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第18讲　电与热
考点1　电流的热效应
　　电流的热效应：电流通过导体时将 　电　 能转化为 　内　 能的现象叫做电流的热效应。
电　
内　
考点2　焦耳定律
1.内容：电流通过导体产生的热量与 　电流的二次方　 成正比，与导体的 　电阻　 成正比，与通电 　时间　 成正比。
2.公式：Q＝ 　I2Rt　 。
说明：（1）纯电阻电路：电流做功消耗的电能全部转化为内能，
Q＝W＝Pt＝UIt＝t＝I2Rt。
（2）非纯电阻电路：电流做功消耗的电能转化为内能和其他形式的能，
W＝Pt＝UIt＞Q＝I2Rt。
电流的二次方　
电阻　
时间　
I2Rt　
考点3　电热的利用与防止
1.电热的利用：凡是用电流热效应来加热升温的用电器都属于电热的利用，如电饭煲、电炉、电熨斗、电热水器、电取暖器等。
2.电热的防止：如电视机的散热窗、电脑里的风扇等。
【提分小练】
1.将电能输送到几百千米之外的用户，在输电线上会有能量的损耗，这主要是由电流的 　热　 效应引起的。某段输电线路的总电阻为0.5 Ω，输送电流为100 A，每输电1 min这段线路便会损耗 　3×105　 J的电能。
2.下列情况中不属于防止电热危害的是（　B　）
A.电视机的后盖有许多孔
B.家电长时间停用，隔段时间应通电一次
C.电动机外壳有许多散热片
D.电脑机箱内有小风扇
热　
3×105　
B
实验　研究电热与哪些因素有关
　　【例】如图，在“研究电热与哪些因素有关”的实验中，同学们猜想电热可能与电流大小、电阻大小以及通电时间长短有关。
（1）左侧密闭容器内电阻丝阻值为5 Ω，右侧密闭容器外部，将一个阻值为5 Ω的电阻与这个容器内的电阻丝并联，目的是使通过左、右两密闭容器内电阻丝的 　电流　 不同，右侧容器内电阻丝的阻值应为 　5　 Ω，才能符合实验研究的要求。
（2）在第（1）问实验中测得，通过左侧密闭容器内电阻丝的电流大小为1 A，则通过右侧密闭容器中的电阻丝的电流大小为 　0.5　 A；U形管中液面高度差反映密闭空气温度的变化，左侧U形管中液面高度差大于右侧U形管中液面高度差，说明：在电阻和通电时间一定时，通过导体的电流越 　大　 ，导体产生的热量越
　多　 。
（3）本实验研究的是电流的 　热　 效应，从能量转化的角度分析，是 　电　 能转化为 　内　 能。
电流　
5　
0.5　
大　
多　
热　
电　
内　
【设计与进行实验】
【分析与讨论】
（4）由于电流产生的热量不易直接测量，因此在实验中是通过观察U形管中液面高度的变化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
　转换　 法。
（5）电阻丝产生的热量与通电时间 　有关　 （选填“有关”或“无关”）。
（6）实验中通过观察U形管左右液面高度差的变化来反映电阻产生热量的
多少，下列实验中，也运用了这种实验方法的是 　A　 （填字母）。
A.探究物体的动能跟哪些因素有关
B.探究杠杆的平衡条件
转换　
有关　
A　
（7）某实验小组发现通电一段时间后，其中一个U形管中的液面高度几乎不变，发生此现象的原因可能是 　容器密闭性不好（合理即可）　
（8）某小组在利用如图所示的装置实验时，发现左右两侧U形管液面上升高度相同，与其他小组的实验现象都不同，经检查气密性良好，请你分析实验现象不同的原因： 　右侧容器外电阻断路　 。
（9）你认为做这个实验产生误差的主要原因是 　实验过程中电阻丝产生的热量不能被容器内空气全部吸收　 。
容器密闭性不好（合理即可）　
右侧容器外电阻断路　
实验过程中电阻丝产生的热
量不能被容器内空气全部吸收　
重难点　关于多挡位电热器电热的综合计算
【例】图甲是一款多功能养生壶，图乙是它的简化电路图，其中R1、R2为电热丝，R1＝R2且电阻不变，下表为其铭牌，其中高温挡的额定功率已模糊不清，已知c水＝4.2×103 J/（kg·℃）。在正常工作的情况下，试问：
项目 参数
电源电压/V 220
低温挡功率/W 200
中温挡功率/W 400
高温挡功率/W
容积/L 1.5
　　解：（1）一满壶水的体积：V＝1.5 L＝1.5 dm3＝1.5×10－3 m3，
