18.4 焦耳定律（教学课件）物理新教材人教版九年级全一册

物理九年级全一册 •人教版 第十八章 电功率 第2节 焦耳定律 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 知道电流的热效应；理解焦耳定律的内容、表达式（Q=I²Rt）及物理意义；知道电热的利用与防止，认识纯电阻电路中电功与电热的关系。 02 科学思维 通过推导和分析，理解焦耳定律公式的得出过程；能运用焦耳定律及其变形公式进行简单的计算，能区分电功（W）与电热（Q）在不同电路中的关系。 03 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；掌握控制变量法，体会利用温度计示数或液面高度差来“转换”比较热量多少的科学方法。 04 科学态度与责任 结合电热水器、电饭锅及电视机散热等实例，体会物理知识在生产生活中的应用；养成安全用电、防止电热危害的意识。 教学重难点 教学重点 教学难点 1. 焦耳定律的内容、表达式（Q=I²Rt）及其简单应用； 2. 探究电流产生热量与电阻、电流、通电时间关系的实验设计与操作； 3. 利用焦耳定律进行简单的电热计算及分析生活中的电热现象。 1. 实验探究中“转换法”的应用（通过温度变化或液面高度差反映热量多少）； 2.区分电功（W=UIt）与电热（Q=I²Rt），理解在纯电阻电路中 W = Q； 3. 运用控制变量法分析实验数据，归纳出电流产生热量与各因素的关系。 电 炉 工 作 时， 电 炉 丝 通 过 导 线 接 到 电 路 里， 为什 么 电 炉 丝 热 得 发 红（如右图）， 而 导 线 却 几 乎不发热？ 课堂引入 知识点1 电流的热效应 1. 电流的热效应 生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象产生。 电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫作电流的热效应。 知识点1：电流的热效应 探究新知 电烤箱 电炉 电饭锅 电热毯 知识点1：电流的热效应 探究新知 2. 实验：探究影响电流的热效应的因素 【提出问题】 电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关? 【猜想与假设】 ①有电流导体时，导体才会发热。则可能与通过导体的电流有关。 ②电烤炉工作时，烤炉温度高，导线几乎不发热。则可能与导体的电阻有关。 ③电热水壶刚通电时，水需要一段时间才能沸腾，则可能与通电时间有关。 知识点1：电流的热效应 探究新知 【实验思路】 利用电热丝加热质量相同的同种液体，通过液体温度升高的情况，判断通电导体产生热量的多少。 ①用一根电热丝给一定质量的液体加热，在保持通电电流相同的情况下，探究通电导体产生的热量与加热时间的关系。 ②选择两根阻值不同的电热丝，在相同的时间内通过大小相同的电流，探究通电导体产生的热量与电阻大小的关系。 ③选择两根阻值相同的电热丝，在相同的时间内通过大小不同的电流探究通电导体产生的热量与电流大小的关系。 电热与电阻的关系 知识点1：电流的热效应 探究新知 【设计实验 】 ①电热与电阻的关系 选取阻值不一样的电阻丝，如5Ω和10Ω的电阻丝，装入实验装置中，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。 两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两段电阻丝的电流相同。通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么？ 结论一：在电流相同、通电时间相同的情况下，一段电阻丝的电阻越大，电阻丝产生的热量越多。 知识点1：电流的热效应 探究新知 探究新知 探究电热与电阻的关系 点击图片播放视频 知识点1：电流的热效应 探究新知 【设计实验 】 ②电热与电流的关系 选取阻值相同的两个5Ω电阻丝，装入两个透明容器中，并在其中一个容器的外部，并联一个阻值为5Ω电阻丝，则通过两个容器中电阻丝的电流不同。　　 闭合开关，在通电时间相同的情况下，观察两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么？ 结论二：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一段电阻丝的电流越大，电阻丝产生的热量越多。 