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15.4 焦耳定律
一、电流的热效应：电能转化为内能的现象
生活中，我们经常会遇到这样的现象：电熨斗通电后会发热，电暖器工作时能放出热量，电灯泡发光时也会发热。这些现象都表明，电流通过导体时，导体发热的现象叫做电流的热效应。在电流的热效应中，电能转化为内能。
电流的热效应在生活和生产中有着广泛的应用，但也会带来一些不利影响。例如，电动机工作时会发热，如果热量过多不能及时散发，会影响电动机的正常工作甚至损坏；电线中通过电流时会发热，可能导致绝缘层老化，引发安全事故。因此，研究电流产生的热量与哪些因素有关，以及如何计算电流产生的热量，具有重要的实际意义。
二、焦耳定律：电流产生热量的定量规律
（一）焦耳定律的发现
19 世纪，英国物理学家焦耳通过大量的实验研究，发现了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间之间的定量关系，这一规律后来被称为焦耳定律。焦耳的实验表明，电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。
（二）焦耳定律的内容
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。这就是焦耳定律的核心内容。
（三）数学表达式
焦耳定律的数学表达式为：\(
Q = I^2Rt
\)
其中：
\( Q \) 表示电流通过导体产生的热量，单位是焦耳（J）；
\( I \) 表示通过导体的电流，单位是安培（A）；
\( R \) 表示导体的电阻，单位是欧姆（Ω）；
\( t \) 表示通电时间，单位是秒（s）。
（四）公式的理解与应用
公式的适用范围：焦耳定律适用于任何电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，都可以用 \( Q = I^2Rt \) 计算电流产生的热量。
与电功公式的关系：
在纯电阻电路中，电能全部转化为内能，此时电流产生的热量等于电流所做的功，即 \( Q = W \)。因此，在纯电阻电路中，也可以用 \( Q = W = UIt = \frac{U^2}{R}t = Pt \) 计算热量。
在非纯电阻电路中，电能大部分转化为其他形式的能量（如机械能），只有少部分转化为内能，此时电流产生的热量小于电流所做的功，即 \( Q < W \)，这种情况下只能用 \( Q = I^2Rt \) 计算热量，而不能用 \( Q = UIt \) 等电功公式。
三、实验探究：电流产生的热量与哪些因素有关
（一）实验目的
探究电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。
（二）实验器材
电源、滑动变阻器、定值电阻（不同阻值）、导线、开关、焦耳定律实验装置（如装有等量煤油的烧瓶、温度计、电阻丝等）。
（三）实验方法
控制变量法：在探究电流产生的热量与某一因素的关系时，保持其他因素不变，只改变这一因素，观察热量的变化。
（四）实验步骤
探究热量与电阻的关系：
取两个阻值不同的电阻丝（\( R_1 > R_2 \)），分别放入两个装有等量等初温煤油的烧瓶中，串联接入电路（保证通过两电阻的电流和通电时间相同）。
闭合开关，通电一段时间后，观察两支温度计的示数变化。
实验现象：阻值大的电阻丝所在烧瓶中煤油的温度升高得更多。
实验结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，电流产生的热量越多。
探究热量与电流的关系：
取一个电阻丝放入装有煤油的烧瓶中，再接入一个滑动变阻器，改变滑动变阻器的阻值，使电路中的电流发生变化（保持电阻和通电时间相同）。
分别在不同电流下通电相同时间，观察温度计的示数变化。
实验现象：电流越大，煤油的温度升高得越多。
实验结论：在电阻和通电时间相同时，电流越大，电流产生的热量越多，且热量与电流的平方成正比。
探究热量与通电时间的关系：
取一个电阻丝放入装有煤油的烧瓶中，接入电路。
闭合开关，分别在不同时间记录温度计的示数。
实验现象：通电时间越长，煤油的温度升高得越多。
实验结论：在电流和电阻相同时，通电时间越长，电流产生的热量越多。
（五）实验注意事项
实验中要保证煤油的质量和初温相同，以确保实验的科学性。
电阻丝要完全浸没在煤油中，以保证热量能充分传递给煤油。
通电时间不宜过长，以免煤油温度过高溢出。
实验过程中要注意安全，避免触电。
四、焦耳定律的应用：利用与防止
（一）电流热效应的利用
许多用电器都是利用电流的热效应工作的，例如：
电热器：如电热水器、电熨斗、电饭锅、电暖器等，这些用电器的核心部件是电阻丝，电流通过电阻丝时产生热量，将电能转化为内能，用于加热物体或取暖。
电热孵化器：在农业生产中，利用电热孵化器可以控制温度，为禽蛋孵化提供适宜的环境。
电焊：电焊时，电流通过焊条和工件之间的间隙产生大量的热量，使金属熔化，达到焊接的目的。
在这些应用中，通常需要用电阻较大、熔点较高的材料制作发热部件（如镍铬合金丝），以保证用电器能产生足够的热量且不易损坏。
（二）电流热效应的防止
电流的热效应也会带来一些危害，需要采取措施加以防止：
电动机的散热：电动机工作时，电流通过线圈会产生热量，如果热量过多会导致线圈温度过高，影响电动机的寿命甚至烧毁线圈。因此，电动机通常装有散热片或风扇，以加快散热。
电线的散热：电线中通过电流时会发热，为了防止电线过热，需要根据电线的电阻和允许通过的最大电流选择合适规格的电线，避免电流过大。同时，电线不能过度缠绕，以免影响散热。
电器的散热设计：许多电器（如电脑、电视机、电冰箱等）都有散热孔和散热风扇，以保证电器工作时产生的热量能及时散发出去，防止电器因温度过高而损坏。
五、焦耳定律的计算实例
（一）基本计算
例题 1：一个电阻为 5Ω 的导体，通过的电流为 2A，通电 10 分钟产生的热量是多少？
解析：已知 \( R = 5 \)，\( I = 2A \)，\( t = 10\ \text{min} = 600s \)，根据焦耳定律 \( Q = I^2Rt \) 可得：\(
Q = I^2Rt = (2A)^2 \times 5 \times 600s = 4 \times 5 \times 600J = 12000J
\)
答案：产生的热量为 12000J。
（二）纯电阻电路的计算
例题 2：一个标有 “220V 1000W” 的电热水壶，正常工作 5 分钟产生的热量是多少？
解析：电热水壶是纯电阻用电器，正常工作时的功率 \( P = 1000W \)，时间 \( t = 5\ \text{min} = 300s \)。
方法一：用 \( Q = W = Pt \) 计算：\(
Q = Pt = 1000W \times 300s = 300000J
\)
方法二：先求电阻 \( R = \frac{U^2}{P} = \frac{(220V)^2}{1000W} = 48.4 \)，再求电流 \( I = \frac{P}{U} = \frac{1000W}{220V} \approx 4.55A \)，最后用 \( Q = I^2Rt \) 计算：\(
Q = (4.55A)^2 \times 48.4 \times 300s \approx 300000J
\)
答案：产生的热量为 300000J。
（三）非纯电阻电路的计算
例题 3：一台电动机的电阻为 2Ω，接在 220V 的电源上，正常工作时通过的电流为 5A，求电动机工作 10 分钟产生的热量和消耗的电能。
解析：电动机是非纯电阻用电器，产生的热量用 \( Q = I^2Rt \) 计算，消耗的电能用 \( W = UIt \) 计算。
产生的热量：\(
Q = I^2Rt = (5A)^2 \times 2 \times 600s = 25 \times 2 \times 600J = 30000J
\)
消耗的电能：\(
W = UIt = 220V \times 5A \times 600s = 660000J
\)
答案：产生的热量为 30000J，消耗的电能为 660000J。
六、常见错误及注意事项
公式应用混淆：在非纯电阻电路中错误地用 \( Q = UIt \) 或 \( Q = \frac{U^2}{R}t \) 计算热量，导致结果错误。非纯电阻电路中只能用 \( Q = I^2Rt \) 计算热量。
单位换算错误：在计算时没有将时间单位换算为秒，或电流、电阻单位不统一，导致结果错误。
对电流热效应的利用与防止理解不清：不能正确区分哪些现象是利用电流的热效应，哪些是需要防止的危害。例如，将电动机的发热误认为是有用的，而实际上电动机的发热是需要尽量减少的。
实验中控制变量法应用不当：在探究电流产生的热量与某一因素的关系时，没有控制其他因素不变，导致实验结论不准确。
忽略焦耳定律与电功的区别：在纯电阻电路中，虽然 \( Q = W \)，但两者的物理意义不同，\( W \) 表示电流所做的功（消耗的电能），\( Q \) 表示产生的热量，只是在纯电阻电路中两者的数值相等。
七、课堂小结
电流的热效应：电流通过导体时发热的现象，电能转化为内能。
焦耳定律：电流产生的热量 \( Q = I^2Rt \)，与电流的平方、电阻、通电时间成正比。
公式应用：适用于任何电路，纯电阻电路中 \( Q = W \)，非纯电阻电路中 \( Q < W \)。
实验探究：用控制变量法探究热量与电流、电阻、时间的关系，得出焦耳定律。
应用：利用电流热效应制作电热器，同时采取措施防止热效应带来的危害（如散热设计）。
八、课堂练习
电流通过导体时，导体发热的现象叫做______，在这一过程中，______能转化为______能。
焦耳定律的表达式是______，其中各物理量的单位分别是：Q 的单位是______，I 的单位是______，R 的单位是______，t 的单位是______。
在纯电阻电路中，电流产生的热量______电流所做的功；在非纯电阻电路中，电流产生的热量______电流所做的功（均选填 “大于”“小于” 或 “等于”）。
一个电阻为 10Ω 的导体，通过的电流为 1A，通电 5 分钟产生的热量是______J。
电热水器是利用______工作的，电动机工作时产生的热量需要通过______等方式散发出去，防止损坏电机。
