资源简介

18.4　焦耳定律
1.物理观念：知道电流的热效应；了解焦耳定律，能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象，分析解决简单的实际问题。
2.科学思维：结合电功的表达式和欧姆定律推导焦耳定律的表达式，培养演绎推理能力；能建立物理模型，简化复杂问题，运用焦耳定律分析实际问题。
3.科学探究：通过“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验，体会实验中控制变量的方法，发展观察、分析、处理信息、得出结论的能力。
4.科学态度与责任：知道电热危害的防止与应用，关注生活、生产中的电热问题，形成将物理知识应用于造福生活、改进生产的科学态度与责任。
1.教学重点：理解焦耳定律；定性研究电热与电阻、电流之间的关系。
2.教学难点：理解并应用焦耳定律；定性研究电热与电阻、电流之间的关系。
冬天用电暖气取暖，房间温度快速升高；笔记本电脑长时间使用后，底部会发烫，需要风扇散热；电水壶通电后，可以将壶里的水加热直至沸腾。
［提问］为什么这些用电器使用时都出现了发热现象？
　任务一　认识电流的热效应
教师活动 学生活动
［提问］说一说自己家里的用电器，如电暖气、电热器、电饭煲，通电后发热是什么现象？这一过程中能量是如何转化的？ ［过渡］电炉的电炉丝和导线中通过的电流相同，电炉丝热得发红，说明电炉丝的温度比导线高，电流在电炉丝上产生的热量更多。结合生活经验，你认为电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关？ ［提问］若要探究“电热与电阻的关系”，应控制哪些变量不变？如何设计电路实现？ ［追问］实验中如何“观察”电热的多少？ ［演示实验］在两个透明容器中密封着等质量的空气，内置不同阻值电阻丝（R1＜R2），串联接入电路，通电相同时间后，记录U形管中液面高度的变化情况。 ［提问］实验中哪一个电阻丝对应的U形管液面高度的变化更明显？说明什么结论？ ［提问］若要探究“电热与电流的关系”，应如何控制变量？ ［演示实验］如图所示，将R2换成两个与R1相同的电阻丝R3、R4并联后接入电路，通电相同时间，记录U形管液面高度的变化情况。 ［提问］实验中哪一个电阻丝对应的U形管液面高度的变化更明显？说明什么结论？ ［追问］若保持电流、电阻不变，延长通电时间，电热会如何变化？结合生活经验举例说明。 ［阅读教材并回答］电流通过导体时电能转化为内能，这种现象叫作电流的热效应。 这一过程中将电能转化为内能。 ［猜想］可能与导体电阻、电流大小、通电时间有关。 ［思考讨论并回答］控制电流、通电时间不变，通过串联电路实现。 ［回答］利用转换法，将不可见的电热转化为可见的气体升温膨胀，通过U形管液面高度的变化判断电热多少。 ［观察回答］记录前，两U形管两侧液面均相平，通电相同时间后，R2 对应的U形管两侧液面高度的变化更明显。说明电流、通电时间相同时，电阻越大，电热越多。 ［回答］探究电热与电流关系时，控制电阻、通电时间不变，改变电流。 ［观察回答］发现R1对应的U形管液面高度的变化更明显，此时通过R1的电流较大，说明电阻、通电时间相同时，电流越大，电热越多。 ［相互讨论并回答］电热会增多，比如电暖气开1h比开30min更热、手机通话1h比20min更烫。
　任务二　焦耳定律
教师活动 学生活动
［讲解］英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840年最先确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系：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。这个规律叫作焦耳定律。 公式Q=I2Rt。 单位：电流I—安培（A），电阻R—欧姆（Ω），时间t—秒（s），热量Q—焦耳（J）。 ［提问］回顾刚刚的问题，电炉丝热得发红、导线几乎不发热，为什么会出现这种差异？现在我们利用焦耳定律来解决我们的疑惑。 已知电炉丝的阻值为40Ω，导线的阻值为0.04Ω，电路中的电流为5A，通电时间为100s，通过计算说明为什么电炉丝热得发红，而与它串联的导线却几乎不发热？ ［说明］运用焦耳定律计算电热时应注意： （1）焦耳定律公式Q=I2Rt，是由实验总结出来，只要有电流通过导体，都可以用它来计算所产生的热量。 （2）公式中各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的，也是对应于同一状态的。 ［过渡］我们之前学习过电功W=UIt，而本节课学习了电热Q=I2Rt，两者是否相等？这需要结合电路中“电能的转化情况”来判断——不同电路中，电功与电热的关系不同。 ［提问］电热水壶通电后主要将电能转化为什么形式的能？它们相等吗？ ［追问］电风扇通电后主要将电能转化为什么形式的能？产生的电热（内能）与电能相等吗？ ［追问］用电器产生的热量都与电流做功或者消耗的电能相等吗？ ［小结］像刚才接电热水壶的电路中，电流工作时将电能全部转化为内能，这样的电路叫纯电阻电路。初中我们所研究的电路，大部分是纯电阻电路。而电风扇所在的电路，电流工作时，消耗的电能只有一部分转化为内能，大部分转化为机械能，这样的电路为非纯电阻电路。 ［例题展示］一只电熨斗（纯电阻）接在220V电路中，电阻为110Ω，通电10分钟，求产生的热量。 ［追问］若将例题中的电熨斗换成“额定电压220V、电阻10Ω、额定功率100W”的电动机，通电10分钟，能否用Q=UIt计算电热？为什么？应选择哪个公式？ ［小结］ （1）纯电阻电路中，消耗的电能W等于产生的电热Q：W=Q=Pt=UIt=I2Rt=t。 （2）非纯电阻电路中，消耗的电能W大于产生的电热Q：W=UIt＞Q=I2Rt，仅能用Q=I2Rt计算电热。 ［例题展示］四个电阻器的电阻分别为R1、R2、R3、R4。如图甲所示，电阻为R1、R2的电阻器串联后接在电压为U的电路中；如图乙所示，电阻为R3、R4的电阻器并联后也接在电压为U的电路中。已知R1=R3，R2=R4，R1＞R2。 （1）电阻为R1和R2的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？ （2）电阻为R3和R4的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？ ［回答］电流通过电炉丝产生的热量：Q1=I2R1t=（5A）2×40Ω×100s=105J。 电流通过导线产生的热量：Q2=I2R2t=（5A）2×0.04Ω×100s=100J。 Q1远远大于Q2，所以电炉丝热得发红而与它串联的导线却几乎不发热。 ［回答］电热水壶→消耗电能→产生内能 分析： ［回答］电风扇→消耗电能→产生机械能和内能 分析： ［回答］电热与电流做功或者消耗的电能不一定相等。 ［自主解答］ 方法1：Q=I2Rt=（）2×110Ω×10×60s=264000J。 方法2：Q=UIt=220V××10×60s=264000J。 两种方法结果一致。 ［讨论并回答］不能用Q=UIt计算电热，因为电动机所在电路是非纯电阻电路，绝大部分电能转化为机械能，只有少量的电能转化为电热；应选择Q=I2Rt（需先根据P=UI计算电流I===0.45A，再代入计算）。 ［自主解答］解：（1）在串联电路中，通过电阻为R1和R2的两个电阻器的电流相等。根据焦耳定律Q=I2Rt，当I、t相同时，Q与R成正比，由于R1＞R2，因此相同时间内电阻为R1的电阻器放出的热量比电阻为R2的电阻器多。 （2）在并联电路中，电阻为R3和R4的电阻器两端的电压相等。根据焦耳定律Q=I2Rt和欧姆定律I=，可得Q=t。 由公式可知，电压相同时，相同时间内导体放出的热量与它们的电阻成反比，且R3＞R4，因此相同时间内电阻为R4的电阻器放出的热量比电阻为R3的电阻器多。
　任务三　认识电热的利用与防止
教师活动 学生活动
［过渡］焦耳定律明确了电热与电流、电阻和通电时间的关系。生活中我们既会利用电热为生活服务，也需防止过多电热带来的危害，这是科学原理与生活实践结合的重要体现。 ［提问］结合生活经验，哪些电器是利用电热工作的？它们的设计特点是什么？ ［提问］电脑主机内装有风扇，手机背部设计散热孔，电热水器外壳采用隔热材料——这些设计的目的是什么？属于电热的利用还是防止？ ［追问］若电器散热不良（如电脑风扇堵塞、手机套包裹过严），会带来哪些问题？ ［相互讨论并回答］电暖气、电熨斗、电烤箱、电饭煲等；设计特点：内置高电阻发热丝（如镍铬合金丝），能高效地将电能转化为内能。 ［回答］“电脑主机内装有风扇，手机背部设计散热孔”的目的是“防止过多电热损坏设备”，电脑运行时，CPU产生大量热量，风扇转动加速空气流动，带走热量，属于电热的防止；“电热水器外壳采用隔热材料”的目的是防止电热散失，浪费电能，属于电热的利用。 ［讨论并回答］会导致设备温度过高，出现“电脑蓝屏、手机死机、电池鼓包”等问题，造成安全隐患，影响用电器使用寿命。
教师活动 学生活动
［任务］请以小组为单位，用思维导图总结本节课核心内容。 ［总结］通过对电流热效应及焦耳定律的学习，我们认识了电流的热效应、影响电热的因素、焦耳定律的表述及公式、电热的利用与防止、复杂电路中电热的计算、多挡电路的相关分析与计算，会利用所学知识解决生活中的电热计算、利用与危害防治问题。 ［小组合作］总结本节课知识，绘制思维导图。
第4节　焦耳定律
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(共32张PPT)
第十八章 电功率
第4节 焦耳定律
素养目标
物理观念：知道电流的热效应；了解焦耳定律，能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象，分析解决简单的实际问题。
科学思维：结合电功的表达式和欧姆定律推导焦耳定律的表达式，培养演绎推理能力； 能建立物理模型，简化复杂问题，运用焦耳定律分析实际问题。
科学探究：通过 “探究电流产生的热量与哪些因素有关” 的实验，体会实验中控制变量的方法，发展观察、分析、处理信息、得出结论的能力。
科学态度与责任：知道电热危害的防止与应用，关注生活、生产中的电热问题，形成应用物理知识造福生活、改进生产的科学态度与责任。
冬天用电暖器取暖，房间温度快速升高；电热水壶通电一段时间后，壶里的水被加热。
情境导入
为什么这些用电器使用时都会出现发热的现象？
很多用电器接通电源后都伴有热现象产生，这一过程中能量是如何转化的呢？
电能→内能
新知探究
任务一 认识电流的热效应
电流的热效应：电流通过导体时电能转化为内能。
我热得发红!
