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(共43张PPT)
第4节 焦耳定律
主题情境·探索用电器发热的奥秘
九年级全
寻找用电器工作时的共同特点
以电饭煲为例探索用电器发热的奥秘
电饭煲是利用电流产生的热量工作的，却设置了“散热孔”来散热避免工具损坏，这是为什么呢？
怎样定量计算电饭煲产生热量的多少？
观察用电器的工作过程，这些用电器在工作中有哪些共同特点？
电饭煲工作时，内部温度逐渐升高，但与之相连的导线却几乎不热，这是为什么？
电流的热效应
概念
电热的影响因素
焦耳定律；
电能与电热的关系
电热的利用和防止
探索用电器发热的奥秘
主题情境
活动线
问题线
知识线
物理观念
通过生活实例，认识电流的热效应.通过实验，知道电热的影响因素，理解焦耳定律，会用焦耳定律进行计算. 通过实例，认识电热的利用和防止.
科学思维
在研究影响电热的因素的过程中，利用转换法进行现象分析，发展科学推理和科学论证的能力.
科学探究
经历研究影响电热因素的过程中，运用控制变量的方法，基于问题提出、证据收集、解释现象的过程，发展科学探究能力.
科学态度与责任
通过了解电热的危害与利用，学会辩证地看待问题，感受物理与生活和社会的密切联系，增强安全意识.
重难点：焦耳定律的理解及应用.
日常生产、生活中会用到很多用电器，请你结合这些用电器的工作过程，寻找他们工作时的共同特点.
电炉 电热水器 热熔胶枪 电烙铁 电饭煲
这些用电器工作时都要消耗_____，都会产生_____，在这个过程中，_____转化为_____.
电能
热量
电能
内能
请同学们观察以下用电器的工作过程，这些用电器在工作中有哪些共同特点呢？
活动1
寻找用电器工作时的共同特点
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一、电流的热效应
电流通过导体时电能转化为内能，这种现象叫作电流的热效应.
生活中哪些用电器也是利用电流热效应工作的，比一比看谁知道得多？
思考
定义：
这两个用电器也是利用电流热效应工作的吗？你是如何判断的？
扇叶转动
电能→_____能
电能→_____能
发热
画面
电能→____能
电能→____能
发声
电能→____能
发热
机械
内
光
声
内
思考
有些用电器在工作时，电能很少一部分转化为内能，很大一部分转化为内能之外的其他形式的能(机械能、光能、声能等)，如电风扇、电冰箱、电脑、电视机、洗衣机等.
温 馨 提 示
电饭煲的加热原理
电饭煲的加热原理主要依靠电热丝的加热作用.电饭煲内部有一个加热盘，当我们使用电饭煲煮饭时，将电饭煲插入电源后，电流通过电热丝，使电热丝发热.电热丝将热量给内胆，使内胆加热，将饭煮熟.
活动2
以电饭煲为例探索用电器发热的奥秘
2. 电饭煲利用电流的热效应工作
3. 电饭煲工作过程中随着通电时间
的增加，产生的热量逐渐增加.
1. 电饭煲工作时，内部温度逐渐升
高，但与之相连的导线却几乎不热
电饭煲通电后电热丝发热将饭煮熟，那么电流通过导体产生的热量跟什么因素有关？
思考
依据 猜想
电流通过导体产生的热量跟电阻大小有关
电流通过导体产生的热量跟电流大小有关
电流通过导体产生的热量跟通电时间长短有关
怎样判断电流通过导体时产生热量的多少
思考
电流产生的热量(Q放)
热传递
盒内空气吸收
的热量(Q吸)
热膨胀
增大的体积
液面的高度差
转 换
h
通电一段时间后，U形管左右两侧液面出现了高度差.
转换法
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电流通过导体产生的热量
U形管两侧
液面高度差
现象：
分析：
控制不变的量是：_____、_________.
电流
通电时间
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
A
在电流、通电时间相同的情况下，一段电阻丝的电阻越大，
这段电阻丝产生的热量越多.
电热与电阻的关系
需要改变的量是：_____ .
电阻
如何实现呢？
点击播放视频
演 示 1
结论：
在电阻、通电时间相同的情况下，通过一段电阻丝的电流越大，
这段电阻丝产生的热量越多.
控制不变的量是：_____、_________.
电阻
通电时间
需要改变的量是：______.
电流
如何实现呢？
10 Ω
10 Ω
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I2 = (1/2)I1
I1
A
R = 10 Ω
R = 10 Ω
R = 10 Ω
I2
.
.
电热与电流的关系
演 示 2
结论：
10 Ω
同一个电阻通电的时间越长，液柱上升较高..
在电流、电阻相同的情况下，一段电阻丝的通电的时间越长，
这段电阻丝热量越多.
控制不变的量是：_____、_____.
需要改变的量是：_________ .
通电时间
电阻
电流
10 Ω
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电热与通电时间的关系
演 示 3
结论：
现象：
例 实验小组想探究电流通过导体产生的热量与什么因素有关，实验装置如图甲、乙所示，甲、乙两装置中的两个透明容器中密封着等量空气，U形管中液面最初相平.
(1)实验中通过观察_____________________的变化反映密闭容器内空气温度的变化.
U形管中液面的高度差
将不易观察到的电热的多少转化为容易观察到的U形管两侧液面高度差的变化
A B
C D
甲
R3
R1
R2
乙
(2)将甲装置接到电源两端，可探究电流产生的热量与______的关系.
加热一段时间后，右边U形管两侧液面高度差较大，由此可以得到结论：电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量就越_____ .
电阻
多
两电阻丝串联，电流相同，通电时间相同，电阻不同
右侧电阻产生的热量较多
A B
C D
甲
(3)乙装置中的电阻R3的作用主要是使电阻R1和R2中的电流________(选填“相等”或“不相等”)，如图乙所示，通电一段时间后，与_____(选填“左”或“右”)侧容器相连的U形管中液面的高度差较大.
不相等
左
电阻R3与R2并联，使通过电阻R2的电流I2＜I1
电阻相同时，相同时间内电流越大，产生的电热越多
R3
R1
R2
乙
英国物理学家焦耳做了大量实验，于 1840 年最先确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系.
焦耳
(1818—1889年)
怎样定量计算电饭煲产生热量的多少？
思考
二、焦耳定律
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.
Q = I2 R t
热量 电流 电阻 时间
J A Ω s
物理量：
单位：
内容：
1.
公式：
2.
小明发现将电饭煲接入家庭电路通电后，电饭煲温度逐渐升高将饭煮熟，但与电饭煲连接的导线却几乎不热，你能帮助小明解释其中的原因吗
导线和电饭煲串联，电流、通电时间都相同，而电饭煲加热盘的电阻比导线的电阻大得多，根据Q=I2Rt可知，电流通过电饭煲产生的热量多，因此电饭煲热而导线却不热.
思考
小明发现家里的空调、电饭锅等大功率家用电器的电源线明显比台灯等小功率家用电器的电源线粗，这是为什么？
空调、电饭锅等功率较大的用电器，工作时通过导线的电流较大，如果导线横截面积过小，导线电阻就会过大，在一定时间内电流通过导线产生的热量越多，容易引起火灾等安全事故.
思考
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
1
前 者
前提条件：电压相同
公式： (并联)
Q =
U2
R
t
前提条件：电流相同
公式：Q=I2Rt (串联)
后 者
思考
当电动机通电但电动机不转时，消耗的电能只会让电动机线圈发热，
(相当于纯电阻电路)
当电动机工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能(有用功)，同时，电动机线圈也会发热(额外功)：
电能(W ) 内能(Q)+机械能(E)
W = UIt
Q =I2Rt
E=W–Q
此时，W =UIt=Q=I2Rt .
有关电动机的电热讨论
拓展
电能
用电器
内能
机械能
其他能
W = UIt
Q = I2Rt
电风扇、电视机等用电器：
W>Q= I2Rt
电暖器，电饭煲等用电器：
此时：Q=W=UIt =
U2
R
= I2Rt
t
电功 电功率 焦耳定律 适用范围
基本 公式
导出 公式
电功、电功率和焦耳定律计算公式对比
U2
R
t
W=
=I Rt
W
t
P=
=UI
U2
R
P=
=I R
W=UIt =Pt
Q=I Rt
Q =UIt = =Pt
U2
R
t
适用于纯电阻电路W=Q
普遍适用
要点梳理
例1 四个电阻器的电阻分别为R1、R 、R 、R4.如图甲所示，电阻为R 、R 的电阻器串联后接在电压为U的电路中；如图乙所示，电阻为R 、R 的电阻器并联后也接在电压为U的电路中.已知R =R3，R =R4， R >R .