九、课后作业
一个标有 “220V 500W” 的电熨斗，正常工作时的电阻是多少？工作 30 分钟产生的热量是多少焦耳？
某导体的电阻为 15Ω，通过的电流为 0.5A，求通电 10 分钟产生的热量。如果通过该导体的电流变为 1A，其他条件不变，产生的热量是原来的几倍？
一台电动机的电阻为 4Ω，接在 220V 的电源上，正常工作时通过的电流为 4A，求电动机工作 5 分钟消耗的电能和产生的热量。
为什么电熨斗的电阻丝要用电阻较大、熔点较高的材料制作？
设计一个实验，比较不同导体在相同电流和通电时间下产生热量的多少，写出实验方案和预期结论。
2024沪粤版物理九年级上册
15.4 焦耳定律
第十五章 电能与电功率
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
1.了解电流热效应的应用与控制。
2.知道电流通过导体时产生的热量和电流、电阻及通电时
间的定性关系。
3.了解焦耳定律，会利用焦耳定律的公式进行简单的计算
学习目标
小明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，可是用手一摸电视机的后盖就发现，小明刚看过电视。你知道他爸爸是根据什么判断的吗？
观察与思考
电油炸锅
电饭煲
电熨斗
这些用电器通电后，都伴有热现象，这是为什么呢？
电流通过导体时，电能转化成内能，导致导体发热的现象，叫做电流的热效应。
一、通电导体产生的热量与哪些因素有关
观察与思考
探究通电导体产生的热量与哪些因素有关
（1）可能与电阻有关，因为电炉丝发热，而跟电炉丝相连的铜导线却不太热。
（2）可能跟电流有关，因为常听说，电流大容易引发火灾。
（3）可能与通电时间有关，因为通电时间越长，用电器产生的热量越多。
实验与探究
（1）如图所示，R2＞R1，控制通过导体的电流和通电时间不变，比较温度计的示数。
电阻R2温度计的示数比电阻R1温度计的示数大
实验与探究
（2）相同时间内通过R 的电流为I，移动R0的滑片，使通过R 的 电流为2I。比较R 两次所产热的多少。
通过电流为2I 时比通过电流为I 时的温度高
（3）如图所示，控制电阻R、电流I 相同，闭合开关，每隔一定时间记录一次温度计的示数，比较通电时间对电热的影响。
通电时间越长温度计示数越大
1.当通过导体的电流一定时，通电导体的电阻越大，产生的热量越多。
2.实验表明，当电阻一定时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多。
3.实验还表明，通电时间越长，导体产生的热量越多。
归纳与小结
通电导体产生的热量与导体的电阻、通过导体的电流以及通电时间有关。
导体的电阻越大，通过导体的电流越大，通电时间越长，导体产生的热量越多，那么导体产生的热量和电阻、电流及通电时间之间有什么样的定量关系？
二、焦耳定律
观察与思考
英国物理学家焦耳经过多年的研究，做了大量的实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和时间的关系：
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，这个规律叫做焦耳定律。
I 的单位是安培(A)，R 的单位是欧姆(Ω)，t 的单位是
秒(s)，Q 的单位是焦耳(J)。
如果用Q 表示电流流过导体时产生的热量，I 表示通过导体的电流，R 表示导体的电阻，t 表示通电时间，那
么焦耳定律可以用公式表示为
焦耳定律是在实验的基础上总结出来的，你能用电功率公式把它推导出来吗
W=Pt =UIt =I 2Rt
如图所示，电吹风工作时，消耗了1000J的电能，电流在电阻线上产生的热量等于1000J吗？
观察与思考
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 = I 2Rt （即纯电阻电路），如：电暖器，电饭锅，电炉子等。而电吹风工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能：电能=内能+机械能，即W＞Q热。
交流与讨论
例题：某电热器接在220V的电源上，其电阻是100Ω，则通电8min约产生多少热量
典例与精析
解:已知U=220V，R=100Ω，t=8min=480s。
由欧姆定律，得I= = =2.2A，
将I 的值代入焦耳定律的公式，得Q=I 2Rt=
(2.2A) x100Ωx480s≈ 2.3x105J。
答:这个电热器通电8min产生的热量约为2.3x105J。
（1）电流热效应的应用
三、电流热效应的应用与控制
(a)电压力锅
(b)电暖手宝
(c)电养生壶
(d)电饼铛
(a)电视机外壳多孔散热
(b)台式电脑CPU散热器
(c)笔记本电脑铝合金散热器
（2）电流热效应的控制
优点：清洁、无污染、热效率高，便于控制和调节等。
缺点：浪费电能，造成电线老化，影响用电器使用寿命。
电流的热效应有什么利和弊？
交流与讨论
通电导体放出的热量的有关因素
1. 如图所示为“探究电流通过导体产生的热量与电阻的关
系”的实验装置。
