动机问题中正确选择电功公式与电热公式？是否体会到焦耳坚持精确测量的科学精神？还有哪些实验设计和公式选用容易出错？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $