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第五讲　焦耳定律
考点焦耳定律
【教材素材 基础题】
命题点　焦耳定律的应用
1.(九全P124T1改编)某导体电阻为2 Ω,通电1 min 产生的热量是480 J;当通过该导体的电流增大为原来的2倍时,在相等时间内产生的热量是 J。
2.(九全P124T4改编)某校师生用电阻丝自制一台电烤箱,其额定电压是220 V,额定电流是4 A,则电阻丝的电阻等于 Ω,这台电烤箱正常工作5 min可以产生 J的热量。
3.(九全P124T7改编)在家庭电路中,有时导线长度不够,需要把两根导线连接起来,连接处电阻比别处要 (选填“大”或“小”),在相等时间内,导线连接处发热比别处更 (选填“多”或“少”)。
考点 电功、电功率与电热的综合计算(重点)
例题 多功能养生壶具有精细烹饪、营养量化等功能,深受市场认可和欢迎。图乙是某品牌养生壶简化电路图。[ρ水=1×103 kg/m3,c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
项　目 参　数
电源电压/V 220
低温挡功率/W
中温挡功率/W 880
高温挡功率/W 1 100
容积/L 1
(1)开关S1、S2处于什么状态时,养生壶为高温挡,说明判断依据。
(2)求处于高温挡时养生壶电路中的总电流。
(3)求R1、R2的阻值。
(4)求养生壶的低温挡功率。
(5)在标准大气压下,使用高温挡将初温是12 ℃的一壶水烧开,若养生壶高温挡加热效率为80%,求水吸收的热量和烧开一壶水需要的时间。
技法点拨常见的多挡位电路设计
电路 图
高温 (加热) 挡 S1、S2都闭合,R1短路,只有R2接入电路中 S接b端,只有R2接入电路中 S1、S2都闭合,R1、R2并联
P热= P热=+
低温 (保温) 挡 S1断开,S2闭合,R1、R2串联 S接a端,R1、R2串联 S1断开,S2闭合,只有R2接入电路中
P低= P低=
【训练】(2025·陕西中考)如图甲所示是小明家的蒸汽拖把。使用时,电热丝加热水,产生高温蒸汽从拖把头喷出,能高效清洁地面的同时杀灭地面上的细菌。该电热拖把的简化加热电路如图乙所示,有高低两个挡位,已知电热丝R2的阻值为
33 Ω,低挡位的功率为550 W。
(1)低挡位正常加热时电路中的电流为多大
(2)电热丝R1的阻值为多少
(3)已知拖把水箱内水的质量为0.55 kg,假设电热丝放出的热量全部被水吸收,将水箱中的水从20 ℃加热到100 ℃需要多长时间 [水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
(4)若想缩短高挡位加热水的时间,且不改变低挡位功率,在现有元件不变的前提下,可以对电路进行的改进是 。
实验探究电流通过导体产生的热量的多少跟什么因素有关
【图·过实验】
图示过程
加热物质 (1)选择密闭容器内空气为加热物质的原因:空气的比热容小,加热升温快,且空气受热容易膨胀,U形管中两侧液面高度差变化快,实验现象明显。 (2)对被加热物质的要求:物质种类、质量、初温都相同
实验 方法 转换法 通过U形管两侧液面的高度差来反映电阻产生热量的多少,高度差越大,电阻产生的热量就越多
控制 变量法 如图甲,控制电流、通电时间不变,改变电阻,探究电热与电阻的关系 结论1:在电流、通电时间相同时,电阻越大,电阻产生的热量越多
如图乙,控制电阻、通电时间不变,改变电流,探究电热与电流的关系 结论2:在电阻、通电时间相同时,电流越大,电阻产生的热量越多
任选一容器,控制电流、电阻不变,改变通电时间,探究电热与通电时间的关系 结论3:在电流、电阻相同时,通电时间越长,电阻产生的热量越多
评估 (1)多次测量的目的:使实验结论具有普遍性,更具有说服力。 (2)通电后U形管两侧液面的高度差为零的原因:电阻丝断路。 (3)通电一段时间后,U形管中液面高度差几乎不变的原因:容器的气密性差
