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焦耳定律
第十八章　电功率
上周六，我们班小白同学的爸爸出门前嘱咐他好好写作业，不要看电视。爸爸回来时看到他在认真写作业，电视机也没打开，很高兴。 可是他爸爸 后就发现，小白刚看过电视。
生活中的物理
用手一摸电视机后盖
谁知道他爸是根据什么道理判定的吗？
电流通过导体时电能转化成内能（热能）
这些用电器工作时的共同点是什么
热水器
电烤箱
　　生活中，还有哪些用电器通电后，都伴有热现象产生？请举些例子。
1.知道电流的热效应
2.通过探究知道通电导体放出的热量跟哪些因素有关
3.知道焦耳定律的内容，并能解决简单问题
明确目标 有的放矢
一、电流的热效应
1.定义：电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应。
（电流通过导体时，导体会发热）
点亮的灯泡过一会儿会烫手，说明什么？
电流还具有磁效应
和化学效应
思考：电炉丝和导线串联接入电路，为什么电炉丝热的发红，而导线却几乎不发热？
提出问题:
电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关？
电炉
猜想：电流通过导体时产生热的多少与 有关 有什么关系？
【设计实验】
讨论1：当大家猜想电热与多个因素有关，实验研究时应用 什么方法去研究？
控制变量法
讨论2：（观察实验装置）
（1）用什么方法去观察不可见的物理量（电热）？
电热——
通过空气受热膨胀程度，观察产生热量的多少。
像这种利用物理量产生的效应来观察不可见的物理量的方法叫转换法。
实验中，通过观察两个U形管中染色水柱液面高度的变化来判断产生热量的多少。
实验装置
（2）如何比较电流通过导体产生热量的多少？
电流通过导体时产生热的多少与什么因素有关
演示实验
实验装置
1.两个封闭容器不能漏气，空气要等量。
2.U型管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。
转化法
[实验一] 研究电热与电阻的关系
应控制不变的物理量：
应变化的物理量：
怎样才能使不同的电阻有相等的电流和通电时间？
将不同的电阻
设计实验：
电流和通电时间相同
电阻
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
A
串联
[分析]与大家交流
实验表明：
　　在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。
[实验二]研究电热与电流的关系
应控制不变的物理量：
应变化的物理量：
设计实验
[分析]与大家交流
实验表明：
I = 2I1
I
A
R = 5 Ω
R = 5 Ω
R = 5 Ω
I1
　　在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。
电阻和通电时间相同
电流
怎样才能使相同的电阻通过的电流不相等呢？
演示
电阻丝
结论：
在电流、通电时间相同时，阻值 大 的电阻产生的热量多。
探究一：电热多少与电阻大小的关系
实验验证
瓶中用煤油，比热容小升温快。
温度计示数反映产生电热的多少
演示
电阻丝
结论：
在电流、电阻相同时，通电时间 长 的产生的热量多。
探究二：电热多少与通电时间的关系
实验验证
演示
电阻丝
结论：
在通电时间、电阻相同时，电流越 大 的产生的热量多。
探究三：电热多少与电流大小的关系
实验验证
分析论证、得出结论：
结论1. 在通电电流和通电时间相同的条件下，_________________________________________。
结论2. 在电阻和通电时间相同的条件下，_______________________________ 。
结论3. 在通电电流和电阻相同的条件下，_____________________________。
通电时间 长 的产生的热量多
电流越 大 的产生的热量多
阻值 大 的电阻产生的热量多
2．因素：电流通过导体产生的热量跟电流，导体的电阻和通电时间有关。
　　焦耳（James Prescott Joule，
1818—1889），英国物理学家。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。
焦 耳
科学漫步
二、焦耳定律
3．单位： Q—焦耳（J） I —安培（A）
R —欧姆（ Ω ） t —秒（S）
1．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
4．意义：反映电流通过导体时产生热效应的规律，
5．适用范围：所有用电器工作时产生的热量。
定量的揭示了电能转化为内能的规律。
Q = I2Rt
=(0.6 A)2×60 W×300 s
= 6 480 J
　　一根 60 Ω 的电阻丝接在 36 V的电源两端，在 5 min内共产生多少热量
答: 在 5 min 内共产生 6 480 J 热量。
解:
例题
I =　 =　　　= 0.6 A
U
R
36 V
60 Ω
练习：课本102页1--4题
　　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
答：前者说电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多，前提条件是电压相同；而后者说，电阻越大，单位时间内产生的热量越多，前提条件是电流相同，两者并不矛盾。所以我们在应用公式时应该特别注意条件。
（1）Q = W = UIt = I2Rt=U2/Rt=Pt
三、电能和电热关系
1．纯电阻电路
当电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有
同时转化成其他形式的能量，那么电流产生的热量Q 就
等于消耗的电能W，即
　如：电阻丝，电暖器，电饭锅，电炉子等。
P = UI = I2R=U2/R
（2） 在只有R1和R2串联时： Q 1： Q 2=R1：R2
在只有R1和R2并联时： Q 1： Q 2=R2：R1
练习：助学小试身手第4题
当电扇工作时，消耗的电能只有一小部分转化为电热，主要转化为电机的机械能。
　　W＞Q热
电能 内能+机械能
2．非纯电阻电路
3.电动机
（1）能量转化：
电能 = 机械能 + 内能
（2）总功（电能）：
W总=UIt
（3）有用功（机械能）：
W有=Gh
（4）无用功（内能、热量）：
电动机:不动时（纯电阻）
W=Q热
（5）
说明：电功与电热区别：
电功是指电流通过一段电路所做的功，它的大小表示电路消耗电能的多少，也表示有多少电能转化为其他形式的能.