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3
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11
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1
(1)实验中通过观察 来比较电流
产生的热量的多少，这运用了 (填“转换”或
“等效替代”)法。
(2)为了便于比较两种电阻丝通过电流后产生热量的多少，
甲、乙两瓶中要装入 相等、初温 (填
“相同”或“不同”)的同种液体。
温度计示数变化多少　
转换　
质量　
相同　
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1
(3)为了在较短的时间内达到明显的实验效果，实验时选用
煤油而不选用水，是因为煤油的比热容 (填
“大于”“等于”或“小于”)水的比热容。
(4)若实验中发现乙烧瓶中温度计的示数升高较快(R甲＜R
乙)，据此可初步得出结论：当电流和通电时间相同时，
电阻越 ，产生的热量越 。
小于　
大　
多　
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焦耳定律
2. [2023·马鞍山模拟]某导体的电阻为20 Ω，当通过它的电流
为2 A时，则其1 min产生的热量为 J。
4 800　
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1
3. [2024年1月阜阳期末]物理学家 做了大量的实验，
最先精确地确定了电产生的热量跟电流、电阻和通电时间
的关系。将一阻值为10 Ω的电热丝(不考虑电阻随温度的
变化)，接入12 V的电路中，1 min内电热丝产生的热量
为 J。
焦耳　
864　
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1
4. 【易错题】一台电动机的额定电压是220 V，其电阻是1
Ω，正常工作时通过的电流为5 A，则电动机消耗电能的功
率是 W，工作10 s后电动机产生的热量
是 J。
易错点睛：纯电阻电路中，Q＝W；非纯电阻电路中，Q
＜W。电动机是非纯电阻用电器，消耗的电能和产生的热
量不相等。
1 100　
250　
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5. [2022·安徽中考]如图所示，电源电压保持3 V不变，电阻
R1＝10 Ω，R2＝20 Ω。闭合开关S，则通电100 s电阻R1产
生的热量为 J。
10　
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1
【变式】如图所示，电源电压保持3 V不变，电阻R1＝10 Ω，
R2＝20 Ω。闭合开关S，则通电1 min，电阻R1、R2产生的总热量为 J。
81　
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5
6
7
8
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10
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1
电流热效应的应用与控制
6. [2023·福建中考]下列利用电流热效应工作的用电器是
(　D　)
A. 电视机 B. 电风扇
C. 电脑 D. 电炉
D
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1
7. 【教材改编题】下列事例，属于防止电流热效应产生危害
的是 。
A. 养鸡场使用电热孵化器孵小鸡
B. 家里使用电饭锅煮饭
C. 小明妈妈用电熨斗熨衣服
D. 电视机的后盖有很多孔
E. 电脑机箱内有小风扇
F. 电热水器利用电热丝加热水
DE　
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1
8. 将规格都是“220 V　1 000 W”的一台空调、一台吹风机
和一台电烤箱分别接入家庭电路中，通电时间相同，下列
说法正确的是(　A　)
A. 电烤箱产生的热量最多
B. 空调产生的热量最多
C. 吹风机产生的热量最多
D. 三个用电器产生的热量一样多
A
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1
9. 【新情境题】[2023·安徽中考改编]在某汽车尾部的挡风玻
璃上，有一种电加热除雾装置，它由5条阻值均为12 Ω的
电阻丝并联而成，简化结构如图所示。该装置与电压恒为
12 V的汽车电池接通工作1 min，产生的总热量为 J。若想加快除雾速度，可以 (填“增大”或“减小”)
电阻丝的阻值。
3600　
减小　
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1
10. [2023·佛山模拟改编]某同学为了探究“电流通过导体产