(1)电阻为R 和R 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多
解：(1)在串联电路中，通过电阻为R 和R 的两个电阻器的电流相等.根据焦耳定律Q=I2Rt，当I、t相同时，Q与R成正比，由于R >R ，因此相同时间内电阻为R 的电阻器放出的热量比电阻为R 的电阻器多.
R1
R2
U
甲
R3
R4
U
乙
例1 四个电阻器的电阻分别为R1、R 、R 、R4.如图甲所示，电阻为R 、R 的电阻器串联后接在电压为U的电路中；如图乙所示，电阻为R 、R 的电阻器并联后也接在电压为U的电路中.已知R =R3，R =R4， R >R .
(2)电阻为R 和R 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多
R1
R2
U
甲
R3
R4
U
乙
(2)在并联电路中，电阻为R 和R 的电阻器两端的电压相等.根据焦耳定律Q=I2Rt和欧姆定律 可得 .由公式可知，电压相同时，相同时间内导体放出的热量与它们的电阻成反比，且R3>R4，因此相同时间内电阻为R4的电阻器放出的热量比电阻为R3的电阻器多.
I =
U
R
Q = t
U2
R
例2 (2025甘孜州)学校举办科技节，小李同学利用所学知识设计了一款电热杯垫参加展评，该杯垫具有“加热”和“保温”两种功能.他设计电路如图所示，电源电压为12 V，R1、R2为两个发热元件，其阻值不随温度变化，R2的阻值为8 Ω，当开关S接2时，电流表的示数为1 A.求:
(1)发热元件R1的阻值.
U=12 V
R2=8 Ω
解：(1)当开关接2时，R1与R2串联
总电阻
根据串联电阻特点
R1 = R串 - R2 = 12 Ω-8 Ω = 4 Ω
例2 (2025甘孜州)学校举办科技节，小李同学利用所学知识设计了一款电热杯垫参加展评，该杯垫具有“加热”和“保温”两种功能.他设计电路如图所示，电源电压为12 V，R1、R2为两个发热元件，其阻值不随温度变化，R2的阻值为8 Ω，当开关S接2时，电流表的示数为1 A.求:
(2)S接1时，杯垫工作10 s产生的热量.
(2)当开关接1时，仅有R1接入电路，此时电路中的电流
则杯垫10 s产生的热量Q=I12R1t=(3 A)2×4 Ω×10 s=360 J
U=12 V
R2=8 Ω
电饭煲是利用电流产生的热量工作的，却设置了“散热孔”来散热避免工具损坏，这是为什么呢？
思考
三、电热的利用和防止
1. 电热的利用
利用电热孵化器孵小鸡
电热器都是利用电流的热效应工作的，主要工作部件是发热体.
用于加热
很多情况下我们并不希望用电器的温度过高.过多的电热如果不能及时散失，会产生许多安全隐患.电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性，要保证其稳定工作，就必须要有效地散热.
2. 电热的危害和防止
危害一：用电器烧坏
笔记本电脑通过风扇散热
液冷数据中心
手机利用铜片、石墨散热片、热管等散热
铜箔和石墨片
危害二：电能损耗
2. 电热的危害和防止
输电要用导线，导线有电阻，如果导线很短，电阻很小可忽略，而远距离输电时，导线很长，电能损耗不能忽略.
思考
Q 损= I2R线 t
方法一： 减小输电导线的电阻R
在电流和通电时间一定时，由Q = I 2Rt 可知，电阻越小，损耗电能也越小，故通常远距离输电选用相同条件下电阻较小的铝、铜或铝合金做输电导线.
方法二：减小输电电流I
P输= UI
输电功率P一定时，由P =UI 可知，电压越高，电流越小；在导线电阻和通电时间一定时，由Q = I 2Rt 可知，电流越小，损耗电能也越小，故远距离输电常利用高压输电. 注：“高压”也有一定的限度，需要考虑设备的承载和造价.
