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第十八章 电功率
第四节 焦耳定律
热得发红
几乎不发热
问题
电炉工作时，电炉丝通过导线接到电路里，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热
新课导入
这是什么现象？
生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象发生。
电流的热效应
电流通过导体时电能转化成内能，这个现象叫做电流的热效应。
电流的热效应
电炉丝与导线串联接到电路里，通过的电流相同，为什么
电炉丝热得发红，而导线却不怎么热？
电流通过导体产生的热量多少跟什么因素有关？
电流的热效应
1、可能与通过导体的电流有关。因为导体在通入电流时才会发热，所以电流通过导体时产生热的多少跟电流有关；
2、可能与导体的电阻有关。导线和电熨斗串联接入电路，电流是相同的，电熨斗热的温度高，而导线几乎不热，电流产生的热可能与电阻有关。
3、可能与通电时间有关。由生活经验可知，通电时间越长，电流产生的热量也会越多。
猜想假设
如图所示，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。两个密闭容器中都有一段电阻丝，右边容器中电阻丝的电阻比较大。
演示
电热与电阻的关系
电流的热效应
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
A
两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两段电阻丝的电流相同。通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么
实验方法：
1、控制变量法。
（1）两个透明容器中密闭的空气要求_____和_____都相同；
2、转换法。
由于电流通过用电器所产生热量的大小不易直接进行观察比较，实验中通过_____________来比较产生的电热的多少。这里应用到的物理方法是_______。
质量
初温
液柱的高度差
转换法
电流的热效应
电热与电阻的关系
（2）在探究电流通过导体产生热的多少跟电阻的关系时，应该控制_________和______________。把5Ω和10Ω的电阻串联是为了控制通过两个电阻的电流大小相同，也可以控制通电时间相同。
通电时间不变
电流不变
实验表明:在电流相同、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
演示
如图所示，两个密闭容器中电阻丝的电阻一样大，在其中一个容器的外部，将另一段电阻丝与容器内的电阻丝并联，因此通过两个容器中电阻丝的电流不同。闭合开关，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。你看到的现象说明了什么
电流的热效应
I = 2I1
I
A
I1
5Ω
5Ω
5Ω
控制变量法：
在探究电流通过导体产生热的多少跟电流的关系时，应该控制___和___________。把5Ω电阻放在容器内是为了控制产生热量的电阻相同，同一电路的通断也可以控制通电时间相同。将另一段电阻丝与容器内的电阻丝并联，因此通过两个容器中电阻丝的电流不同。
电热与电流的关系
电阻
通电时间不变
实验表明:在电阻相同、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，
电热与电流的关系
电热与通电时间的关系
在研究通电时间对产生热量多少的影响时，应该控制电流和电阻不变
实验表明，在阻值和电流不变时，通电时间越长，电流产生的热量越多。
焦耳定律
焦耳定律
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: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。这个规律叫作焦耳定律(Joule's law)。
如果热量用Q表示，电流用I表示，电阻用R表示通电时间用t表示，那么焦耳定律为：
Q=I2Rt
（1J=1A2×1Ω×1S）
电流 I 的单位：安（A）
电阻 R 的单位：欧（Ω）
时间 t 的单位：秒（s）
热量 Q 的单位：焦（J）
学了焦耳定律，你能回答“电炉丝通过导线接到电路中，电炉丝和导线通过的电流相同，为什么电炉丝热的发红，而导线却几乎不发热？”
因为电线和电炉串联，通过它们的电流，通电时间是一样的，而电炉的电阻比电线的电阻大的多，所以根据焦耳定律 可知，在相同时间内电流通过电炉产生的热量比通过电线产生的热量大，因此电炉热而电线却不热。
热得发红
几乎不发热
焦耳定律
纯电阻电路
该类电路中，电流通过用电器时，电能全部转化为内能，电流产生的热量就等于消耗的电能，即Q=W
焦耳定律
上述公式适用于纯电阻电路。如电炉、电热器、电熨斗、白炽灯、卡住的电动机等。
可见，在消耗的电能全部用来产生热量时，根据电功公式和欧姆定律推导出的结论与焦耳定律一致。
非纯电阻电路
在该类电路中，当电流通过用电器时，电能主要转化为其它形式的能量，只有一部分转化为内能 。
此时电能=内能+机械能 ，所以Q＜W。
例如：当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，有少部分转化为内能发热。
W总＝UIt =W机械能＋Q热量
焦耳定律
W=UIt=Pt
Q=I2Rt
上述公式适用于非纯电阻电路。如电风扇、洗衣机、转动的电动机
纯电阻电路
非纯电阻电路
W=UIt=Pt Q=I2Rt
1.下列用电器中，利用电流的热效应的是（ ）
A．电风扇 B．电饭锅 C．电视机 D．电动机
B
2.下列各用电器均标有“220V 60w”字样，它们正常工作相同的时间发热最多的用电器是（ ）
