资源简介

第4节　焦耳定律
知识梳理
一、电流的热效应
1.定义：电流通过导体时　电能转化为内能　的现象。
2.影响因素：　电阻　、　电流　和　通电时间　。
二、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
基本公式 Q＝I2Rt（普遍适用）
导出公式 Q＝W＝Pt＝UIt＝t＝I2Rt（适用于纯电阻）
　　当电动机工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能（有用功），同时，电动机线圈也会发热（额外功）
当电动机通电但转子被卡住时，消耗的电能只会让电动机线圈发热，此时，W ＝UIt＝Q＝I2Rt （相当于纯电阻电路）
三、电热的利用和防止
1.电热的利用：　电热水器　、　电饭锅　、　电熨斗　、养鸡场的鸡苗孵化器等。
2.电热的防止：　散热片　、微型散热风扇等。
重难突破
重难点　多挡位用电器的分析与计算
【典例】某新型电饭煲工作过程中先用高温加热煮沸，让大米吸热吸水后迅速膨胀，淀粉大量溶入米汤中，后将米汤分离，再用低温蒸煮，既能大大降低米饭中的糖分，又环保节能。其内部结构电路如图甲所示，R1和R2均为定值加热电阻，S1和S2为温控开关（只能同时闭合或同时断开），达到预设温度后，温控开关自动断开，电饭煲开始低温蒸煮。图乙是电饭煲某次正常工作时完成一次煮饭所消耗的电能随时间的变化关系。求：
甲
　乙
(1)电饭煲正常工作时，高温加热时功率是多少？
(2)电阻R1的阻值是多少？
(3)图乙电饭煲一次正常工作时前15分钟和后15分钟消耗电能之比。
解：由图知，当S1和S2都闭合时，R1和R2并联，总电阻最小，根据P＝知，电路处于高温挡；当S1和S2都断开时，R1和R2串联，总电阻最大，根据P＝知，电路处于低温挡；
(1)由图乙可知，在0～0.1 h时间内，电饭煲消耗了0.088 kW·h的电能，在0.1～0.5 h时间内，电饭煲消耗的电能是0.176 kW·h－0.088 kW·h＝0.088 kW·h，所以0～0.1 h时，电饭煲处于高温加热，0.1～0.5 h时电饭煲处于低温蒸煮，则高温挡的功率P高温＝＝＝0.88 kW＝880 W；
(2)由图乙可知，低温挡的功率P低温＝＝＝0.22 kW＝220 W，
根据P＝可知，R1和R2串联的总电阻R串＝＝＝220 Ω，
根据串联电路的电阻特点可知，R1＋R2＝R串＝220 Ω①；
高温挡的总电阻R并＝＝＝55 Ω，
根据并联电路的电阻特点可知，＋＝＝②
由①②解得，R1＝110 Ω；
(3)一次正常工作时前15分钟内，因高温加热煮沸工作时间t1＝0.1 h＝0.1×3 600 s＝360 s，
则前15分钟内的低温蒸煮时间t′＝15 min－t1＝15×60 s－360 s＝540 s，
则消耗的电能W前＝P高温t1＋P低温t′＝880 W×360 s＋220 W×540 s＝4.356×105 J，
后15分钟内，一直处于低温蒸煮状态，则时间t＝15×60 s＝900 s，
则消耗的电能W后＝P低温t＝220 W×900 s＝1.98×105J，则W前∶W后＝(4.356×105 J)∶(1.98×105 J)＝11∶5。
公式 公式变形 应用 物理量及单位
Q＝ I2Rt I＝； R＝； t＝ 求电路中的电热、电流、电阻和时间 物理 量 Q I R t
国际 单位 J A Ω s
多挡位用电器
图例 说明
开关S断开时，P＝，为低温挡位（或保温状态）； 开关S闭合时，P＝＋，为高温挡位（或加热状态）
当开关S1、S2都闭合时，P＝，为高温挡位（或加热状态）； 当开关S1闭合、S2断开时，P＝，为低温挡位（或保温状态）
【对点训练】
图甲是一家用电暖器，有“低温”“中温”“高温”三挡，铭牌见下表（“高温”挡功率空出），图乙为其简化的电路原理图，S是自我保护开关，电暖器跌倒时，S自动断开，切断电源，保证安全；闭合S1为“低温”挡。请完成下列问题：
　　
额定电压 220 V
额定 功率 低温挡 440 W
中温挡 1 760 W
高温挡
(1)“低温”挡正常工作时的电阻是多少？
(2)“高温”挡正常工作时的总功率和总电流是多少？
(3)若某房间内空气质量为60 kg（保持不变），空气温度为10 ℃，设定空气的比热容约为1.1×103 J/(kg·℃)且保持不变，用该电暖器的“高温”挡正常工作一段时间后，房间空气温度升到30 ℃，假设放出热量的50%被房间内的空气吸收，那么该电暖器工作了多长时间？
(1)闭合S1为“低温”挡，R1单独接入电路，由P＝可得，“低温”挡正常工作时的电阻R1＝＝＝110 Ω；
(2)闭合S1为“低温”挡，R1单独接入电路，单独闭合S2为“中温”挡，高温挡为S1、S2同时闭合，R1、R2并联，
