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第4节　焦耳定律
第十八章 电功率
知识点
电流的热效应
知1－讲
1
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. 探究电热的影响因素
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方法点拨
转换法：通过U 形管两边液面高度的变化反映密闭空气温度的变化，从而反映电流通过电阻产生热量的多少。
控制变量法：实验操作(1)是通过串联保证电流相同；实验操作(2)中，左边容器内电阻丝中电流是右边容器内电阻丝中电流的2倍，探究电热与电流的关系。
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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。
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例 1
如果电视机、电烙铁和电风扇上都标有“220 V 60 W”
的字样，它们都在额定电压下工作相同的时间，三个用电器产生的热量( )
A. 一样多 B .电烙铁多
C. 电视机最多 D. 电风扇最多
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解题秘方：根据电流热效应入手。
解析：电视机、电烙铁和电风扇功率相同，在相同时间内它们消耗的电能相同。电视机主要是把电能转化为声能和光能，电风扇主要是把电能转化为机械能，只有电烙铁是把电能全部转化为内能，所以额定电压下工作相同的时间，三个用电器中电烙铁产生的热量最多。
答案：B
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1. [中考·北京] 下列用电器中，利用电流热效应工作的是( )
A．电热水壶
B．吸尘器
C．电冰箱
D．电视机
A
例 2
[母题教材P120图18.4－2中考·广东]用如图1 所示的装置做“探究电流相同时，通过导体产生的热量与电阻大小的关系”的实验。(甲、乙是完全相同的密闭容器，闭合开关前，A、B 两U 形管内液面相平)
解题秘方：对比图文信息，读图也能得出答案。
解析：由图可知，两导体串联，即保证电流相等，探究电热与电阻的关系，再观察U 形管中液面高度的变化情况，哪一个U 形管中液面高度变化大，哪一个容器中导体在相同时间产生的热量多。
(1)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 形管中液面的_________来显示甲、乙容器内空气温度的变化，这里采用的探究方法是 _______。
(2)通过对比观察， _______(填“甲”或“乙”)容器中导体产生的热量较多。由此可知，在电流和通电时间相同时，电阻越_______，导体产生的热量越多。
高度变化
转换法
乙
大
技巧点拨：在探究电流产生的热量与电阻的关系时，要保证电流大小和通电时间相同。其中，保持电流大小相同的方法是将两个电阻串联。
2. 如图所示， 两个密闭容器中接入电热丝R1、R2，右边容器上方接入电热丝R3，在通电时间相同的情况下， 观察两个U 形管中液面高度的变化。
本实验是根据_____(填“气体”或“液体”)的热胀冷缩来反映电流产生的热量多少，已知R1=10 Ω，R3=6 Ω，为了研究电流产生的热量与电流的关系，则R2=______Ω。若将R3 和R2并联接入右边密闭容器中，则可研究电流产生的热量与 ______的关系。
气体
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电阻
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知识点
焦耳定律
2
1. 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。
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2. 焦耳定律公式及各物理量单位
(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：普遍适用，适用于任何用电器和电路。
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
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3. 纯电阻电路中的计算公式：Q=W=Pt =UIt =I2Rt =t
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，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。
多用于定性比较两用电器相同时间产生的热量。
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知识拓展
电热与电功(或消耗的电能)间的关系：
电热和电功的计算公式分别为W=UIt、Q=I2Rt，均适用于所有电路。
在纯电阻电路中，由于电能全部转化为电热，所以W=Q。
在非纯电阻电路中，电能只有一部分转化为电热，即W＞Q。
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甲电阻丝的电阻是1 000 Ω，通过0.2 A 的电流时，1 min 产生的热量是________J。乙电阻丝的电阻为10 Ω，通电5 min产生的热量为12 000 J，当通过该电阻丝的电流增大为原来的2 倍时，相等时间内产生的热量是________ J。
例 3
2400
48000
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解题秘方：运用焦耳定律变形式求解。
解析：由题意可得t1=1 min= 6 0 s，Q1=I12R1t1=
(0.2 A)2×1000 Ω×6 0 s=2400 J；由Q=I2 Rt 可得，通过乙电阻丝的电流I2===2 A，当通过它的电流增大为原来的2 倍时，在相同的时间内产生的热量Q2′=(I2′)2 R2 t2=(2I2) 2R2 t2=4I22R2 t2=4Q2=4×
12 000 J=48 000 J。
