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第十八章 电功率
第4节 焦耳定律
1.知道电流的热效应。
2.理解焦耳定律的内容、公式、单位及其运用。
3.知道利用和防止电热的场合和方法。
4.进一步理解焦耳定律。
课前自学准备
学习目标
课标要求
生活中电的热现象
生活中，许多用电器通电后，都伴有热现象产生。
课堂教学展示
新课导入
电取暖器
热得快
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。
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课堂教学展示
推进新课
电流的热效应
知识点1
电流通过导体时产生热的多少与什么因素有关
阻值大小
电流大小
通电时间
实验1：研究电热与电阻关系
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电流通过导体时产生热的多少与时间的关系
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结论：
在阻值和电流不变的情况下，通电时间越长，电流产生的热量越多。
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
A
电流通过导体时产生热的多少与电阻大小的关系
结论：
在通电时间和电流大小相同的情况下，电阻的阻值越大，产生的热量越多。
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电流通过导体时产生热的多少与电流大小的关系
I = 2I1
I
A
R = 5 Ω
R = 5 Ω
R = 5 Ω
I1
结论：
在通电时间和电阻大小相同的情况下，通过电阻的电流越大，产生的热量越多。
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　　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
焦耳定律
知识点2
焦耳（J）
Q=W
W=UIt
U=IR
Q=I2Rt
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。
焦耳定律
公式
Q = I2Rt
单位
焦耳定律适用于任何用电器的热量计算，对只存在电流热效应的电路也可用Q =W = UIt = Pt = U2/R t来计算热量。
纯电阻电路：W总=Q放=Pt=UIt=U2/R t=I2Rt
非纯电阻电路：W总＞Q (W总＝UIt =W外＋Q)
注意：
知识拓展：两类用电器
（1）纯电阻用电器：电流通过导体时将电能全部转化为热能的用电器，如电饭煲、电炉等单纯用来加热的用电器。
（2）非纯电阻用电器：电流通过导体时只有部分电能转化为热能的用电器，如电风扇、电视机等用电器在工作时，除部分电能转化为热能外，大部分电能会转化成其他形式的能。
纯电阻电路中利用 Q = t 求电热
U2
R
1．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
　　Q = W = UIt = I2Rt
　　如：电暖器，电饭锅，电炉子等。
知识点3
2．当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能：
W ＞ Q热
电能 内能+机械能
【例1】冬天，王刚同学使用电热毯时发现电热毯有高温档和低温档，于是他设计了电热毯的模拟电路图甲和图乙（电热丝相当于电热毯内部发热电阻）。
（1）图甲中有定值电阻R1（置于电热毯外部），电热丝R2，请说明要使电热毯处于低温档，开关S1、S2应处于什么状态？并写出低温档时电热毯发热电功率的表达式。
分析：所谓“档位”问题，通常是在电压不变的情况下，通过改变电路电阻，从而改变用电器的电功率，所以常用公式P=U2/R来判定，R越大，P越小，是低挡位；R越小，P越大，是高挡位。
解：S1闭合，S2断开；低温档时电热毯的发热功率：
（2）图乙中有两根电热丝R2、R3，请说明要使电热毯处于高温档，开关S1、S2应处于什么状态？并写出高温档时电热毯发热电功率的表达式。
S1、S2均闭合；
高温档时电热毯的发热电功率：
（3）请指出你认为其中较好的电路，并说明理由。
较好的电路是乙，因为在甲电路中，R1置于电热毯外部，低温档时R1要发热，浪费电能。
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
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。
想想议议
电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用电流的热效应，这类用电器称为电热器，而电热器的主要部分是发热体。
电热的利用和防止
知识点4
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
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。
散热孔（窗）
散热风扇
电热的作用
电热有利的一面：
电热有害的一面：
减小电热产生的危害：
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）
取暖、加热食物等。
轻则用电器烧坏；重则引发火灾。
电功与电热的区别：
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。
电热的综合应用
知识点5
①在纯电阻电路，电流所做的功只转化为内能，电路消耗的电能和生成的内能在数值上是相等的，即W=Q，如电灯、电炉、电热器、电熨斗等。
②在非纯电阻电路中，如含有电动机、电解槽等，电流做的功一部分转化为内能，大部分转化为机械能，通过线圈电阻R的电流仍使线圈发热，产生的热量Q=I2Rt，但此时Q≠W，而是Q＜W，即W=Q+机械能。
电功与电热的联系：
计算公式及其适用范围
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。
