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(共33张PPT)
第十八章 电功 电功率
第4节 焦耳定律
素养目标
1.认识电流的热效应，认识电流通过导体时电能转化为内能。理解焦耳定律内涵，掌握公式（Q=I2Rt）
及应用，并能利用该定律解释生活中电热的利用与防治现象。
2.在探究电热与哪些因素有关时，能理解并运用控制变量的物理方法，在电流和通电时间相同的情况下探究电阻对电热的影响，在电阻和通电时间相同的情况下探究电流对电热的影响。
3.体验探究过程：体验“提出问题—设计实验—进行实验—分析现象—得出结论”的科学探究过程，提高实验探究能力和思维能力。
4.辩证看待电热现象，培养将物理知识与生活实际相联系的意识和能力。
一、创设情景，引入新课
电炉工作时，电炉丝是通过导线接到电路中，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？
想一想：
教室里的电子白板连续使用几小时时，人经过电子白板时感到电子白板在发热，说明什么？
电流通过导体时，导体会出现发热现象，那么导体的发热是一种什么现象？发热的多少与什么有关？怎么验证我们的猜想？
二、电流的热效应
（1）寻找以下用电器的共同特点
电烤箱、电热毯、电熨斗、电饭煲、暖风机、电烙铁等有什么共同点？
电烤箱
电饭煲
电热毯
电暖风机
电熨斗
电烙铁
分析：用电器工作时都要消耗 能，工作时都会发热，在这个过程中，
能转化为 能。
（2）电流的热效应
电流通过导体时 能转化成 能，这种现象叫做电流的热效应。
电
内
电
内
电
1.电流的热效应
2. 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
【猜想及其依据】
（2）可能与导体的电阻有关。
因为导体在有电流通过时才会发热，所以电流通过导体时产生热的多少跟电流有关；
（1）可能与通过导体的电流有关。
（3）可能与通电时间有关。
导线和电熨斗串联接入电路中，通过的电流是相同的，电熨斗很热、温度高，而导线几乎不热，因此电流产生的热可能与电阻有关。
由生活经验可知，用电器通电的时间越长，电流产生的热量也会越多。
演示实验：
【设计实验 】
（1）实验装置介绍（焦耳定律演示器）
透明的塑料容器内部密闭着等量的空气；容器内部的空气与U形管一端相连通。容器中各有一段电阻丝，两个容器里的电阻丝串联在一起接入电路。
（2）实验原理
如图所示，两个完全相同的透明容器中密封着空气，U形管中液面的高度的变化反映密闭空气的体积变化。同时使用两个密闭容器时，哪一侧U型管中液柱出现的高度差大，表明哪一侧的电阻丝产生的热量多。
（3）研究方法
②转换法：
①控制变量法：
在探究电流通过导体产生热的多少跟电流、电阻、通电时间的关系时，每次实验应该控制两个物理量不变。
实验中通过观察U形管液面的高度差来比较电流产生热量的多少，这种研究方法叫转换法。
U形管液面的高度差越大，电流产生热量越多。
加热时
（4）实验电路图、器材如下所示：
为了进行多次实验，需要改变通过两个电阻丝的电流，所以在电路中串联一个滑动变阻器，通过移动滑片改变电流。
（5）实验记录表
【进行实验】
（1）探究电流通过导体产生的热量跟电阻的关系
（2）探究电流通过导体产生的热量跟电流的关系
的分流作用，
将两根阻值不等的电阻丝串联接入电路。闭合开关，通电一段时间，观察U形管液面高度差的变化。
在右方密封盒外并联一个5Ω的电阻R3，目的是改变通过盒内电阻的电流大小，由于R3
因此通过两个容器中电阻的电流不同：I1=2I2。从而研究电流通过导体产生的热量跟电流的关系。
闭合开关，通电一段时间后，观察U形管液面高度差的变化。
想一想：在这个电路中，为什么是I1=2I2？
（3）探究电流通过导体产生的热量跟时间的关系
闭合开关，电路通电一段时间后，观察同一个密封盒U形管液面的高度差的变化。
【收集证据】
请收集两个实验的相关数据，填入下表中。
大
大
小
小
【分析论证 】
（1）分析实验步骤（1）可发现：在 和 相等的情况下，
越大，电流产生的热量越多。
电阻
电流
通电时间
（2）分析实验步骤（2）可发现：在 和 相等的情况下， 越大，电流产生的热量越多。
（3）分析实验步骤（3）可知：
在 和 相等的情况下，
越长，电流产生的热量越多。
电流
通电时间
通电时间
电流
电阻
电阻
归纳实验结论
（1）在 相同、 相同的情况下， 越大，这个电阻产生的热量越多。
（2）在 相同、 相同的情况下，通过一个电阻的
越大，这个电阻上产生的热量越多。
电流
电流
电阻
电阻
通电时间
通电时间
（3）在 相同、 相同的情况下， 越长，这个电阻产生的热量越多。
视频演示——《电流通过导体产生的热量跟电阻的关系》
视频演示——《电流通过导体产生的热量跟电流的关系》
电流
电阻
通电时间
三、焦耳定律
1. 焦耳定律