P高温＝P低温＋P中温＝440 W＋1 760 W＝2 200 W，
根据P＝UI可得，高温挡时正常工作的电流I＝＝＝10 A；
(3)空气吸收的热量
Q吸＝cmΔt＝1.1×103 J/(kg·℃)×60 kg×(30 ℃－10 ℃)＝1.32×106 J，
根据η＝得，电暖器的放出的热量
W＝＝＝2.64×106 J，
根据P＝得，“高温”挡正常工作的时间
t＝＝＝1 200 s＝20 min。
答：(1)“低温”挡正常工作时的电阻是110 Ω；
(2)“高温”挡正常工作时的总功率为2 200 W，总电流是10 A；
(3)该电暖器工作了20 min。
实验剖析
实验　探究通电导体放出的热量跟哪些因素有关
1.实验装置：如图所示。
　
2.实验器材：焦耳定律实验探究装置。
3.实验步骤
(1)探究导体产生的热量跟电阻的关系。
①检查两个U形管中液柱的高度是否相平，如果不相平，则需要进行调整。把两个密闭容器中的电阻丝串联。
②断开开关，连接实物图，检查电路，把滑动变阻器滑片移到阻值最大端。
③闭合开关，调节滑片到达某位置，读出此时电流的大小（要想缩短实验时间电流可适当大一些）。
④观察两U形管中液柱高度的变化，把实验数据填入表中。
电流I/A
电阻 R1＝5 Ω R2＝10 Ω
液柱高低
(2)探究导体产生的热量跟电流的关系。
①断开开关，连接实物图，检查电路，把滑动变阻器滑片移到阻值最大端。
②闭合开关，调节滑片到达某位置，读出此时电流的大小（要想缩短实验时间，电流可适当大一些）。
③观察两U形管中液柱高度的变化，把实验数据填入表中。
电阻 R1＝5 Ω R2＝5 Ω
电流I/A I1＝　 　 　 I2＝　 　 　
液柱高低
4.实验结论
(1)当电流一定时，导体的电阻越大，产生的热量就越多；
(2)当电阻一定时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多。
5.反思与交流
(1)本实验是利用空气的热胀冷缩的性质来反映电流通过电阻产生热量的多少，现象比较明显，测量方便。实验中也可以利用电阻丝加热液体（如煤油等），通过液体温度上升的数值来比较放出热量的多少。
(2)实验方法
a．转换法
①比较温度计的示数变化大小，温度计示数变化越大，产生的热量越多。
②比较U形管内液面的高度差，U形管内液面高度差越大，产生的热量越多。
b．控制变量法
①探究导体产生的热量与电阻的关系（串联）：控制电流和通电时间相等，改变电阻大小，比较产生热量的多少。
②探究导体产生的热量与电流的关系（并联）：控制电阻和通电时间相等，改变电流大小，比较产生热量的多少。
【对点训练】
探究“电流通过导体时产生热量与哪些因素有关”实验中，两个透明容器中密封着初温、质量相同的空气。
(1)利用甲装置可探究电流产生的热量与　电阻　的关系，通电一段时间后，与　右　（选填“左”或“右”）侧容器相连的U形管中液面的高度差较大。
(2)通过观察乙装置，　左　（选填“左”或“右”）容器中导体产生的热量较多。由此可知，在电阻和通电时间相同时，电流越　大　，导体产生的热量越多。
(3)让乙装置冷却到初始状态，把右侧并联的两根电阻丝R2、R3都放入容器中，接通电源一段时间后，电阻丝产生的热量　左容器　（选填“左容器”“右容器”或“两容器一样”）多。
〈拓展提升〉
(4)在第(3)问中，通电一段时间后，左右两侧容器中产生的热量之比为　2∶1　。
(5)请根据以上实验结论简要解释：“电炉工作时，电炉丝发红，而与电炉丝相连的导线却不怎么热”　电炉丝与导线是串联的，电流和通电时间相等，电炉丝的电阻较大，产生的热量较多，而导线的电阻极小，所以几乎不发热　。第4节　焦耳定律
知识梳理
一、电流的热效应
1.定义：电流通过导体时 的现象。
2.影响因素： 、 和 。
二、焦耳定律
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
基本公式 Q＝I2Rt（普遍适用）
导出公式 Q＝W＝Pt＝UIt＝t＝I2Rt（适用于纯电阻）
　　当电动机工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能（有用功），同时，电动机线圈也会发热（额外功）
当电动机通电但转子被卡住时，消耗的电能只会让电动机线圈发热，此时，W ＝UIt＝Q＝I2Rt （相当于纯电阻电路）
三、电热的利用和防止
1.电热的利用： 、 、 、养鸡场的鸡苗孵化器等。
2.电热的防止： 、微型散热风扇等。
重难突破
重难点　多挡位用电器的分析与计算
