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第六章 电功率
第3节 焦耳定律
1
学习目标
2
课时导入
3
感悟新知
4
随堂检测
5
课堂小结
电流通过灯丝时，电能转化为内能，灯丝变得灼热而发光
情境导入
1. 电流的热效应 电流通过导体时电能转化成内能的现象。
2. 探究电流热效应的影响因素
(1)实验方法：转换法、控制变量法。
知识点
电流的热效应
1
感悟新知
实验详解
1. 转换法：
(1)通过U 形管两边液面高度的变化来反映密闭空气温度的变化，从而反映电阻丝产生热量的多少；
(2)通过观察玻璃管中液面高度的变化来反映产生热量的多少；
(3)用温度计测量液体温度的升高情况来观察产生热量的多少；
(4)通过气球的膨胀程度来反映产生热量的多少等。
2. 控制变量法：实验一是通过串联保证通过导体的电流相同；实验二中，控制导体电阻和通电时间相同，调节滑动变阻器的滑片，从而改变通过导体的电流，探究电热与电流的关系。
(2)实验方案设计
实验一：如图1 甲所示，R1 ≠ R2，可探究电流通过导体时产生热量的多少与导体的电阻的关系。
实验二：如图1 乙所示，探究电流通过导体时产生热量的多少与电流的关系。
实验三：如图1 乙所示，探究电流通过导体时产生热量的多少与通电时间的关系。
(3)实验结论
实验一结论——在通过导体的电流和通电时间相同的情况下，导体的电阻越大，电流通过导体时产生的热量越多。
实验二结论——在导体的电阻和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。
实验三结论——在通过导体的电流和导体的电阻相同的情况下，通电时间越长产生的热量越多。
[中考·绥化] 如图2 所示为“探究电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关”实验的部分装置，两个相同的透明容器中封闭着等量的空气。
例1
(1)实验中通过观察_____________________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______(填序号)。
①探究物体的动能跟哪些因素有关
②探究杠杆的平衡条件
液面的高度差
①
解析：实验中通过观察液面的高度差的变化来反映电阻产生热量的多少，这是转换法；探究物体的动能跟哪些因素有关的实验中，用木块在水平面上被推开的距离的长短来反映物体的动能的大小，也是转换法，故选①。
(2)连接好电路后闭合开关，通电一段时间，观察到右侧液面高于左侧液面，如图2 甲所示，表明在电流和通电时间相同的情况下， ______越大，产生的热量越多。
电阻
解析：在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，
产生的热量越多。
(3)图中U 形管______(填“是”或“不是”)连通器，乙图装置中R3 与R2 并联，目的是使通过R1 与R2 的______不同。
不是
电流
解析：图中U 形管只有一侧上端开口，不是连通器；乙图装置中，R1=R2=R3，其中R3 与R2 并联，根据并联电路的电流关系可知，目的是使通过R1 与R2 的电流不同。
(4)某小组在利用图2乙装置实验时，发现左右两侧U 形管液柱上升高度相同，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可能是： ____________ 。
电阻R3 断路
解析：在利用乙图装置进行实验时，发现左右两侧U形管液面上升高度相同，说明两侧产生的热量相等，即 R 左=R 右。故实验现象不同的原因是电阻R3 断路。
特别提醒
实验中用电阻丝对空气加热可以缩短实验时间，并会使实验现象更加明显。实验中应使两容器密闭且封闭等量的空气，不能漏气。
思想方法
在填充实验结论时，也可以依据教材已有的结论来填充，这里采用的是逆向思维法。
1. 内容 电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。
2. 焦耳定律公式及各物理
量的单位
公式 Q=I2Rt 物理量及单位 电流I A
电阻R Ω
通电时间t s
热量Q J
知识点
焦耳定律
2
(1)公式的意义：公式反映的是电流通过导体时产生热效应的规律，定量地揭示了电能转化为内能的规律。
(2)适用范围：公式是由实验总结出来的，只要是电流所产生的热量，都可以利用这一公式进行计算。
3. 电热的计算
(1)在纯电阻电路中，Q=W=Pt=UIt= t=I2Rt。
(2)在非纯电阻电路中，电热只能用Q=I2Rt 计算。
4. 在纯电阻电路中，电热与电阻的关系
(1)在只有R1 和R2 的串联电路中，通电时间相同时，电热与电阻成正比，即Q1 ∶ Q2=R1 ∶ R2。
(2)在只有R1 和R2 的并联电路中，通电时间相同时，电热与电阻成反比，即Q1 ∶ Q2=R2 ∶ R1。
拓展延伸
电功与电热的关系：
概括地说，电功和电热是整体与局部、全体与部分的关系。
1. 当电路中接入的是电炉、电烙铁、电饭锅、电水壶等“纯电阻”用电器时，消耗的电能全部转化为内能，即W=Q。此时，电功和电热计算没有区别。