我国能源结构特点和人口分布不均匀，在西电东输工程中，造成的电能损耗更大，如何减小距离输电过程中的电能损耗？
例 电流的热效应在生产和生活中被广泛应用，但有时它也会给我们带来危害.下列事例中，属于防止电热危害的是( )
A. 用家用电饭锅煮米饭
B. 用电热孵卵器孵小鸡
C. 电脑使用微型风扇散热
D. 家用电器长时间停用，隔一段时间通电一次
C
应用电热给电器驱潮，是利用电热
利用电热
散热，属于电热的防止
内容：电流通过导体产生的热量跟_____的二次方成正比，
跟导体的_____成正比，跟_________成正比.
公式：_________.
方法：_______、___________.
因素：____、________、_____.
控制变量法
电流
Q = I2Rt
转换法
通电时间
电阻
电
内
电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关
定义：电流通过导体时____能转化成____能的现象.
电流
电阻
通电时间
利用：电热水器、电饭锅、电熨斗等.
防止：散热窗、散热片、散热风扇等.
电流的
热效应
焦耳定律
焦耳定律
电热的
利用和防止
1. 我国科技人员研制了带电源的智能控温加热手套，如图所示.下列用电器主要工作原理与加热手套相同的是(　　)
A. 电视机 B. 洗衣机 C. 吸尘器 D. 电饭煲
D
原理：电流的热效应，电能转化为内能
×
电能转化为光能、声能和内能
电能转化为
机械能和内能
×
电能转化为
机械能和内能
×
电能转化为
内能
√
2. 如图所示是一直流电动机提升重物的装置.电源电压U=12 V保持不变，已知电动机线圈电阻为1 Ω，开关闭合后电动机匀速提升重物，此时，电流表读数为1 A，电压表读数为3 V，不计任何摩擦，求：
(1)1分钟内该电路消耗的总电能；
A
V
电动机
解：(1)1分钟内该电路消耗的总电能
(2)电动机的发热功率；
(2)电动机的发热功率
1 Ω
12 V
3 V
1 A
(3)当重物的质量超过一定数值时，电动机将无法转动，求此时电动机的电功率；
(3)根据欧姆定律可知，定值电阻的阻值是：
当电动机不转动时，相当于一个1
的电阻，由欧姆定律可得此时电路中
的电流
电动机的功率是
A
V
电动机
1 Ω
12 V
3 V
1 A
(4)根据以上计算说明，为什么电动机不转时很容易被烧坏？
(4)电动机不转时，电流大大超过额定电流，根据Q=I2Rt可知，相同时间内电动机线圈产生过多的热量导致被烧坏.
A
V
电动机
3. 如图甲是一款养生壶，图乙是其原理电路图，是电热丝R1=55 Ω、R2=220 Ω. [粥的比热容取4.0×103 J/(kg ℃)]求：
甲 乙
(1)养生壶的加热功率.
(2)将1.1 kg的粥从20 ℃加热到100 ℃，至少需要多长时间？
由 得
U不变，R最小
U不变，R最大
P最大
加热挡
P最小
保温挡
(P 为电热器额定功率、U为额定电压、R为电路总电阻).
挡位判断的依据：
多挡位问题分析思路
看总电阻
拓展
题干信息：电热丝R1=55 Ω、R2=220 Ω. [粥的比热容取4.0×103 J/(kg ℃)].
(1)养生壶的加热功率.
解：(1)图乙可知：
①当开关接a时，R1、R2串联，根据串联电路的
电阻特点可知，此时电路中的总电阻最大，由
P = 可知，电路中的总功率最小，养生壶处于保温挡；
②当开关接b时，只有R1工作，电路中的总电阻最小，总功率最大，养生壶处于加热挡.
55 Ω
220 Ω
由P = 可知，养生壶的加热功率P 加热=
乙
(2)将1.1 kg的粥从20 ℃加热到100 ℃，粥吸收的热量
Q吸=c粥mΔt
=4.0×103 J/(kg ℃)×1.1 kg×(100 ℃-20 ℃)
=3.52×105 J
当产生的电热完全被粥吸收，即W=Q吸=3.52×105 J时，所需时间最少.
(2)将1.1 kg的粥从20 ℃加热到100 ℃，至少需要多长时间？
由P = 可得，需要的时间t =
题干信息：电热丝R1=55 Ω、R2=220 Ω. [粥的比热容取4.0×103 J/(kg ℃)].
55 Ω
220 Ω
乙

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