【全·通考点】
典题 在“探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关”的实验中,实验器材如图所示,两个透明容器中密封着等量空气,U形管中液面最初相平,两个密闭容器中都有一段电阻丝。
基础点
(1)请你用笔画线代替导线,把图甲两个容器的电阻丝接到电路中。
(2)实验中通过观察U形管中 的变化来比较电流通过导体产生热量的多少,这种方法叫 。
(3)图甲中,接好电路,闭合开关,通电一段时间后, (选填“左”或“右”)侧U形管中液面高度变化大,此实验现象表明,在电流和通电时间均相同的情况下, 越大,所产生的热量越多。
(4)让两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器的外部将一个相同阻值的电阻和这个容器内的电阻并联(如图乙所示)。移走图甲中的容器,换接图乙中的容器到电路中,重新做这个实验。此时通过两容器中电阻的电流不同,在通电时间相同的情况下,观察U形管中液面高度变化,由此得到的结论是 。
(5)加热过程中,只以图甲中左侧容器内的电阻丝为研究对象,观察到与该容器相连的U形管两侧液面高度差越来越大,说明在 、 一定时,电流产生的热量跟 有关。
(6)某实验小组发现通电一段时间后,其中一支U形管中的液面高度几乎不变,发生此现象的原因可能是 。
(7)如果热量用Q表示,电流用I表示,电阻用R表示,时间用t表示,则Q= 。
能力点
(8)某小组在利用图乙装置实验时,发现左右两侧U形管液面上升高度相同,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: 。
(9)请分析“电炉工作时,电炉丝发热明显,而与电炉丝相连的导线发热不明显”:电炉丝的电流 导线的电流,电炉丝的电阻 导线的电阻。(均选填“大于”“等于”或“小于”)
(10)电烘箱高温和低温两挡的调节是通过改变接入电路的电阻丝的长度来实现的。由上述实验结论可知:低温挡接入电路的电阻丝比高温挡要 (选填“长”或“短”)一些。
题组一:焦耳定律
1.(2025·北京中考)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
2.(2023·无锡中考)如图所示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 (选填“增大”或“减小”)电热丝的阻值。
题组二:电学比值、极值、范围问题
3.(多选)(2024·龙东地区中考)如图,甲电路中电源电压保持不变,闭合开关后,将滑动变阻器的滑片由a端向b端移动的过程中,两电压表的示数与电流表的示数变化关系如图乙Ⅰ、Ⅱ所示,则(　C、D　)
A.Ⅱ是灯泡的I-U关系图像
B.灯泡最小功率为1 W
C.R的最大阻值为25 Ω
D.电路的最大功率为3.6 W
4.(多选)(2023·齐齐哈尔中考)如图所示电路,电源电压为4.5 V且恒定。电流表的测量范围为0~0.6 A,电压表的测量范围为0~3 V,小灯泡规格为“2.5 V,1.25 W”(灯丝阻值不变),滑动变阻器规格为“20 Ω,1 A”。保证电路中各元件都不损坏,下列说法正确的是(　A、B、D　)
A.电流表示数变化范围为0.3~0.5 A
B.电压表示数变化范围为2~3 V
C.滑动变阻器阻值变化范围为4~20 Ω
D.小灯泡实际功率变化范围为0.45~1.25 W
5.(2025·德阳中考)如图所示,电源电压恒定为6 V,定值电阻R0=10 Ω,R1=20 Ω,电流表测量范围为0~0.6 A,电压表测量范围为0~3 V,滑动变阻器R的最大阻值为20 Ω。若闭合开关S和S2,且滑动变阻器的滑片P置于中点时,R1在5 min内产生的热量为 J;若闭合开关S和S1,在保证各元件安全的情况下,电路的最小电功率和最大电功率之比为 。
