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15.4　焦耳定律
基础提质
1.【科学方法·转换法】小军用如图所示的装置做“探究电流通过导体时产生热量的多少跟哪些因素有关”的实验,两个相同透明容器中分别接入了电阻丝R 和R ,且密封着等量的空气,并与装有相同液体的U形管连通,电阻丝R 与图中电阻丝R 并联置于密闭容器外,将导线a和b接入电路进行实验,下列说法正确的是(　　)
A.接通电路后通过R 的电流一定等于通过R 的电流
B.该装置不能探究电流通过导体产生的热量与通电时间的关系
C.若探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系,则需要使R ≠R
D.若探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系,则可去掉R ,且使R ≠R
2.【核心素养·物理观念】(2025安徽庐江月考)将锡箔纸剪成如图所示的形状(其中a、b、c三段的长度相同),然后将M、N分别接在干电池的正、负两极上构成一个闭合回路,则在相同时间内,该锡箔纸上产生热量最少的部位是(　　)
A.a　　B.b　　C.c　　D.无法确定
3.(2025安徽淮北相山二模)如图所示的电路中,小灯泡L的额定电压为3 V,闭合开关S ,小灯泡L恰好正常发光,电流表的示数为0.3 A,再闭合开关S ,电流表的示数为0.5 A,则通电1 min电阻R产生的热量为_______J。
4.【核心素养·科学思维】(2026重庆北碚期末)一台电动机线圈电阻为3 Ω,将它接在9 V电压下,电流在5 min内做功270 J。求:
(1)通过电动机的电流;
(2)5 min内电动机产生的热量;
(3)若该电动机出现卡壳故障,5 min内电动机产生的热量。
5.(2026山西长治月考)下列用电器利用电流热效应工作的是(　　)
A.电视机　　B.电风扇　　C.电烤箱　　D.吸尘器
6.【情境素材·安全与健康】(2026广西南丹期末)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.家电长时间停用,隔一段时间应通电一次
C.电动机外壳有许多散热片
D.电脑机箱内有小风扇
能力提升
7.(2026山东枣庄薛城期末,★☆☆)一台“220 V　60 W”的电风扇、一盏“36 V　60 W”的白炽灯和一个“110 V　60 W”的电热器各自在额定电压下工作,比较它们在相同通电时间内产生的热量,下列说法正确的是(　　)
A.电风扇最多　　B.电热器最多　　C.白炽灯最多　　D.三者一样多
8.(2026广东广州越秀月考,★★☆)如图所示,甲、乙、丙、丁四个相同容器里装有质量和初温均相同的煤油,每个容器内放入同种材料绕成的发热线圈,其电阻R =R ,R =R ,R =2R ,若同时通电,经过一段时间后这四个容器中的煤油温度从低到高依次是(　　)
A.甲、乙、丁、丙　　B.丁、丙、乙、甲
C.甲、乙、丙、丁　　D.丙、丁、乙、甲
9.(2026广东珠海金湾期末,★☆☆)如图甲所示是便携式封口机,其工作时利用电流的______效应,熔化塑料实现封口。如图乙所示是其原理图,电源电压是3 V,发热电阻R的阻值为1 Ω,闭合开关,则20 s内产生_______J的热量;若封口时总是把塑料袋烫坏,应将发热电阻换成阻值更______(选填“大”或“小”)的电阻。
10.【跨学科实践·社会发展】(2025安徽合肥一模,★★☆)如图甲所示是常用的3D打印笔,它通过加热,挤出热熔的塑料,然后塑料在空气中迅速冷却,最后凝固成形。此打印笔有快、慢两挡,其内部简化电路如图乙所示,R =2 200 Ω、R =1 100 Ω,两个电阻都是用于发热的电热丝,则使用快挡10 s,打印笔产生的热量为_______J。
素养提优
11.【核心素养·科学思维】彤彤家里有一台电热锅,它的一些参数如表所示,加热功率有高、低两个挡位,其内部简化电路如图甲所示。[ρ水=1.0×10 kg/m ,c水=4.2×10 J/(kg·℃)]
额定电压 220 V
加热电阻R 55 Ω
加热电阻R 44 Ω
(1)电热锅在高挡位工作时的额定功率是多大
(2)若将锅中0.5 L的水从25 ℃加热到80 ℃,水吸收多少热量
(3)使用高挡位加热上述水的过程中,加热效率为70%,电热锅需工作多长时间 (不计热量损失)
(4)爱动脑的彤彤把原电热锅内部简化电路改造成如图乙所示,也有高、低两个挡位,已知该电热锅允许通过的最大电流为8 A,请判断乙图电路是否合理,并通过计算说明原因。
参考答案与解析
1. D
解析　由图可知,电阻R 与R 并联,再与R 串联,根据串、并联电路的电流特点可知,通过R 的电流大于通过R 的电流,故A错误;在实验过程中,通过开关的闭合和断开可以改变电路中通过电流的时间,故能探究电流通过导体产生的热量与通电时间的关系,故B错误;若R 和R 阻值不相等,由于通过这两个电阻的电流也是不同的,故不能探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系,故C错误;若要探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系,必须控制电流相等,故可去掉R ,使R 和R 串联,使得通过二者的电流相等,同时使R 和R 的阻值不同,故D正确。故选D。