【典例】某新型电饭煲工作过程中先用高温加热煮沸，让大米吸热吸水后迅速膨胀，淀粉大量溶入米汤中，后将米汤分离，再用低温蒸煮，既能大大降低米饭中的糖分，又环保节能。其内部结构电路如图甲所示，R1和R2均为定值加热电阻，S1和S2为温控开关（只能同时闭合或同时断开），达到预设温度后，温控开关自动断开，电饭煲开始低温蒸煮。图乙是电饭煲某次正常工作时完成一次煮饭所消耗的电能随时间的变化关系。求：
甲
　乙
(1)电饭煲正常工作时，高温加热时功率是多少？
(2)电阻R1的阻值是多少？
(3)图乙电饭煲一次正常工作时前15分钟和后15分钟消耗电能之比。
公式 公式变形 应用 物理量及单位
Q＝ I2Rt I＝； R＝； t＝ 求电路中的电热、电流、电阻和时间 物理 量 Q I R t
国际 单位 J A Ω s
多挡位用电器
图例 说明
开关S断开时，P＝，为低温挡位（或保温状态）； 开关S闭合时，P＝＋，为高温挡位（或加热状态）
当开关S1、S2都闭合时，P＝，为高温挡位（或加热状态）； 当开关S1闭合、S2断开时，P＝，为低温挡位（或保温状态）
【对点训练】
图甲是一家用电暖器，有“低温”“中温”“高温”三挡，铭牌见下表（“高温”挡功率空出），图乙为其简化的电路原理图，S是自我保护开关，电暖器跌倒时，S自动断开，切断电源，保证安全；闭合S1为“低温”挡。请完成下列问题：
　　
额定电压 220 V
额定 功率 低温挡 440 W
中温挡 1 760 W
高温挡
(1)“低温”挡正常工作时的电阻是多少？
(2)“高温”挡正常工作时的总功率和总电流是多少？
(3)若某房间内空气质量为60 kg（保持不变），空气温度为10 ℃，设定空气的比热容约为1.1×103 J/(kg·℃)且保持不变，用该电暖器的“高温”挡正常工作一段时间后，房间空气温度升到30 ℃，假设放出热量的50%被房间内的空气吸收，那么该电暖器工作了多长时间？
实验剖析
实验　探究通电导体放出的热量跟哪些因素有关
1.实验装置：如图所示。
　
2.实验器材：焦耳定律实验探究装置。
3.实验步骤
(1)探究导体产生的热量跟电阻的关系。
①检查两个U形管中液柱的高度是否相平，如果不相平，则需要进行调整。把两个密闭容器中的电阻丝串联。
②断开开关，连接实物图，检查电路，把滑动变阻器滑片移到阻值最大端。
③闭合开关，调节滑片到达某位置，读出此时电流的大小（要想缩短实验时间电流可适当大一些）。
④观察两U形管中液柱高度的变化，把实验数据填入表中。
电流I/A
电阻 R1＝5 Ω R2＝10 Ω
液柱高低
(2)探究导体产生的热量跟电流的关系。
①断开开关，连接实物图，检查电路，把滑动变阻器滑片移到阻值最大端。
②闭合开关，调节滑片到达某位置，读出此时电流的大小（要想缩短实验时间，电流可适当大一些）。
③观察两U形管中液柱高度的变化，把实验数据填入表中。
电阻 R1＝5 Ω R2＝5 Ω
电流I/A I1＝　 　 　 I2＝　 　 　
液柱高低
4.实验结论
(1)当电流一定时，导体的电阻越大，产生的热量就越多；
(2)当电阻一定时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多。
5.反思与交流
(1)本实验是利用空气的热胀冷缩的性质来反映电流通过电阻产生热量的多少，现象比较明显，测量方便。实验中也可以利用电阻丝加热液体（如煤油等），通过液体温度上升的数值来比较放出热量的多少。
(2)实验方法
a．转换法
①比较温度计的示数变化大小，温度计示数变化越大，产生的热量越多。
②比较U形管内液面的高度差，U形管内液面高度差越大，产生的热量越多。
b．控制变量法
①探究导体产生的热量与电阻的关系（串联）：控制电流和通电时间相等，改变电阻大小，比较产生热量的多少。
②探究导体产生的热量与电流的关系（并联）：控制电阻和通电时间相等，改变电流大小，比较产生热量的多少。
【对点训练】
探究“电流通过导体时产生热量与哪些因素有关”实验中，两个透明容器中密封着初温、质量相同的空气。
(1)利用甲装置可探究电流产生的热量与 的关系，通电一段时间后，与 （选填“左”或“右”）侧容器相连的U形管中液面的高度差较大。
(2)通过观察乙装置， （选填“左”或“右”）容器中导体产生的热量较多。由此可知，在电阻和通电时间相同时，电流越 ，导体产生的热量越多。
(3)让乙装置冷却到初始状态，把右侧并联的两根电阻丝R2、R3都放入容器中，接通电源一段时间后，电阻丝产生的热量 （选填“左容器”“右容器”或“两容器一样”）多。
〈拓展提升〉
(4)在第(3)问中，通电一段时间后，左右两侧容器中产生的热量之比为 。
(5)请根据以上实验结论简要解释：“电炉工作时，电炉丝发红，而与电炉丝相连的导线却不怎么热” 。

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