电热是指电流通过一段电路做功，电能转化为内能的那一部分.
两者表示的意义不同，是两个不同的概念.
例1 一电动机的线圈电阻为1Ω，线圈两端所加电压为2V时，电流为0.8A，此时电动机正常工作.
（1）在求电动机正常工作1min所消耗的电能时，有以下两种不同的解法：
小明的解法：W=UIt=2V×0.8A×60s=96J;
小华的解法：W=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J.
你认为哪位同学做得对，请做出判断并说明理由.
（2）求电动机正常工作1min所转化的机械能是多少？
解：（1）小明的解法正确.因为电动机为非纯电阻电路，其电流与电压、电阻之间的关系不满足欧姆定律，故含电动机的电路不能用含欧姆定律的推出公式求电功.
（2）1min内电动机产生的电热为：
Q=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J;
则在1min内，这台电动机所转化的机械能是：
W机=W-Q=96J-38.4J=57.6J.
1. 有一台直流电动机在220V的电压下工作时，电流为35A。用它匀速提升质量为1400kg的货物，在2s内提升了1m。设电动机输出的能量全部用来提升货物。问：
1）2s内电动机对货物做了多少功？　
2）这期间电动机的效率是多少？
3）电动机消耗的电能转化成了哪些形式的能量？
巩固练习
1．电热的利用
利用电热孵化器孵小鸡
用来加热
　　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。
四、电热的利用和防止
　　很多情况下我们并不希望用电器的温度过高。如：电视机的后盖有很多孔，为了通风散热；
电脑运行时要用微型风扇及时散热等等。
2．电热的危害
方法：1.减小电阻（更换导线）
2.加快散热（散热孔、散热片、散热风扇等）
我们知道P=I2R，你能用它解释下面的问题吗？
电炉丝接入电路中时，电炉丝热得发红，而跟电炉丝串联的导线却几乎不发热。这是为什么
问题1：
因为电炉丝与导线是串联，根据P=I2R可知：通过电炉丝和导线的电流相等，电炉丝比导线电阻大，所以电炉丝产生的热量多。因此电炉丝热得发红，而导线不热。
为什么接在家庭电路中的灯泡，100W的要比15W的亮得多？
问题2：
在上节课，我们知道 ，你能用它解释下面的问题吗？
因为两灯泡是并联，根据 可知：灯泡两端的电压相等，100W的灯泡比15W的灯泡电阻小，所以100W的灯泡产生的热量多。因此100W比15W灯泡更亮。
3. 一个灯泡的灯丝烧断了，把断的灯丝搭在一起，灯泡会更亮，为什么
答: 断的灯丝搭在一起，使得灯丝变短、变粗，灯
丝电阻比原来小了，根据 P = ，电路电压不变，则
灯的功率变大，灯更亮。
U2
R
4. 为什么在照明电路中接入大功率的用电器，电线将显著发热
答：在照明电路中接入大功率的用电器时，总功率增大，在电压一定时，根据 I = ，电路中电流将迅速增大，因为 Q = I2Rt，导线电阻不变，相同时间内产生的热量增多，所以电线将显著发热。
P总
U
5. 为什么用电高峰时，灯较暗？
答: 家庭电路中，如图各用电器是并联的，用电高峰时，电路中总电流增大，输电线上电压 U2 增大，灯两端电压 U1 减小，
灯变暗。
U2
U1
U
R
课堂小结
回忆本节课内容
1.电流的热效应与哪些因素有关？
2.焦耳定律
3.电功与电热的关系
4.电热的利用 防止
课堂小结
电功（W）
纯电阻用电器 W=Q
非纯电阻用电器 W>Q