我怎么热不起来呢？
电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关？
新知探究
任务一 认识电流的热效应
讨论与交流：
1.电炉丝的材料是镍铬合金丝，导线材料是铜。不同的材料会影响产生的热量吗？
2.电炉丝通电的时间越长，那么电炉的产生的热量会如何？
3.大功率的电热水壶烧开水和小功率的电热水壶烧开水谁会更快一点呢？
新知探究
任务一 认识电流的热效应
电流通过导体时产生的热量的多少与什么因素有关呢？
提出问题：
探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关
猜想：
1.可能与电阻有关。
2.可能与通电时间有关。
3.可能与电流有关。
新知探究
任务一 认识电流的热效应
设计实验：
当一个物理量可能与多个因素有关，用什么方法去研究？
用什么办法去体现热量的多少？
控制变量法
转换法
如何保证探究电热与电阻的关系时，电流和通电时间相同？探究电热与电流和通电时间时呢？
比较液面高低即可比较产生热量多少
新知探究
任务一 认识电流的热效应
进行实验：
实验1：探究电热与电阻的关系。改变电阻 R，同时控制电流 I、通电时间 t 不变，观察U形管液面高度的变化。
新知探究
任务一 认识电流的热效应
新知探究
任务一 认识电流的热效应
实验 电热与电阻的关系
实验结论：
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，这段电阻丝产生的热量越多。
实验2：探究电热与电流的关系。改变电流 I，同时控制电阻R、通电时间 t 不变，观察U形管液面高度的变化。
新知探究
任务一 认识电流的热效应
新知探究
任务一 认识电流的热效应
实验 电热与电流的关系
实验结论：
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，这段电阻丝产生的热量越多。
实验3：探究电热与通电时间的关系。改变通电时间 t，同时控制电阻R、电流 I不变，观察U形管液面高度的变化。
新知探究
任务一 认识电流的热效应
实验 电热与通电时间的关系
实验结论：
在电阻相同、电流相同的情况下，一段电阻丝的通电时间越大，这段电阻丝产生的热量越多。
焦耳定律：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。
Q =I2Rt
1J=1A2×1Ω×1s
新知探究
任务二 焦耳定律
热量用Q表示，单位是J
电流用I表示，单位是A
电阻用R表示，单位是Ω
通电时间用t表示，单位是s
焦耳（1818-1889）
焦耳，英国物理学家。他的父亲是一个酿酒厂主。焦耳自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。后来在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导。焦耳向他虚心的学习了各种知识，这为焦耳后来的研究奠定了理论基础。
焦耳一生致力于实验研究，用近40年的时间做了400多次实验，研究热和功的关系。通过大量的实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。
新知探究
任务二 焦耳定律
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，而导线却几乎不发热？
电炉丝通过导线接到电路中，流过导线的电流全部流过电炉丝，导线中的电流跟电炉丝中的电流相等。但导线的电阻远小于电炉丝的电阻。
新知探究
任务二 焦耳定律
根据焦耳定律 Q＝I2Rt 可知，在相同时间内，电炉丝产生的热量远大于导线产生的热量，所以电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热。
电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，那么电流产生的热量Q就等于消耗的电能W。即：Q =W =UIt = I2Rt
新知探究
任务二 焦耳定律
若电流通过用电器，电能没有全部转化为内能，部分转化为其他形式的能量，那么电流产生的热量Q就小于消耗的电能W。
即：Q ＜W。
新知探究
任务二 焦耳定律
一只电熨斗接在220V的电路中，电熨斗的电阻为 110 Ω， 通电10 min产生多少热量
I =
U
R
解：
=
220V
110Ω
= 0.5A
Q = I2Rt
= (0.5A)2×110Ω×600s
= 16500J
新知探究
任务二 焦耳定律
例题1
新知探究
任务二 焦耳定律
如果是一只额定电压为220V、线圈电阻为10Ω、额定功率为110W的电动机接在220V的电路中，通电10 min会产生多少热量
消耗的电能：W总=Pt=110W×600s=66000 J
产生的热量：Q=I2Rt=(0.5A)2×10 ×600s=1500 J