题组三:探究电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关
6.(2024·无锡中考)用如图所示的装置探究影响电流热效应的因素。甲、乙、丙三个相同的容器内均装有质量相等的煤油,电阻丝R1、R2、R3浸没在煤油中,其中R1=R2=5 Ω、R3=10 Ω。闭合开关前,记录下煤油的初温度t0,开关S接a、调节滑动变阻器滑片P,使电流表的示数为1 A,记录下第100 s和第200 s时甲容器中煤油的末温度t;开关S接b,调节滑片P,使电流表的示数为0.5 A,记录下第200 s时乙、丙容器中煤油的末温度t,断开开关,结果如表所示,比较序号①②可得:当通过导体的电流和导体的 相等时,导体产生的热量与通电 有关。比较序号②和 可知导体产生的热量与电流大小有关。实验中,电阻R2产生的热量为 J。
序号 电阻 I/A 时间/s t0/℃ t/℃
① R1 1 100 20 34
② R1 1 200 20 48
③ R2 0.5 200 20 27
④ R3 0.5 200 20 34
题组四:电功、电功率、电热的综合计算
7.(2025·泸州中考)小飞家响应国家家电以旧换新惠民政策,置换了一台储水式电热水器,铭牌如表,原理如图,R1、R2是储水箱中加热器内的电阻,S1为漏电保护开关,S2为温控开关。已知c水=4.2×103 J/(kg·℃),ρ水=1.0×103 kg/m3。
额定加热功率 2 000 W 额定电压 220 V
额定保温功率 400 W 防水等级 IPX4
温度范围 室温 额定容量 50 L
加热方式 双管加热 内胆材质 金属板搪瓷
(1)求保温挡正常工作2小时消耗的电能;
(2)求R1的阻值;
(3)该电热水器在加热状态下正常工作40 min,使额定容量的水温度升高20 ℃,求它的加热效率。第五讲　焦耳定律
考点焦耳定律
【教材素材 基础题】
命题点　焦耳定律的应用
1.(九全P124T1改编)某导体电阻为2 Ω,通电1 min 产生的热量是480 J;当通过该导体的电流增大为原来的2倍时,在相等时间内产生的热量是　1 920　J。
2.(九全P124T4改编)某校师生用电阻丝自制一台电烤箱,其额定电压是220 V,额定电流是4 A,则电阻丝的电阻等于　55　Ω,这台电烤箱正常工作5 min可以产生　264 000　J的热量。
3.(九全P124T7改编)在家庭电路中,有时导线长度不够,需要把两根导线连接起来,连接处电阻比别处要　大　(选填“大”或“小”),在相等时间内,导线连接处发热比别处更　多　(选填“多”或“少”)。
考点 电功、电功率与电热的综合计算(重点)
例题 多功能养生壶具有精细烹饪、营养量化等功能,深受市场认可和欢迎。图乙是某品牌养生壶简化电路图。[ρ水=1×103 kg/m3,c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
项　目 参　数
电源电压/V 220
低温挡功率/W
中温挡功率/W 880
高温挡功率/W 1 100
容积/L 1
(1)开关S1、S2处于什么状态时,养生壶为高温挡,说明判断依据。
(2)求处于高温挡时养生壶电路中的总电流。
(3)求R1、R2的阻值。
(4)求养生壶的低温挡功率。
(5)在标准大气压下,使用高温挡将初温是12 ℃的一壶水烧开,若养生壶高温挡加热效率为80%,求水吸收的热量和烧开一壶水需要的时间。
解:(1)当开关S1闭合,S2接B时,为高温挡。因为当开关S1闭合,S2接B时,电阻R1、R2并联,电路中的总电阻最小,根据P=可知总功率最大,所以此状态为高温挡。
(2)高温挡时养生壶工作电路中的总电流:
I总===5 A
(3)当S1闭合、S2接A时,只有电阻R1接入电路,养生壶处于中温挡。
R1的阻值:R1===55 Ω
养生壶处于高温挡时,R2消耗的功率:
P2=P高-P中=1 100 W-880 W=220 W
R2的阻值:R2===220 Ω
(4)开关S1断开、S2接A时,R1、R2串联,电路中电阻最大,养生壶处于低温挡。
低温挡功率:
P低===176 W
(5)水的质量:
m=ρ水V=1×103 kg/m3×1×10-3 m3=1 kg
水吸收的热量:Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃-12 ℃)=
3.696×105 J
由η=、W=Pt
得烧开一壶水需要的时间:
t===420 s
技法点拨常见的多挡位电路设计
电路 图
高温 (加热) 挡 S1、S2都闭合,R1短路,只有R2接入电路中 S接b端,只有R2接入电路中 S1、S2都闭合,R1、R2并联
P热= P热=+
低温 (保温) 挡 S1断开,S2闭合,R1、R2串联 S接a端,R1、R2串联 S1断开,S2闭合,只有R2接入电路中
P低= P低=
【训练】(2025·陕西中考)如图甲所示是小明家的蒸汽拖把。使用时,电热丝加热水,产生高温蒸汽从拖把头喷出,能高效清洁地面的同时杀灭地面上的细菌。该电热拖把的简化加热电路如图乙所示,有高低两个挡位,已知电热丝R2的阻值为
33 Ω,低挡位的功率为550 W。
(1)低挡位正常加热时电路中的电流为多大
(2)电热丝R1的阻值为多少
(3)已知拖把水箱内水的质量为0.55 kg,假设电热丝放出的热量全部被水吸收,将水箱中的水从20 ℃加热到100 ℃需要多长时间 [水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
(4)若想缩短高挡位加热水的时间,且不改变低挡位功率,在现有元件不变的前提下,可以对电路进行的改进是　将电热丝R1与R2互换位置　。
【解析】(4)比较R1和R2的阻值R1=55 Ω,R2=33 Ω,若想缩短高挡位加热水的时间,则减少高挡位时接入的电阻,又因为不能改变低挡位功率,则总电阻不能变,故可将电热丝R1与R2互换位置。
答案:由图可知,当开关掷于2时,电热丝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,拖把处于低挡位;当开关掷于1时,电路为只有R1的简单电路,电路中的总电阻最小,由P=可知,功率最大,拖把处于高挡位。
(1)由P=UI可得,低挡位加热时电路中的电流:
I低===2.5 A;
(2)低挡位加热时电路中的总电阻:R总===88 Ω,电热丝R1的阻值R1=R总-R2=88 Ω-33 Ω=55 Ω;
(3)将水加热到100 ℃需要吸收的热量:
Q吸= cm(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×0.55 kg×(100 ℃-20 ℃)=1.848×105 J,
由P=UI和I=可得,高挡位的加热功率P高===880 W,电热丝放出的热量全部被水吸收,需要电热丝放出的热量W放=Q吸=1.848×105 J,
由P=可得,需要加热的时间
t时===210 s=3.5 min;
(4)将电热丝R1与R2互换位置
实验探究电流通过导体产生的热量的多少跟什么因素有关
【图·过实验】
图示过程
加热物质 (1)选择密闭容器内空气为加热物质的原因:空气的比热容小,加热升温快,且空气受热容易膨胀,U形管中两侧液面高度差变化快,实验现象明显。 (2)对被加热物质的要求:物质种类、质量、初温都相同
实验 方法 转换法 通过U形管两侧液面的高度差来反映电阻产生热量的多少,高度差越大,电阻产生的热量就越多
控制 变量法 如图甲,控制电流、通电时间不变,改变电阻,探究电热与电阻的关系 结论1:在电流、通电时间相同时,电阻越大,电阻产生的热量越多
如图乙,控制电阻、通电时间不变,改变电流,探究电热与电流的关系 结论2:在电阻、通电时间相同时,电流越大,电阻产生的热量越多