例2 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： （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
例2 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？
例3 小明家买了一台电烤箱，有低、中、高三个档位的发热功率，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，电烤箱处于什么档位？简述理由。
（2）电烤箱在中档位工作时，消耗的电功率是多少？
（3）电烤箱在高档位工作时，对食物加热6min，消耗的电能为多少？
解：（1）低档位。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，是低档位。
（2）当开关S1置于b端、S2闭合时为中档位，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，电烤箱在高档位，电阻R1与R2并联，电烤箱消耗的总功率
例4 如图所示是电饭锅的实物图，图甲是它的内部电路图，
图乙是电路简图。它有“高温烧煮”和“焖饭、保温”
两档，由温控开关自动控制。煮饭时，先要按下温控开
关按钮；到达设定温度（饭已煮熟），按钮会自动弹起。
（1）对照观察图（甲）和图（乙），温控开关按钮未按下时，“烧煮电路部分”与“保温电路部分”是_____关系（选填“串联”或“并联”）；按下温控开关按钮，“烧煮电路部分”的电压为____V，“保温电路部分”将______（选填“工作”或“不工作”）；温控开关按钮弹起后，电路中的电流比原来_____（选填“大”或“小”）。
串联
220
不工作
小
（2）当温控开关按钮按下时，电饭锅电路的总功率为1100W。求：“烧煮电路部分”的电阻R1。
当温控开关按钮按下时，电路中只有R1工作。
（3）温控开关按钮弹起后，电饭锅电路的总功率为44W。求：①电路中的电流；②“保温电路部分”的电阻R2。
当温控开关按钮弹起时，R1与R2串联。
R2=R总-R1=1100Ω－44Ω=1056Ω
（4）已知只有当指示灯和限流器两端的电压与电源相差不大时，指示灯才会发光。请通过相关计算分析说明为什么温控开关按钮弹起时，红灯熄灭而黄灯亮。
当温控开关按钮弹起时，R1与R2串联
因为U1=I′R1=0.2A×44Ω=8.8V＜220V
U2=U－U1=220V-8.8V=211.2V≈220V
所以，红灯不亮黄灯亮。
1.某电动机上标有“220V，2A”它的线圈电阻为5 ，当它正常工作一分钟后，消耗的电能为多少？线圈中产生的热量为多少？如没有其他能量的损失，则得到多少的机械能？
解：消耗的电能为:W总=UIt=220V×2A×60s=26400J
线圈中产生的热量为：Q=I2Rt=(2A)2×5 ×60s=1200J
得到的机械能为：W机=W总－Q=26400J－1200J=25200J
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随堂演练
Q = I2Rt
=(0.6 A)2×60 W×300 s
= 6 480 J
2. 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 6480 J 热量。
解:
I =　 = 　　　= 0.6 A
U
R
36 V
60 Ω
3.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
解析:家电长时间停用，里面可能会积累一些湿气，会加速电器的生锈、老化，隔一段时间应通电一次正是为了利用电流的热效应去除家电中的湿气。前三个选项中的措施都能加快散热，防止电热引起电器升温过高带来的危害。
D
本节课我们学习了电热产生的原因，影响电热产生多少的因素，焦耳定律，以及纯电阻电路中电热的计算等知识。实验设计时我们一定要有控制变量的思想，在说明一个物理量与另一个物理量之间关系时，一定要强调其条件，是在什么量不变的情况下才有这样的关系，使自己的叙述更加严密。同时学习了电热的利用和防止，以及电热的综合应用等。电热在生产、生活中广泛存在，要从应用和危害两个方面认识电热，注意辩证地分析问题。同时要善于观察生活，用理论来指导实践，认识生活中的科学。
课堂教学展示
课堂小结
1.从课后习题中选取；
2.完成练习册本课时的习题。
课后反馈总结
布置作业
1.某导体的电阻是2Ω，通过2A的电流时，1min产生多少焦耳的热量？
解:Q=I2Rt=(2A)2×2Ω×60s=480J
2.一只额定功率是450W的电饭锅，在额定电压下使用，每分钟产生多少热量？
解:Q=W=Pt=450W×1×60s=2.7×104J
课堂教学展示
习题解答
3.一只电烙铁的额定电压是220V，在额定电压下工作时的电阻是1210Ω，它的额定功率有多大？在额定电压下通电10min产生多少热量？
解:额定功率
产生的热量 Q=W=Pt=40W×10×60s=2.4×104J
4.某校师生自制了一台电烘箱。电烘箱的电阻丝通过5A的电流时，每分钟可产生6.6×104J的热量。求这台电烘箱的电功率和电阻丝工作时的电阻。
解：
由Q=I2Rt得
5.电流的热效应有时对我们有益，我们利用它；有时对我们有害，需要减少电流导致的发热，或者尽快把发出的热散发掉。
（1）列举两个生活或生产中利用电流热效应的实例；
（2）列举两个生活或生产中防止电流热效应产生危害而采取的措施。
解：（1）如电饭煲、电热水器等利用电流的热效应来加热。
（2）电视机的后盖有很多孔，就是为了通风散热；电动机的外壳有很多翼状散热片，使用时与轴相连的扇叶还向散热片吹风，这些措施都是为了降温。
6.在家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根连接起来，而连接处往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾。这是为什么？
解：导线相互连接处的电阻大。根据电流的热效应跟电阻 大小的关系，接入电路的电阻越大，发热越多，温度越高，这样长时间工作会加速老化，甚至引起火灾。

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