2. 当电路中接入的是电动机等用电器时，其消耗的电能主要转化为机械能，只有较少一部分转化为内能，即W ＞ Q。
[中考·齐齐哈尔] 在如图3 所示的电路中，接通电
源，通电一段时间后，_____(填“左”或“右”)侧U 形管液面高度的变化较大，若通
过甲容器中电阻丝的电流是2 A，
则乙容器中电阻丝在1 min 内产
生的热量是_____J。
例2
左
300
解题秘方：右边两个5 Ω 的电阻丝并联后再与左边5 Ω 的电阻丝串联，根据串并联电路的电流规律可知，通过甲容器中电阻丝的电流I甲比通过乙容器中的电阻丝的电流I乙大，且I甲=2I乙，甲、乙两容器中的电阻丝阻值相等，根据焦耳定律Q=I2Rt 可知，通电一段时间后，甲容器中电阻丝产生的热量多，故左侧U 形管液面高度的变化较大；I 甲=2 A 时，I 乙=1 A，乙容器中电阻丝在1 min 内产生的热量Q=I乙2Rt= (1 A)2×5 Ω×60 s=300 J。
特别提醒
运用公式计算电热比较简单，但需要注意以下两个问题：
1. 代入各物理量的数据时，需将其单位换算成符合要求的单位。
2. 本例中有两个电阻值，代入电阻数据计算时，不要用错数据。
[中考·乐山] 电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内的水烧干以前的加热状态，另一种是锅内的水烧干后的保温状态。
例3
如图4 所示是电饭锅的电路图，R1 是一个电阻，R2 是加热用的电阻丝，则自动开关S 闭合时，电饭锅处于______(填“加热”或“保温”)
状态。一个正常工作时电功率是
450 W的电饭锅，在正常工作时，
每分钟产生的热量为 _________J。
加热
2.7×104
解题秘方：自动开关S 闭合时，电路中只有加热用的电阻丝R2 工作，此时电路中的总电阻最小，由P=可知，此时电饭锅的电功率最大，电饭锅处于加热状态；电饭锅在正常工作时，每分钟产生的热量Q=W=Pt=450 W×60 s= 2.7 × 104 J。
技巧导引
只有在纯电阻电路中，电热Q 和电功W 的数值才相等。
在电热的计算中，只要载体是电热器，如果已知电功率，就可以利用推导式Q=W=Pt 进行计算。
1. 电热器的工作原理 电流的热效应。
2. 电热器的主要结构 发热体。发热体是由导电性差、熔点高的电阻丝绕在绝缘体材料上做成的。其中，绝缘体材料可将电阻丝与电热器的外壳隔开，防止触电和漏电。
知识点
电流热效应的利用与危害
3
3. 常见家用电热器 电饭煲、电熨斗、电烤箱等。
4. 电热器的优点
(1)清洁卫生，没有环境污染；
(2)效率高；
(3)可以方便地控制和调节温度。
5. 电热的危害
(1) 由于电流的热效应会使用电器的温度升高，加速绝缘材料的老化，甚至可能烧坏用电器；
(2)造成电能输送过程中的电能损失。
6. 防止电热危害的方法
(1)安装散热风扇；
(2)安装散热片；
(3)安装散热窗。
延伸拓展
1. 白炽灯的工作原理是电流通过灯丝时，电能转化为内能，从而使灯丝的温度升高，达到发光的程度。LED 灯是利用半导体材料的特性，让电能直接转化为光能，不用先转化为内能。LED 灯因为原理不同，发光效率比白炽灯高很多。
2. 白炽灯工作时将电能转化为光能的大致比例为10%，一般节能灯的发光效率为30%，所以使用节能灯可大大节约电能。
下列情况中不属于防止电热危害的是( )
A. 电视机的后盖有许多孔
B. 电脑机箱内有小风扇
C. 电动机外壳有许多散热片
D. 家电长时间停用，隔一段时间应通电一次
例4
解题秘方：紧扣电流热效应的利用与防止进行分析。
答案：D
解析：电视机后盖上的小孔，电脑机箱内的小风扇，电动机外壳的散热片，都可以加速散热，从而防止电热的危害。家电长时间停用，隔一段时间通电一次，是利用电热驱潮，避免家电因受潮而损坏。
技巧点拨
1. 识别是利用电热还是防止电热的危害，主要看使用某电器或相应装置某种设计的目的，如果目的是方便散热，那么属于防止电热的危害；如果是利用电流产生的热量， 那么属于利用电热。
2. 也可熟记利用电热和防止电热危害的常见实例，从而解题。
1. 【2023·福建】下列利用电流热效应工作的用电器是(　　)
A．电视机
B．电风扇
C．电脑
D．电炉
D
课堂训练
2. 下列属于防止电流热效应产生危害的实例是(　　)
A．家里使用电热水壶烧水
B．电视机后盖的小孔散热
C．家里使用电饭锅煮饭
D．小佳妈妈使用电熨斗熨衣服
B
3. 【2023·无锡】如图是超市常用塑料袋封口夹的电路原理图，电源电压为5 V，电热丝R的阻值为1 Ω。闭合开关S，电热丝温度升高，利用电流的_____效应实现高温封口；电热丝3 s内产生的热量为________J；若使用时总把塑料袋烫坏，可以________(填“增大”或
“减小”)电热丝的阻值。
热
75
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【点拨】
表达式
内容
焦耳定律
电流的热效应
影响因素
利用与危害
课堂小结

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