2. A
解析　材料和长度相同时,导体的横截面积越大,电阻越小,所以锡箔纸a段的电阻最小;a、b、c三段串联在电路中,因串联电路中各处的电流相等,所以通过a、b、c三段的电流相等,根据Q=I Rt可知,相同时间内,锡箔纸上产生热量最少的部位是a。
3. 36
解析　只闭合开关S 时,电路为小灯泡L的简单电路,电流表测通过小灯泡的电流I_L。由于小灯泡L恰好正常发光,则电源电压U=U_L=3 V;再闭合开关S ,定值电阻R与小灯泡L并联,电流表测干路电流,此时通过定值电阻R的电流I_R=I-I_L=0.5 A-0.3 A=0.2 A,则通电1 min电阻R产生的热量Q=I_R Rt=UI_Rt=3 V×0.2 A×60 s=36 J。
4. (1)0.1 A　(2)9 J　(3)8 100 J
解析　(1)由W=UIt可知,I===0.1 A;
(2)5 min内电动机产生的热量Q=I Rt=(0.1 A) ×3 Ω×300 s=9 J;
(3)若该电动机出现卡壳故障,此时电动机消耗的电能全部转化为内能,电路为纯电阻电路,则电路中的电流I’===3 A,5 min内电动机产生的热量Q’=(I’) Rt=(3 A) ×3 Ω×300 s=8 100 J。
5. C
解析　电视机工作时,电能主要转化为光能和声能,故A不符合题意;电风扇工作时,电能主要转化为机械能,故B不符合题意;电烤箱工作时,电能主要转化为内能,是利用电流的热效应工作的,故C符合题意;吸尘器工作时,电能主要转化为机械能,故D不符合题意。
6. B
解析　电视机的后盖有许多孔是为了把电器元件产生的热量及时散去,属于防止电热危害,故A不符合题意;家电长时间停用,隔一段时间应通电一次,可以防止家电受潮,属于利用电热,故B符合题意;电动机外壳上的散热片主要用来散热,属于防止电热危害,故C不符合题意;电脑机箱内的小风扇便于散热,属于防止电热危害,故D不符合题意。
7. B
解析　三个用电器都在额定电压下工作,P=P额,则实际功率P相同,工作时间相同时,由W=Pt可知,三个用电器消耗的电能相同,电风扇主要把电能转化为机械能,电热器主要把电能转化为内能,白炽灯主要把电能转化为内能和光能,综上可知,电热器产生的热量最多,故选B。
8. A
解析　由图可知,发热线圈R 、R 并联在电压为10 V的电路中。由于R =R ,R =R ,R =2R ,所以R =2R ;由Q=t可知,Q >Q 。R 、R 串联在电压为10 V的电路中,电路总电阻R总=R +R =3R >R ,它们放出的总热量Q总=t,小于R 产生的热量,即Q >Q ,Q >Q ;R 、R 串联在电路中,电路中的电流处处相等,根据Q=I Rt可知,发热线圈电阻越大,产生的热量越多,所以Q >Q ;综上可得Q >Q >Q >Q ,所以经过一段时间后这四个容器中的煤油温度从低到高的顺序为甲、乙、丁、丙,故选A。
9. 热;180;大
解析　便携式封口机工作时主要将电能转化为内能,利用电流的热效应实现高温封口;由Q=I Rt=t可知,阻值为1 Ω的发热电阻20 s内产生的热量Q=t=×20 s=180 J;若封口时总是把塑料袋烫坏,说明电阻发热过多,由Q=I Rt=t可知,电压和通电时间一定时,要减小发热电阻产生的热量,应将发热电阻换成阻值更大的电阻。
10. 660
解析　由图乙可知,当开关S、S 都闭合时,R 、R 并联;由并联电路电阻特点及P=可知,此时电路总电阻最小,总功率最大,打印笔处于快挡;当开关S闭合、S 断开时,电路为R 的简单电路,电路的总电阻最大,总功率最小,打印笔处于慢挡;则打印笔快挡的电功率P=+=+=22 W+44 W=66 W,使用快挡10 s,打印笔产生的热量Q=W=Pt=66 W×10 s=660 J。
11. (1)1 100 W　(2)1.155×10 J　(3)214 s　(4)不合理,高温挡干路电流9 A大于允许最大电流8 A
解析　(1)由P=可知,电压一定时,电路总电阻越小,总功率越大;由表可知R =55 Ω,R =44 Ω,由图甲可知,当双触点开关只接2时,电路为只有R 的简单电路,此时电热锅在高挡位,则电热锅在高挡位工作时的额定功率P额===1 100 W。
(2)0.5 L水的质量m=ρ水V=1.0×10 kg/m ×0.5×10 m =0.5 kg;从25 ℃加热到80 ℃,水吸收的热量Q吸=c水mΔt=4.2×10 J/(kg·℃)×0.5 kg×(80 ℃-25 ℃)=1.155×10 J。
(3)加热效率为70%,则电热锅放出的热量Q放==≈1.65×10 J;不计热量损失,电热锅消耗电能W=Q放=1.65×10 J;使用高挡位加热,需要工作的时间t===150 s。
(4)由图乙可知,当双触点开关同时接1和2时,两电阻并联,此时电路中的总电阻最小,由P=可知,总功率最大,电热锅处于高温挡,此时干路电流I总=+=+=4 A+5 A=9 A>8 A,则图乙所示电路中电热锅在高温挡工作时,干路电流大于该电热锅允许通过的最大电流,所以乙图电路不合理。

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