由ρ＝可得，水的质量：m＝ρ水V＝1.0×103 kg/m3×1.5×10－3 m3＝1.5 kg，
在1标准大气压下水的沸点为100 ℃，水需要吸收的热量：Q吸＝c水m（t－t0）＝4.2×103 J/（kg·℃）×1.5 kg×（100 ℃－30 ℃）＝4.41×105 J。
（1）在1标准大气压下，将初温是30 ℃的一壶水烧开，水需要吸收多少热量？
（2）由图乙可知，当开关S2接A、开关S1断开时，电路的总电阻最大，电源电压一定，由P＝可知此时总功率最小，养生壶处于低温挡；当开关S2接B、开关S1闭合时R1、R2并联，电路中的总电阻最小，此时总功率最大，养生壶处于高温挡；则当开关S2接A、开关S1闭合时，只有R1工作，养生壶处于中温挡，
因并联电路中各支路独立工作、互不影响，且R1＝R2，
所以，由P＝可知高温挡时R1、R2消耗的功率：P1＝P2＝P中，
则养生壶高温挡的功率：P高＝P1＋P2＝2P中＝2×400 W＝800 W。
（2）高温挡功率是多少？
（3）由η＝可得，烧开这一壶水需要消耗的电能：
W＝＝＝5.88×105 J，
由P＝可得，高温挡烧开这一壶水需要的时间：
t'＝＝＝735 s。
（3）若养生壶用高温挡来加热且加热效率为75％，烧开这一壶水需要多长时间？
【方法指导】
　　一般来说，电热器中只有两个电阻，如何实现“多挡”转换，靠的是使两个电阻处于不同状态来实现。当两个电阻串联时为低温挡；单独使用一个电阻时为中温挡；两个电阻并联时为高温挡。如图丙，当S1接a，S2闭合时，R1与R2并联，总电阻最小，为高温挡；当S1接b，S2闭合时，R1被短路，电路中只有R2，为中温挡；当S1接b，S2断开时，R1与R2串联，总电阻最大，为低温挡。
甲
乙
丙
命题点1　焦耳定律及其应用
1.（2022·遵义）某品牌电热水杯如图甲所示，水杯容量为330 mL，有高、中、低三个加热挡位，图乙为其工作电路简图，其中U恒为220 V，R1＝200 Ω，R2＝550 Ω，则中温挡功率为 　242　 W；若该电热水杯加热效率为90％，则用高温挡将满杯水从20 ℃加热到98 ℃，需要 　364　 s。[ρ水＝1.0×103 kg/m3，c水＝4.2×103 J/（kg·℃）]
甲
乙
242　
364　
2.（2020·遵义）中国茶文化源远流长，遵义是名茶之乡。泡茶时茶香四溢属于 　扩散　 现象；在某次泡茶过程中，用1 500 W的电热水壶正常工作7 min，能将1.5 L水从25 ℃加热到95 ℃，则电热水壶此次加热效率为 　70　 ％。[c水＝4.2×103 J/（kg·℃），ρ水＝1.0×103 kg/m3]
扩
散　
70　
命题点2　关于多挡位电热器电热的综合计算
3.（2023·贵州）如图甲所示的家用电饭锅，其金属外壳通过插座的 　A　 （选填“A”“B”或“C”）孔接地线。若其内部主要部件有：两个阻值相同的发热电阻、温控开关等，熬煮稀饭时，在温控开关的自动控制下按快煮→慢熬→保温三种不同的发热功率完成工作流程，其中慢熬过程仅有一个发热电阻工作，电功率P随时间t变化关系的图象如图乙所示。若快煮过程电流做功为W1，慢熬过程电流做功为W2，则W1∶W2＝ 　1∶3　 。
A　
1∶3　
4.（2022·黔东南州）如图甲是芳芳家新买的一款多功能电饭煲，乙为该电饭煲的工作原理图。R1和R2均为阻值不变的电热丝，S为手动开关，S1为自动控制开关，已知R2＝800 Ω，多功能电饭煲的主要部分参数如下表所示。求：
品名 多功能电饭煲
额定电压 220 V
频率 50 Hz
加热挡功率 605 W
保温挡功率
（1）电饭煲正常工作时，电阻R1的阻值。
解：（1）当电饭煲处于加热状态时，R2被短路，电路中只有R1，电阻R1的阻值：
R1＝＝＝80 Ω。
（2）正常工作的电饭煲处于保温状态时，保温挡的功率。
解：（2）电饭煲处于保温状态时，R1和R2串联接入电路，P保温＝＝＝55 W。
（3）芳芳想了解家里电路的实际电压，她将家里的其他用电器都关闭，只让电饭煲在加热挡工作，观察到家里标有“3 000 revs/（kW·h）”字样的电能表铝盘2 min转过50转，则她家的实际电压。
解：（3）消耗的电能：
W＝＝ kW·h，
电饭煲的实际功率：