英国物理学家焦耳用近40年的时间做了400多次实验，发现了电流通过导体产生的热量跟导体电阻、通过导体的电流及通电时间之间的关系，即焦耳定律。
（1）内容：
电流通过导体产生的热量跟 的平方成正比，跟导体的 成正比，跟 成正比。
（2）公式：
Q = I2Rt
电流
电阻
通电时间
（3）公式中Q = I2Rt 各量单位：
I 表示电流，单位是安培（A）
R 表示电阻，单位是欧姆（Ω）
t 表示时间，单位是秒（s）
Q表示热量，单位是焦耳（J）
1焦耳=1安2×1欧×1秒
（4）物理学家——焦耳
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。
电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时转化为其他形式的能量，那么电流产生的热量Q就等于消耗的电能W，
。
再根据欧姆定律得出 ，就得到 。
即Q =W=UIt
U=IR
Q =I2Rt
可见，在消耗的电能全部用来产生热量时，根据电功公式和欧姆定律推导出的结论与焦耳定律一致。
想想议议：课前的问题：
电炉工作时，电炉丝是通过导线接到电路中，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？
2. 推导焦耳定律
如果用导线把电炉接到电路中，通过导线的电流全部通过电炉丝，导线中的电流跟电炉丝中的电流相等。
通过前面的学习我们已经知道，导线的电阻很小，常见1 m长的导线，电阻不过百分之几欧姆，而电炉丝的电阻为几十欧姆。所以，尽管通过的电流相等，通电时间相同，由 可知，电炉丝很热，而导线却不热。
Q =I2Rt
想一想：若电流通过用电器时，电能没有全部用于产生热量，那么电能与转化的内能还会相等吗？怎么解释？
不相等。
例如电动机转动时消耗的电能大部分转化为机械能，则消耗的电能大于电流所产生的热量。
3.电功、电功率、焦耳定律计算公式及其适用范围
普遍适用
W=U2/Rt=I2Rt
P=U2/R=I2R
Q=U2/Rt=UIt
纯电阻电路
Q=W
例1：四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？
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。
由焦耳定律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的电阻器放出的热量多。
（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 = U/R ，可得 Q = U2R 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的电阻器的多。
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
似乎有矛盾
，这是怎么
回事？
想想议议：
第一种说法，在通电时间和电压相同的情况下，根据Q=U2t/R可知，电阻越小，产生的热量越多；
第二种说法，在通电时间和电流相同的情况下，根据Q=I 2Rt 可知，电阻越大，产生的热量越多。
两种说法在各自前提下都是正确的，所以二者不矛盾。
四、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。
利用电热孵化器孵小鸡
2. 电热的防止
电流的热量有时是有害的，应该及时解决。
（1）例如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。
（2）电视机散热方法：
在后盖开有很多孔，为了通风散热。
（3）投影仪的散热方法：
除在侧壁开孔外，内部还装有电风扇，工作时电风扇转动把热量吹到机器外面，可以降低灯泡、机器内部元件的温度。
散热风扇
散热孔
大数据基地的散热设备
例2：电流具有热效应，学习了电流的热效应后，关于电热的下列几个说法错误的是（　　）
A．电热会烧毁电器元件，引发火灾，有百害而无一利
B．电流通过任何用电器都或多或少地会产生热量
C．因为电流过大产生电热而烧坏局部电路，可用于整体电路的保护
D．为防止电热带来的危害，要尽量减少电热的产生并考虑如何加快散热:
A
课堂总结
焦
耳
定
律
电流的
热效应
电流通过导体时电能转化成内能的现象。
电流通过导体产生热的多少跟电流、
电阻、通电时间有关。
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。
公式: Q=I2Rt
推导公式：Q=U2/Rt=UIt 适用于纯电阻电路。
电功W与电热Q：纯电阻电路中Q=W
非纯电阻电路中Q＜W
电热的利
用和防止
应用：电热器。防止：散热器等
下 课
Thanks!
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