电热与电流的关系 知识点1：电流的热效应 探究新知 探究新知 探究电热与电流的关系 点击图片播放视频 知识点1：电流的热效应 探究新知 【设计实验 】 ③电热与通电时间的关系 将一阻值为5Ω电阻丝，装入一个透明容器中。闭合开关，在通电时间相同的情况下，观察U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么？ 结论三：电流通过导体产生的热量跟通电时间有关。通电时间越长，电阻丝产生的热量越多。 Δh 电热与电阻的关系 知识点1：电流的热效应 探究新知 【收集证据】 实验次数 电流关系 电阻大小/Ω 通电时间 关系 U形管液面 高度差⊿h 左 右 左 右 左 右 左 右 1（左图） 相等 5 10 相等 2（右图） 大 小 相等 相等 大 大 小 小 电热与电流的关系 知识点1：电流的热效应 探究新知 在电流相同和通电时间一定时，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。 在电阻和通电时间相同时，通过电阻电流越大，电阻产生的热量越多。 在电流相同、电阻相同时，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。 【实验结论】 知识点1：电流的热效应 探究新知 【典例1】某大学开发出一种耐高温达 的纳米线膜材料，具有极高的高温热稳定性且隔热性能优异，很轻、绝缘性能好，可工业化应用。下列物品中，不能应用该材料制作的是（ ） A．消防员防护服 B．家用灭火毯 C．飞机上的机身保温层 D．电饭锅发热盘的电热丝 D 【详解】ABC．消防员防护服、家用灭火毯、飞机机身保温层均需要耐高温、隔热的性能，与该材料特性匹配，故ABC不符合题意； D．电饭锅发热盘的电热丝利用电流热效应工作，必须为导体，该材料绝缘性能好，属于绝缘体，无法导电产生热量，不能制作电热丝，故D符合题意。 故选：D。 知识点1：电流的热效应 探究新知 【典例2】如图是探究“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验。两个透明容器中密封着等质量的空气，两容器中的电阻丝串联起来，连接到电源两端。 (1)图甲是探究电流通过导体产生的热量与 导体___________的关系。 (2)图乙中， 的作用是__________________________。 (3)电流产生的热量不易直接测量，因此在实验中是通过_______________来显示容器内空气温度的变化，这里采用的物理研究方法是___________。 (4)英国物理学家___________通过大量实验，最先精确地确定了电流通过导体时产生的热量跟各因素的关系。 电阻 使R1和R2的电流不相等 U形管两侧液面高度差 转换法 焦耳 知识点1：电流的热效应 探究新知 【详解】 （1）甲图中两个电阻丝串联，流过两电阻的电流、通电时间都相同，只有电阻阻值不同，因此探究的是电流通过导体产生的热量与电阻的关系。 （2）乙图中两个容器内电阻阻值相同，R3与R2并联后再与R1串联，R3的作用是分流，使通过R1和R2的电流不同，从而满足探究热量与电流关系的实验条件。 （3）电流产生的热量无法直接观测，容器内空气受热膨胀会使U形管液面产生高度差，实验通过U形管液面高度差反映容器内空气温度的变化，这种将不易测量的物理量转换为易观测物理量的方法叫做转换法。 （4）英国物理学家焦耳通过大量实验，最先精确确定了电流通过导体产生热量的关系，得出了焦耳定律。 知识点2 焦耳定律 1. 定义： 电流通过导体产生的热量跟电流二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比，这个规律叫作焦耳定律。 2. 表达式： Q＝I2Rt 3. 单位： I:表示电流(A)，R:表示电阻(Ω)，t表示时间(S)，Q表示热量(J) 知识点2：焦耳定律 探究新知 1J＝1A2·Ω·s 知识点2：焦耳定律 探究新知 4. 焦耳定律的理解 焦耳定律定义式Q=I2Rt，只适用于计算电流通过导体时产生的热量。 电功的计算式W=UIt，适用于计算将电能转化为各种形式的能的过程中电流做的功。 知识点2：焦耳定律 探究新知 5. 电功与电热 区别 ①电功是指电流经过电路所做的功，其做功的多少表示电路消耗电能的多少，表示了有多少电能转化为其他形式的能。 ②电热是指电流经过电路时，其产生的电能转化为内能的那一部分。 联系 ①当电流通过某些用电器时，电能全部转化为了内能，电流产生的热量就等于消耗的电能，即Q＝W。 ②当电流通过某些用电器时，电能主要转化为其他形式的能量， 只有少部分转化为内能，即Q＜W。 知识点2：焦耳定律 探究新知 6. 电功、电功率、焦耳定律计算公式及其适用范围 推导公式 电功 电功率 焦耳定律 适用条件 基本公式 W=UIt P=UI Q=I2Rt 普遍适用 W=t=I2Rt P==I2R Q=t=UIt 知识点2：焦耳定律 探究新知 人物介绍： 詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818年12月24日—1889年 10月11日），出生于曼彻斯特近郊的沙弗特，英国 物理学家，英国皇家学会会员。 主要成就： 焦耳在研究热的本质时，发现了热和功之间的转换关系，最终发展出热力学第一定律。 他用近40年的时间做了400多次实验，研究热和功的关系。即焦耳定律。 7. 物理学家——焦耳 知识点2：额定电压 额定功率 探究新知 【典例3】一种家用电熨斗的规格为“220V 400W”，这种电熨斗内部电热丝的电阻是 ________Ω。如果在额定电压下工作，1min内将产生 _______J的热量。 121 24000 【详解】[1]根据电功率公式P=U2/R，可得电热丝电阻 [2]1 min= 60s，电熨斗为纯电阻用电器，电能全部转化为热量，故产生的热量 Q = 400W×60s = 24000J 知识点2：焦耳定律 探究新知 【典例4】如图所示，R为定值电阻，L为标有“6 V 3 W”的小灯泡，灯丝阻值不变，电源电压恒定。闭合开关，小灯泡正常工作时，电流表读数为1.5 A。求： (1)通过小灯泡的电流IL； (2)定值电阻R阻值； (3)定值电阻R在10 s内产生的热量Q； 知识点2：焦耳定律 探究新知 【详解】（1）小灯泡正常发光，工作在额定状态，由P=UI可知，通过小灯泡的电流 （2）由电路图可知，小灯泡与R并联，电源电压等于小灯泡两端的电压，即U=U_L=6V，通过R的电流 定值电阻 （3）定值电阻R在10s内产生的热量 知识点3 电热的利用和防止 1. 电热的利用 电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用了电流的热效应，这类用电器称为电热器，而电热器的主要部分是发热体。电热器的优点: 清洁卫生，没有环境污染，热效率高，还可以方便地控制和调节温度。 知识点3：电热的利用和防止 探究新知 2. 电热的防止 电流的热量有时是有害的，应该及时解决。 我们的电脑在工作时，电路元件发热，温度升高，会影响到电脑的稳定性，甚至烧坏电脑CPU。人们常常采用安装散热窗、使用微型风扇等方法及时散热（电视等电子设备同样原理）。 知识点3：电热的利用和防止 探究新知 微型 风扇 散热风扇 知识点3：电热的利用和防止 探究新知 【典例5】电流的热效应在生产和生活中被广泛应用，但有时它也会给我们带来危害。下列事例中，属于防止电热危害的是（　　） A．用电水壶烧水 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．家用电器长时间停用，隔一段时间通电一次 C 知识点3：电热的利用和防止 探究新知 【详解】A．用电水壶烧水时，电能转化为内能，利用电热来加热水，属于利用电热，故A不符合题意； B．大型爆破工程中，是利用电热产生的热量引发炸药爆炸，属于利用电热，故B不符合题意； C．电动机工作时会产生电热，过多的热量会影响电动机的正常运行，因此电动机外壳的散热片是为了将电热散出，避免电热带来的危害，故C符合题意； D．家用电器长时间停用，隔一段时间通电一次，是利用电热来驱除电器内部的潮气，故D不符合题意。 故选：C。 课堂小结 课堂小结 课堂练习 课堂练习 1．将一台“220V 100W”的电风扇、一个“220V 100W”的充电器、一把“220V 100W”的电烙铁分别接到220V的电源上，在相同时间内，电流通过它们产生热量最多的是（ ） A．电风扇 B．充电器 C．电烙铁 D．电风扇和电烙铁 C 【详解】三个用电器的额定电压都是220V、额定功率都是100W，接入220V电源后都正常工作，实际功率等于额定功率。根据公式W=Pt，相同时间内三个用电器消耗的总电能相等。电烙铁是纯电阻电器，工作时电能全部转化为热量；电风扇大部分电能转化为机械能，只有很少一部分转化为热量；充电器大部分电能转化为电池的化学能，只有很少一部分转化为热量；故电烙铁产生的热量最多。故C符合题意，ABD不符合题意。 故选：C。 课堂练习 2． 