P实＝＝＝0.5 kW＝500 W，
她家的实际电压：
U＝＝＝200 V。
5.（2022·毕节）如图甲是某茶具上煮茶器的电路原理图，R1是加热电阻，R2是保温时的分压电阻，S为电源开关，S1为自动温控开关。S、S1都闭合时，煮茶器处于加热状态；当水沸腾后，S1会自动断开，转为保温状态。煮茶器工作过程中的P－t图象如图乙所示，不计电阻值随温度的变化。求：
甲
乙
（1）电阻R1的阻值。
解：（1）由图甲可知，S、S1都闭合时，R2被短路、电路中只有R1工作，此时煮茶器处于加热状态，
根据图乙可知，加热时的电功率P加＝1 100 W，
根据P＝可知，电阻R1的阻值：R1＝＝＝44 Ω。
（2）当煮茶器处于保温状态时，R1的电功率。
解：（2）当S闭合、S1断开时，R1、R2串联，此时为保温状态，
由图乙可知，保温功率P保＝44 W，
由P＝UI可知，保温状态时的电流：I保＝＝＝0.2 A，
根据串联电路的特点可知，通过R1的电流：I1＝I2＝I保＝0.2 A，
当煮茶器处于保温状态时，R1的电功率：P＝R1＝（0.2 A）2×44 Ω＝1.76 W。
（3）当煮茶器处于保温状态时，电阻R2在100 s内消耗的电能。
解：（3）由欧姆定律可知，保温状态时R1两端的电压：
U1＝I1R1＝0.2 A×44 Ω＝8.8 V，
根据串联分压的特点可知，R2两端的电压：U2＝U－U1＝220 V－8.8 V＝211.2 V，
当煮茶器处于保温状态时，电阻R2在100 s内消耗的电能：W2＝U2I2t＝211.2 V×0.2 A×100 s＝4 224 J。
1.下列用电器与电蚊香加热器工作原理相同的是（　C　）
A.电风扇 B.电视机
C.电饭煲 D.电冰箱
2.电热毯的电阻丝断掉后不要将两个断头连接后继续使用，原因是接头处的电阻 　较大　 ，在电流相同时，由于电流的 　热　 效应会导致接头处温度过高产生安全隐患。
C
较大　
热　
巩固训练
3.小华将电阻丝R1和R2（R1＞R2）分别浸没在质量和初温均相同的煤油中，按如图所示接入电路，开关闭合后，通过两电阻丝的 　电流　 相等，根据温度计示数的变化可比较电阻丝产生 　热量　 的多少，通电一段时间，发现甲瓶中温度计的示数上升 　多　 。
4.有三个用电器，一个是“220 V60 W”的电风扇，一个是“220 V　40 W”的电热毯，另一个是“220 V　45 W”的LED节能灯，都正常工作相同的时间，产生热量最多的用电器是 　电热毯　 ，若该用电器工作时的实际电压只有额定电压的80％，则它在100 s内产生的热量为 　2 560　 J。（不考虑温度对其电阻的影响）
电流　
热量　
多　
电热毯　
2 560　
5.如图是某电加热器的工作电路图，电加热器有“高温”和“低温”两挡，其中R1＝44 Ω，R2＝176 Ω。当开关S1闭合，S2 　闭合　 时是高温挡。该电加热器低温挡正常工作5 min产生的热量是 　6.6×104　 J。
闭合　
6.6×104　
6.在探究电流通过导体产生热量的多少与什么因素有关的实验中。某兴趣小组猜想：电流通过导体产生的热量可能与通过导体的电流、导体的电阻和通电时间有关。于是他们利用甲、乙、丙三个装置进行实验探究，如图所示，三个装置的透明容器中各有一段电阻丝，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。
（1）要探究电热与电阻的关系。应选用 　甲、乙　 组合，并将它们 　串联　 接到电源两端进行实验。
甲、乙　
串联　
（2）选用乙、丙组合，串联接到电源两端进行实验，在通电时间相同的情况下，发现乙装置U形管中液面高度变化大，由此可得到的结论是在电阻相同、通电时间相同的情况下， 　通过导体的电流越大，产生的热量越多　 。
通过导体的电流越大，产生的热量越多　
（3）实验中通过观察U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化，在研究许多物理问题时都会用到这种方法，下列实例采用研究方法与此相同的是 　B　 （填字母）。
A.探究电流与电压、电阻的关系
B.用铁屑显示磁体周围磁场分布
C.研究光的传播时，引入“光线”
D.探究平面镜成像的特点
B　