得到的机械能：W机=W总－Q=66000 J－1500 J=64500 J
正常工作时的电流：I =
P
U
=
110W
220V
= 0.5A
四个电阻器的电阻分别为 R1、R2、R3、R4。如图甲所示，电阻为 R1、R2的电阻器串联后接在电压为 U 的电路中；如图乙所示，电阻为 R3、R4 的电阻器并联后也接在电压为 U 的电路中。已知 R1＝R3，R2＝R4，R1>R2。
新知探究
例题2
乙
U
R4
R3
甲
U
R1
R2
任务二 焦耳定律
（1）电阻为 R1、R2 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？
（2）电阻为 R3、R4 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？
新知探究
乙
U
R4
R3
甲
U
R1
R2
任务二 焦耳定律
（1）电阻为 R1、R2 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？
新知探究
解：（1）在串联电路中，通过电阻为R1和R2的两个电阻器的电流相等，根据 Q=I2Rt 可知，当I、t相同时，Q与R成正比，由于R1 > R2 ，因此相同时间内电阻为R1的电阻器放出的热量比电阻为R2的电阻器多。
甲
U
R1
R2
任务二 焦耳定律
（2）电阻为 R3、R4 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？
新知探究
乙
U
R4
R3
（2）在并联电路中，电阻为R3和R4的电阻器两端的电压相等。根据焦耳定律 Q = I2Rt和欧姆定律 ，可得 。由公式可知，电压相同时，相同时间内导体放出的热量与它们的电阻成反比，且R3>R4 ，因此相同时间内电阻为R4的电阻器放出的热量比电阻为R3的电阻器多。
U
R
I=
U2
R
Q= t
任务二 焦耳定律
想想议议:
额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。二者似乎矛盾，这是怎么回事
前者前提条件是电压相同，虽说额定电功率大的灯泡电阻小，但此时该灯泡的电流较大；而后者说前提条件是电流相同，按照焦耳定律当然是电阻大的产生热量多。所以我们在应用公式时应该特别注意条件。
新知探究
任务二 焦耳定律
电热的利用：家里的电热水器、电饭锅、电熨斗，养鸡场的鸡苗孵化器等。
新知探究
任务三 电热的利用和防止
电热的危害：造成安全隐患、影响用电器使用寿命和稳定性等。
新知探究
任务三 电热的利用和防止
电热危害的防止：笔记本电脑通过安装风扇散热，一些手机利用铜片、石墨散热片、热管等散热。大数据服务器会产生大量电热，可通过多种方式进行散热。
焦耳定律
电流的热效应
电热的影响因素：I、R、t
焦耳定律
电热的利用和防止
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: Q = I2Rt
定义
课堂小结
2.现有甲、乙两个电炉子，已知电炉电阻R1＞R2，分别接入电压为220V的电路中，相同时间内它们发热情况是（ ）
A.甲放热多 B.乙放热多
C.同样多 D.无法判断
1.计算电流通过电风扇产生的热量，下面公式选用正确的是
（ ）
A.UIt B. C.I2Rt D.前面三个都可以
C
B
课堂练习
U2
R
t
3.用如图所示的装置探究“影响电流热效应的因素”。电阻丝R1和R2分别密封在两只完全相同的烧瓶中，且R1A.该装置可以用来探究电流热效应与电流大小的关系
B.闭合开关后，装R1电阻丝的烧瓶中温度计示数上升得较快
C.实验中，通过温度计示数的变化来
比较电阻丝产生热量的多少
D.将某一烧瓶中的煤油换成等质量的
水，可比较煤油和水的比热容大小
C
课堂练习
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)请根据实物电路，在虚线框图内画出对应的电路图。
(3)为达到实验目的，选用的两电阻丝R1与R2的阻值应______，通过R1的电流_______通过R2的电流。
R2
R1
绝缘体
相等
小于
课堂练习
(4)通电一段时间后，乙烧瓶中玻璃管内液面上升的高度较
大，说明____________________________________________。
(5)小红用下图装置，进一步探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”。经多次测量，收集数据，绘制了烧瓶中玻璃管内液面上升的高度h与电流的关系图像，根据焦耳定律可
知，下列图像中能正确反映h-I 关系的是____。
电阻和通电时间相同，电流越大产生的热量越多
A
课堂练习

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