将一盏 、 的白炽灯，一台 、 的电风扇，一只 、 的小电暖手炉，同时接在 的电压下，则相同时间内消耗的电能和产生的热量（ ） A．电风扇消耗的电能最多，产生的热量一样多 B．消耗的电能和产生的热量都一样多 C．暖手炉消耗的电能最多，产生的热量一样多 D．消耗的电能一样多，产生的热量暖手炉最多 D 课堂练习 【详解】 三个用电器额定电压均为220V，接在220V电压下均正常工作，实际功率P=P额=60W。 AC．消耗的电能，由W=Pt可知，相同时间t、相同功率P下，三者消耗的电能相等，故AC不符合题意； BD．产生的热量，暖手炉为纯电阻用电器，电能全部转化为内能，即Q=W，白炽灯电能大部分转化为内能、少部分转化为光能，电风扇电能大部分转化为机械能、少部分转化为内能，二者均满足Q<W，故暖手炉产生热量最多，故B不符合题意，D符合题意。 故选：D。 课堂练习 3．如图所示是“探究电流通过导体时产生热量的多少与什么因素有关”的实验装置，电阻丝R2与电阻丝R3并联。通电前，A、B两个U形管中的液面相平，通电一段时间后，通过电阻丝R1、电阻丝R2的电流分别为I1、I2，则（　　） A．I1＞I2，A管中的液面高度差较小 B．I1＞I2，A管中的液面高度差较大 C．I1＝I2，电阻丝R1比电阻丝R2产生的热量多 D．I1＝I2，电阻丝R1和电阻丝R2的电功率相等 B 课堂练习 【详解】 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I=I1+I2 ，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 I1>I2，而通电时间相同，故乙实验可以研究电流产生的热量与电流的关系，根据焦耳定律可知，因容器内两电阻相同，通电时间也相同，故电阻丝R1比电阻丝R2产生的热量多，由转换法，A管中的液面高度差较大.故B符合题意，ACD不符合题意。 故选：B。 课堂练习 4．用“电池+口香糖锡纸”能应急取火：将包裹口香糖的锡纸撕成一条中间窄、两头宽的纸带如图甲，将其涂有锡的一面与一节电池的正、负极相连，如图乙锡纸很快就冒烟燃烧起来。下列说法错误的是（　　） A．通过锡纸较窄处的电流等于较宽处的电流 B．锡纸中电荷定向移动的方向是从电源负极流向电源正极 C．取火时电源短路，热量产生过多容易烫伤皮肤 D．靠近电池两极处的锡纸先燃烧起来 D 课堂练习 【详解】 A．接通电路后，锡箔纸宽、窄处串联，串联电路电流处处相等，所以通过锡箔纸较窄处电流等于较宽处电流，故A正确，不符合题意； B．锡箔纸中的电流从电源的正极流向负极，锡箔纸中的电子的流向是从电池的负极流向正极，故B正确，不符合题意； C．因为锡属于金属，因此具有导电性，将锡纸条带锡的一端接在电池的正极，另一端接在电池的负极，形成了电源短路，电流通过锡箔纸时产生热量，故C正确，不符合题意； D．导体的电阻与导体的材料、长度、横截面积有关；在其它条件相同时，横截面积越小，导体的电阻越大，所以较窄处电阻大，产生的热量越多，越先燃烧起来，故D错误，符合题意。 故选：D。 课堂练习 5．为延长食物保质期，可对食物进行真空包装。真空包装机（如图甲）先抽出塑料袋内的气体，再利用电热丝加热塑料袋口对袋子进行密封。图乙是模拟该真空包装机功能的简易电路图。下列说法中正确的是（　　） A．该电路中，要使抽气机工作，需闭合开关S1和S2 B．真空包装机加热塑料袋口对袋子密封时，利用电流的磁效应产生大量热量 C．密封时温度过低导致塑料无法熔化，则应将滑动变阻器的滑片向左移动 D．闭合全部开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，抽气机的功率会不变 D 课堂练习 【详解】 A．由图乙得，电热丝与变阻器串联后，再与抽气机并联，开关S在干路上，开关S1在电热丝的支路上，开关S2在抽气机的支路上，该电路中，要使抽气机工作，需闭合开关S和S2，故A错误； B．真空包装机加热塑料袋口对袋子密封时，利用电流的热效应产生大量热量，故B错误； C．密封时温度过低导致塑料无法熔化，则应将滑动变阻器的滑片向右移动，减小变阻器接入电路中的电阻，增大通过电热丝的电流，增大电热丝产生的热量，故C错误； D．闭合全部开关，将滑动变阻器的滑片向右移动，由并联电路中个用电器互不影响得，抽气机的电压、电流不变，抽气机的功率不变，故D正确。 故选:D。 课后作业 探究新知 作业 内容 同步作业 完成课后作业：“练习与应用” 自主安排 配套同步分层作业 谢谢聆听 谢谢聆听 $