7.某家用电热毯的铭牌和工作原理的简化电路图如表和图所示。当电热毯在额定电压下工作时：
（1）通过R1的电流和R1的电阻各是多少？
解：（1）只闭合S1时，只有R1接入电路，电阻较大，根据P＝知电路处于低温挡，
同时闭合S1、S2时，两电阻并联，电阻较小，根据P＝知电路处于高温挡，
根据P＝UI得通过R1的电流：
I1＝＝＝0.4 A，
R1的电阻：
R1＝＝＝550 Ω。
（2）高温挡工作1 h，电热毯产生的热量是多少？
解：（2）高温挡工作1 h，电热毯产生的热量：
Q＝W＝P高t＝110 W×3 600 s＝3.96×105 J。
（3）写出一条使用电热毯的注意事项。
××牌电热毯
额定电压 220 V
额定功率 高温挡 110 W
低温挡 88 W
解：（3）注意散热（或使用前要认真阅读说明书，不要折叠使用，不要洗涤或干洗，不要长时间使用造成皮肤灼伤，不使用时要及时断电，保持使用时干燥等，合理即可）。　
8.（多选）如图，电源电压保持不变，定值电阻R0＝6 Ω。将滑片滑到滑动变阻器的b端时，闭合开关，电压表的读数为3 V；将滑片滑到滑动变阻器的中点时，电压表的读数为4.5 V。下列判断正确的是（　ABD　）
A.电路中的最小电流是0.5 A
B.电源电压是9 V
C.滑动变阻器的最大阻值是9 Ω
D.移动滑片，R0在通电100 s内产生的热量最多是1 350 J
ABD
9.某款电热杯有高、中、低三挡，简化电路如图所示，S1、S2不能同时闭合，R1的阻值为2.5 Ω。只闭合S3时，电路中的电流为2 A[c水＝4.2×103 J/（kg·℃）]。下列说法正确的是（　C　）
A.电源电压为10 V
B.只闭合S1、S3时，电热杯处于低温挡
C.只闭合S3时，电热杯工作1 min产生的热量为600 J
D.加热100 g水，水温由25 ℃升高到35 ℃，水吸收的热量为420 J
C
10.（多选）有一台家用电水壶，如图所示是其内部电路的简图，R1、R2均为加热电阻，通过旋转旋钮开关可以实现加热和保温两种功能的切换。电水壶加热功率为1 000 W，保温功率为44 W，用此水壶加热初温20 ℃、体积为1 L的水400秒刚好沸腾[忽略温度对电阻阻值的影响，大气压为一个标准大气压，c水＝4.2×103 J/（kg·℃），ρ水＝1.0×103 kg/m3]。则下面说法正确的是（　AC　）
A.旋转旋钮开关到“1”时，水壶处于保温挡
B.水吸收的热量为3.36×104 J
C.此热水器加热挡的热效率为84％
D.在保温时，接入电路电阻的阻值为48.4 Ω
AC
11.小强同学利用家庭实验室中的器材，设计了一个可调节功率的简易“电饭锅”（如图），电源电压为6 V，电阻丝R1＝5 Ω，R2＝15 Ω，a、b是两个触点。闭合开关S，当开关S1接通触点 　a　 时，“电饭锅”的功率更大。将R2接入电路工作 3 min产生的热量是 　432　 J。
a　
432　
12.某品牌电水壶的额定功率为800 W。该电水壶正常工作500 s，将质量为1.5 kg的水从20 ℃加热到80 ℃。已知水的比热容为4.2×103 J/（kg·℃）。在此过程中，试求：
（1）水吸收的热量是多少。
解：（1）水吸收的热量：
Q吸＝cm（t－t0）＝4.2×103 J/（kg·℃）×1.5 kg×（80 ℃－20 ℃）＝3.78×105 J。
（2）电水壶消耗的电能是多少。
解：（2）电热水壶正常工作时，P＝P额＝800 W，
由P＝可得，电水壶消耗的电能：
W＝Pt＝800 W×500 s＝4×105 J。
（3）电水壶加热水的效率是多少。
解：（3）电水壶加热水的效率：
η＝＝＝94.5％。　
13.（多选）如图甲，电源电压恒定，两块电压表的量程均为0～15 V，电流表量程为0～0.6 A。当开关S闭合后，滑动变阻器R的滑片P从最右端b移至最左端时，灯L恰好正常发光，两块电压表和电流表示数的变化关系如图乙所示，下列说法中正确的是（　CD　）
甲
乙
CD
A.电源电压为8 V
B.灯泡L的额定功率为2.4 W
C.滑动变阻器R的最大阻值为20 Ω
D.滑片位于a端时，通电1分钟R0产生的热量是192 J

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