A．电视机 B．电风扇 C．电热毯 D．电灯
C
3.当温度降到很低时，某些金属导体的电阻会突然消失，这种现象称为超导现象。假如所有导体都没有了电阻，当用电器通电时，下列说法正确的是（ ）
A．白炽灯仍然能发光 B．电动机仍然能转动
C．电饭锅仍然能煮饭 D．电熨斗能熨烫衣服
B
课堂练习
四个电阻器的电阻分别为R1、R2、R3、R4。如图甲所示，电阻为R1、R2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R3、R4的电阻并联后也接在电压为U的电路中。已知R1=R3,R =R4,R1>R2。
(1)电阻为R1和R 的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多
(2)电阻为R3和R4,的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多
(1)R1、R2串联,电流相同，利用公式 Q=I2Rt ，因为R1>R2,所以Q1>Q2
(2)R3、R4并联,电压相同，利用公式 ，因为R3>R4,所以Q3焦耳定律
例题
纯电阻串联电路中，电阻越大，放热越多，用公式Q=I2Rt判断
纯电阻并联电路中，电阻越大，放热越多，用公式Q= 判断
U2
R
t
4.将两根火柴分别放在串联的两根电热丝R1和R2上，若R1＞R2，通电后问那根火柴先被点燃（ ）
A．R1在上的火柴 B．同时点燃
C．在R2上的火柴 D．电熨斗能熨烫衣服
A
5.将两根火柴分别放在并联的两根电热丝R1和R2上，若R1＞R2，通电后问那根火柴先被点燃（ ）
A．R1在上的火柴 B．同时点燃
C．在R2上的火柴 D．电熨斗能熨烫衣服
C
课堂练习
串联,电流相同，利用公式 Q=I2Rt
并联,电压相同，利用公式
想想议议
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
前提条件：
电压相同
公式：
（并联）
前者
前提条件：
电流相同
Q=I2Rt
公式：
（串联）
后者
两种说法在各自前提下都是正确的，所以二者不矛盾。
电热的利用和防止
电热的利用和防止
电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用了电流的热效应，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
利用电热孵化器孵小鸡
电熨斗
吹风机
电饭锅
电热水器
取暖器
电热毯
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
电热器的优点:
很多情况下我们并不希望用电器的温度过高。过多的热量，不能及时散失。会产生安全隐患。
电热的防止
电视机散热孔
电脑主板风扇
笔记本散热孔
显卡散热风扇
课堂小结
6.把一台电动机接入电压为220V的电路中，通过电动机的电流为5A，电动机线圈的电阻为2Ω，1min电动机消耗的电能为多少？通过线圈的电流产生的热量为多少？
7.一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？
拓展练习
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
8、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？
拓展练习
1.通过某电阻丝的电流为2A时，测得它的电阻是2Ω，该电阻1min产生多少热量
2.一台额定功率是450W的电饭锅，在额定电压下使用，1min产生多少热量
Q=W=Pt=450W×60s=2.7×104J
练习与应用
Q=I2Rt=（2A）2×2 ×1×60s=480J
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1 210Ω，它的额定功率有多大 在额定电压下通电10 min产生多少热量
Q=W=Pt=40W×10×60s= 2.4×104J
4.某校师生自制了一台电烤箱。电烤箱的电阻丝通过5A的电流时，1min可产生6.6×104J的热量。求这台电烤箱的电功率和电阻丝工作时的电阻。
练习与应用
5.一个电热水壶的容量为1L，电功率为1000W，在标准状态下按上述容量烧开一壶初温为20°C的水，至少需要多长时间
水的质量 = =1×103 kg/m3 ×1.0×10 3 m3=1kg
水吸收的热量
Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg ℃)×1kg×(100℃-20℃)=3.36×105J
电流做功W= Q吸= 3.36×105J
烧开一壶水需要时间：
6.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）列举两个生活和生产中为防止电流热效应产生危害而采取的措施
（1）电暖器、电烙铁、电饭锅
（2）电视机外壳的散热窗、计算机的散热风扇
练习与应用
7. 在家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根连接起来。有人把导线简单地拧在一起，这样会使得连接处电阻增大，导致连接处比别处容易发热，甚至引起火灾。这是为什么
在家庭电路中，导线相互连接处若接触不良，该处的电阻较大，导线连接处与导线串联在电路中，通过的电流相等、通电时间相等，由 Q=I2Rt可知连接处产生的热量较多，往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾。
下 课
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