热量 Q=I2Rt
其它形式能 W Q
多档位问题
例1 严寒冬季，我国北方哨兵脚上穿有电热靴。一只靴内加热电路如图1所示，电源电压恒定，S2为三挡旋钮开关（金属片M可分别拨至a、b、c处），电阻丝R1、R2规格相同且阻值不变，b为电阻丝R1的中点。这只电的低温挡为6W，则其中温挡和高温挡分别为（ ）
A.8W，12W
B.8W，24W
C.12W，18W
D.12W，24W
R1
R2
S1
S2
a
b
c
M
图 1
A
类型一、电热丝串联
电热丝串联的多挡电热器，只有一个电热丝工作时电
热器处于高温状态，电热丝串联都工作时电热器处于
低温状态。
练习.下图是普通家用两档电取暖器内部简化电路图，R1、R2为电热丝，且电阻阻值相同，高温档位功率为1100W，低温档位功率为440W，家庭电路电压U=220V，求：
（1）电取暖器处于高温档位时电路中的电流；
（2）电路中R1的阻值；
（3）如果普通家庭生活用电的电费价格为每度0.55元，试计算用该电取暖器的低温档位取暖4小时需要缴纳的电费。
【答案】（1）5A
（2）44Ω
（3）0.968元
类型二、电热丝并联
电热丝并联的多挡电热器，开关都闭合时两个电热丝并联都工作电热器处于高温挡，单独一个电热丝工作时电路处于中温或低温挡。
例2 某三挡电炖锅的工作电路可简化为如图2所示的电路图，其两段电热丝的阻值分别为R1和R2，且R1> R2，说明书的部分参数如下表。
（1）在低温挡工作时，电路中的电流多大 （结果保留一位小数）
（2）请直接判断当开关S1断开、S2闭合时，电炖锅处于哪个挡位，并求出R2的阻值。
图 2
答案 (1)0.9A (2)中温 121Ω
例3 小明家买了一台电烤箱，有低、中、高三个挡位的发热功率，如图是其内部简化路图，开关S1可分别与触点a、b接触.已知：R1=48.4Ω，R2=96.8Ω，电源电压保持不变.请分析和解答以下问题：
（1）当开关S1置于b端、S2断开时，电烤箱处于什么挡位？说理由.
（2）电烤箱在中挡位工作时，消耗的电功率是多少？
（3）在高挡位工作时，对食物加热6min，消耗的电能为多少？
类型三、串、并联转换
串、并联转换电路，电热丝并联时电热器处于高温挡，
一个电热丝单独工作时处于中温挡，电热丝串联工作
时处于低温挡。
解：（1）低挡位.当开关S1置于b端、S2断开时，电阻R1与R2串联，电路中的电阻最大，由 可知，此时电功率最小，是低挡位.
（2）当开关S1置于b端、S2闭合时为中挡位，电烤箱消耗的电功率
电烤箱消耗的电能
W=P总t=1.5×103W×6×60s=5.4×105J.
（3）当S1置于a端，S2闭合时，电烤箱在高挡位，电阻R1与R2并联，电烤箱消耗的总功率
对于多档位的用电器，当电热丝在电路中不同连接时，特点如下：
（1）电源电压不变(家庭电路220V)
（2）连接方式改变电阻改变
（3）通常依据公式 ，来判断档位。
电阻大，功率小，档位低
电阻小，功率大，档位高
多档位问题
多档位电热器类型归纳：
1.电阻丝串联型-----单电阻，为加热档，多电阻为保温档。
2.电阻丝并联型------单电阻，为保温，多电阻为加热。
P高=P低+P中
3.电阻丝串并联转换型------并联时电热器处于高温挡，一个电热丝单独工作时处于中温挡，电热丝串联工作时处于低温挡。
解题方法总结：
1.明确电路的连接方式
2.求出电阻
3.利用P=U2/R求出电功率

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