任选一容器,控制电流、电阻不变,改变通电时间,探究电热与通电时间的关系 结论3:在电流、电阻相同时,通电时间越长,电阻产生的热量越多
评估 (1)多次测量的目的:使实验结论具有普遍性,更具有说服力。 (2)通电后U形管两侧液面的高度差为零的原因:电阻丝断路。 (3)通电一段时间后,U形管中液面高度差几乎不变的原因:容器的气密性差
【全·通考点】
典题 在“探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关”的实验中,实验器材如图所示,两个透明容器中密封着等量空气,U形管中液面最初相平,两个密闭容器中都有一段电阻丝。
基础点
(1)请你用笔画线代替导线,把图甲两个容器的电阻丝接到电路中。
答:
(2)实验中通过观察U形管中　液面的高度差　的变化来比较电流通过导体产生热量的多少,这种方法叫　转换法　。
(3)图甲中,接好电路,闭合开关,通电一段时间后,　右　(选填“左”或“右”)侧U形管中液面高度变化大,此实验现象表明,在电流和通电时间均相同的情况下,　电阻　越大,所产生的热量越多。
(4)让两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器的外部将一个相同阻值的电阻和这个容器内的电阻并联(如图乙所示)。移走图甲中的容器,换接图乙中的容器到电路中,重新做这个实验。此时通过两容器中电阻的电流不同,在通电时间相同的情况下,观察U形管中液面高度变化,由此得到的结论是　在电阻和通电时间相同的情况下,电流越大,导体产生的热量越多　。
(5)加热过程中,只以图甲中左侧容器内的电阻丝为研究对象,观察到与该容器相连的U形管两侧液面高度差越来越大,说明在　电流　、　电阻　一定时,电流产生的热量跟　通电时间　有关。
(6)某实验小组发现通电一段时间后,其中一支U形管中的液面高度几乎不变,发生此现象的原因可能是　透明容器密闭性不好(或透明容器漏气、对应电阻丝短路)　。
(7)如果热量用Q表示,电流用I表示,电阻用R表示,时间用t表示,则Q=　I2Rt　。
能力点
(8)某小组在利用图乙装置实验时,发现左右两侧U形管液面上升高度相同,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:　右侧容器外5 Ω的电阻丝断路　。
(9)请分析“电炉工作时,电炉丝发热明显,而与电炉丝相连的导线发热不明显”:电炉丝的电流　等于　导线的电流,电炉丝的电阻　大于　导线的电阻。(均选填“大于”“等于”或“小于”)
(10)电烘箱高温和低温两挡的调节是通过改变接入电路的电阻丝的长度来实现的。由上述实验结论可知:低温挡接入电路的电阻丝比高温挡要　长　(选填“长”或“短”)一些。
题组一:焦耳定律
1.(2025·北京中考)下列用电器中,利用电流热效应工作的是(A)
A.电热水壶　　　　　 B.吸尘器
C.电冰箱 D.电视机
2.(2023·无锡中考)如图所示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　热　效应实现高温封口,3 s 内产生的热量为　75　J,若使用时总把塑料袋烫坏,可以　增大　(选填“增大”或“减小”)电热丝的阻值。
题组二:电学比值、极值、范围问题
3.(多选)(2024·龙东地区中考)如图,甲电路中电源电压保持不变,闭合开关后,将滑动变阻器的滑片由a端向b端移动的过程中,两电压表的示数与电流表的示数变化关系如图乙Ⅰ、Ⅱ所示,则(　C、D　)
A.Ⅱ是灯泡的I-U关系图像
B.灯泡最小功率为1 W
C.R的最大阻值为25 Ω
D.电路的最大功率为3.6 W
4.(多选)(2023·齐齐哈尔中考)如图所示电路,电源电压为4.5 V且恒定。电流表的测量范围为0~0.6 A,电压表的测量范围为0~3 V,小灯泡规格为“2.5 V,1.25 W”(灯丝阻值不变),滑动变阻器规格为“20 Ω,1 A”。保证电路中各元件都不损坏,下列说法正确的是(　A、B、D　)