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3. 如图所示，电源电压为9 V 且保持不变。闭合开关后，电流表A1的示数为0.4 A，电阻R2=15 Ω。求：
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(1)电流表A2 的示数。
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(2)1 min 内，电阻R2上产生的热量。
解：1 min内，电阻R2上产生的热量
Q2＝I22R2t＝(0.6 A)2×15 Ω×1×60 s＝324 J。
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一台电动机正常工作时线圈两端的电压为380 V，线圈的电阻为2 Ω，线圈中的电流为10 A，若这台电动机正常工作1 秒钟，则( )
A．产生的热量为3 800 J
B．消耗的电能为200 J
C．电动机的效率约为94.7%
D ．获得的机械能为4 000 J
例 4
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解析：电动机产生的热量Q =I2 Rt=(10 A)2×2 Ω×1 s=
200 J，故A 错误；电动机消耗的电能W=UIt=
380 V×10 A×1 s=3800 J，故B 错误；电动机获得的机械能W ′=W- Q =3800J-200 J=3600J ，故D 错误；电动机的效率η =×100 % =×100 % =94.7%，故C 正确。
答案：C
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4. 某品牌家用吸尘器的铭牌如表所示，正常工作10 s 时间内电动机做的总功为________J，若电动机线圈电阻为1 Ω，10 s时间内电动机线圈产生的热量是________ J，该吸尘器电动机的效率为________ %(保留整数)。
产品尺寸/mm 358*248*307
额定电压/V 220
额定功率/W 1100
1.1×104
250
98
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知识点
电热的利用和防止
3
1. 电热的利用
(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。
(3)常见家用电热器：电饭煲、电烙铁、电烤箱等。
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2.电热的防止
(1)电热的危害
①由于电流的热效应，会使用电器的温度过高，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。
(2)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。
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知识拓展
电热器的优点：
电热器在使用时清洁、无污染、热效率高，且便于控制和调节电流大小、发热时间的长短。
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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. 家用电器长时间停用，隔一段时间应通电一次
例 5
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解题秘方：结合各种用电器具体作用来分析。
解析：电视机后盖的孔、电脑机箱内的小风扇、电动机外壳上的散热片都可以加速散热，从而防止电热的危害。家用电器长时间停用，隔一段时间通电一次，是利用电热驱潮，避免家用
答案：D
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5. [中考·无锡] 如图所示的是超市常用的塑料袋封口夹电路原理图，电源电压为5 V，电热丝R 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，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　
增大　
如图2 是某品牌足浴盆工作时的简化电路，它有加热功能和按摩功能。加热电阻的阻值为4 8.4 Ω，电动机线圈电阻为2 Ω，电源电压为220 V 稳定不变。
易错点
不理解电动机工作时电热与消耗电能间的关系
例 6
解题秘方：焦耳定律公式Q =I2 Rt 适用于所有电路，电流通过电动机线圈产生热量的多少只能用该公式计算。
(1)加热电阻正常工作时的电功率是多少？
解：电动机与加热电阻并联，由P =可得，加热电阻正常工作时的电功率P ===1000 W。
(2)在足浴盆中加入体积为4 L、初温为20 ℃的水，加热电阻正常工作420 s，它的电加热效率为80％，则水的温度会升高到多少？[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，ρ水=1.0×103 kg/m3]
解：加热电阻正常工作420 s 产生的热量Q=W=Pt=
1 000 W×4 20 s= 4.2×10 5 J，
电加热效率为80 %，所以水吸收的热量Q 吸= 80 % Q = 80 %×4.2×10 5 J=3.36×10 5 J，
水的质量m 水=ρ 水V 水=1.0×103kg/m3×4×10－3 m3=4 kg，
水升高的温度Δt ===
20 ℃，水的温度会升高到20 ℃ ＋20 ℃ = 40 ℃。
(3)启动按摩功能时，电动机启动，通过电动机线圈的电流为0.1 A，按摩10 min，电动机线圈产生的热量是多少？
解：由焦耳定律可得，按摩10min，电动机线圈产生的热量QM = I2RMt′=(0.1 A)2×2 Ω×10×60 s=12 J。
诊误区：
(1) 加热电阻属于纯电阻。可利用推导式P=计算加热电阻正常工作时的电功率。
(2) 利用Q=W=Pt 先计算加热电阻正常工作420 s 产生的热量，则水吸收的热量Q吸=80%Q；利用密度公式的变形式计算水的质量，再利用Q=cmΔt 的变形式计算水升高的温度，从而得到水升高到的温度。
(3)电动机正常工作时的电路不属于纯电阻电路，计算电热和消耗电能的多少都只能用对应的公式。
焦耳定律
电热
影响因素
计算
焦耳定律
利用和防止

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