生的热量与电流大小、导体的电阻是否有关”，设计了
如图甲、乙所示的电路。
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(1)图甲探究的是电热与 的关系；图乙探究的是
电热与 的关系。
电阻　
电流　
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1
(2)实验中通过观察 来判断产生
电热的多少，下列实验中与此物理方法相同的选项
是 。
A. 探究电流与电压、电阻的关系
B. 探究动能大小与哪些因素有关
C. 研究影响液体蒸发快慢的因素
U形管液面的高度差　
B　
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(3)图乙中R3主要作用是
。
【拓展】根据本实验得出的结论，请思考电炉工作
时，电炉丝热得发红，而与电炉丝连接的导线却几乎
不发热的原因是电炉丝的 比导线的
大得多，产生的 也远多于导线。
使通过R1和R2的电流不相
等　
电阻　
电阻　
热量　
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11. [2024年1月铜陵期末]如图所示的电路中，定值电阻
R2＝12 Ω，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，闭合开关
S，电动机转动稳定后，电压表的示数U＝4 V，电阻
R2的电功率P2＝3 W，干路电流I＝1 A，不计电动机
的摩擦损耗等。求：
(1)电阻R2两端的电压。
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解：(1)由题意可知，定值电阻
R2＝12 Ω，闭合开关S，电阻R2的电功率
P2＝3 W，由P＝可得电阻R2两端的电
压为U2＝ ＝6 V。
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11. [2024年1月铜陵期末]如图所示的电路中，定值电阻
R2＝12 Ω，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，闭合开关
S，电动机转动稳定后，电压表的示数U＝4 V，电阻
R2的电功率P2＝3 W，干路电流I＝1 A，不计电动机
的摩擦损耗等。求：
(2)电动机M的发热功率。
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解：(2)通过定值电阻R2的电流I2＝
＝＝0.5 A，闭合开关S，干路电流
I＝1 A，故通过电动机的电流为IM＝I－I2＝1 A－0.5 A＝0.5 A，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，则电动机M的发热功率P＝R＝(0.5 A)2×0.5 Ω＝0.125 W。
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11. [2024年1月铜陵期末]如图所示的电路中，定值电阻
R2＝12 Ω，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，闭合开关
S，电动机转动稳定后，电压表的示数U＝4 V，电阻
R2的电功率P2＝3 W，干路电流I＝1 A，不计电动机
的摩擦损耗等。求：
(3)R1的阻值。
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1
解：(3)由题图可知，闭合开关S，R2与电
动机M和定值电阻R1并联，由(1)得U2＝6
V，故电源电压为6 V，电压表测量电动
机M两端的电压，电压表的示数UM＝4 V，则定值电阻R1两端电压为U1＝U源－UM＝6 V－4 V＝2 V，
则R1的阻值：R1＝＝＝4 Ω。
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1
12. 【中考趋势题】生活中导线与插座连接时，有人会将直
导线的裸露端直接插入接线孔，但更好的接法是先将导
线裸露端折成“U”形再插入，如图所示。这种“U”形
接法可以增大连接处的接触面积，会更安全。请你用学
过的物理知识解释其中的道理。
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解：“U”形插入法可以增大连接处的接触面积，在长
度、材料不变时，减小连接处的电阻，根据Q＝I2Rt可
得，当电流、通电时间一定时，连接处的电阻越小。连
接处产生的热量越少，更安全。
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15.4 焦耳定律
一、通电导体产生的热量与哪些因素有关
二、焦耳定律
1.焦耳定律的内容
2.焦耳定律的公式
三、电流热效应的应用与控制
1.电流热效应的应用
2.电流热效应的控制
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