A.电流表示数变化范围为0.3~0.5 A
B.电压表示数变化范围为2~3 V
C.滑动变阻器阻值变化范围为4~20 Ω
D.小灯泡实际功率变化范围为0.45~1.25 W
5.(2025·德阳中考)如图所示,电源电压恒定为6 V,定值电阻R0=10 Ω,R1=20 Ω,电流表测量范围为0~0.6 A,电压表测量范围为0~3 V,滑动变阻器R的最大阻值为20 Ω。若闭合开关S和S2,且滑动变阻器的滑片P置于中点时,R1在5 min内产生的热量为　240　J;若闭合开关S和S1,在保证各元件安全的情况下,电路的最小电功率和最大电功率之比为　1∶2　。
题组三:探究电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关
6.(2024·无锡中考)用如图所示的装置探究影响电流热效应的因素。甲、乙、丙三个相同的容器内均装有质量相等的煤油,电阻丝R1、R2、R3浸没在煤油中,其中R1=R2=5 Ω、R3=10 Ω。闭合开关前,记录下煤油的初温度t0,开关S接a、调节滑动变阻器滑片P,使电流表的示数为1 A,记录下第100 s和第200 s时甲容器中煤油的末温度t;开关S接b,调节滑片P,使电流表的示数为0.5 A,记录下第200 s时乙、丙容器中煤油的末温度t,断开开关,结果如表所示,比较序号①②可得:当通过导体的电流和导体的　电阻　相等时,导体产生的热量与通电　时间　有关。比较序号②和　③　可知导体产生的热量与电流大小有关。实验中,电阻R2产生的热量为　250　J。
序号 电阻 I/A 时间/s t0/℃ t/℃
① R1 1 100 20 34
② R1 1 200 20 48
③ R2 0.5 200 20 27
④ R3 0.5 200 20 34
题组四:电功、电功率、电热的综合计算
7.(2025·泸州中考)小飞家响应国家家电以旧换新惠民政策,置换了一台储水式电热水器,铭牌如表,原理如图,R1、R2是储水箱中加热器内的电阻,S1为漏电保护开关,S2为温控开关。已知c水=4.2×103 J/(kg·℃),ρ水=1.0×103 kg/m3。
额定加热功率 2 000 W 额定电压 220 V
额定保温功率 400 W 防水等级 IPX4
温度范围 室温 额定容量 50 L
加热方式 双管加热 内胆材质 金属板搪瓷
(1)求保温挡正常工作2小时消耗的电能;
(2)求R1的阻值;
(3)该电热水器在加热状态下正常工作40 min,使额定容量的水温度升高20 ℃,求它的加热效率。
解:(1)由P=可得,该电热水器处于保温挡正常工作2小时消耗的电能:
W=P保温t=400 W×2×3 600 s=2.88×106 J。
(2)闭合开关S1,将开关S2接a点时,电阻R1、R2接入电路中,由P=UI=可知,此时电热水器处于保温挡,电路中的总电阻
R总=R1+R2===121 Ω;
将开关S2接b点时,电阻R2接入电路中,由P=UI=可知,此时电热水器处于加热挡,R2===24.2 Ω,则R1的阻值:R1=R总-R2=121 Ω-24.2 Ω=96.8 Ω。
(3)由P=可得,该电热水器处于加热挡正常工作40 min消耗的电能:
W'=P加热t'=2 000 W×40×60 s=4.8×106 J,
由ρ=可知,额定容量下水的质量m=ρ水V=1.0×103 kg/m3×50×10-3 m3=50 kg,
水温升高20 ℃吸收的热量Q吸=c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×50 kg×20 ℃=4.2×
106 J,电热水器的加热效率η===87.5%。
跟踪诊断,请使用“梯级进阶训练”

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