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第19讲 焦耳定律与家庭电路
知识点一、 焦耳定律
电流的热效应由于导体有电阻，当有电流通过导体时，导体总会发热，将 转化为 ，这种现象叫做电流的热效应。电流通过导体产生的热量跟导体的电阻、通过导体的电流和通电时间有关，导体电阻越大、通过导体的电流越大、通电时间越长，产生的热量就越多。
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，跟它的时间成正比。公式： 。公式Q=I2Rt是电流产生热效应的公式，与W=UIt不能通用；W=UIt是电流做功的计算公式，如果电流做功时，只有热效应，则两公式是等效的；如果电流做功时，同时有其他能量转化，像电动机工作时，电能既转化为热能，也转化为机械能，则Q=I2Rt只是转化为电热的部分，W=UIt则是总的电功。
如图是“探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关”的实验装置，将四根电阻丝a、b、c、d分别密封在完全相同的 瓶子内，瓶内封闭一定量的空气，其中图乙中另取阻值为5Ω的电阻在瓶外与瓶内电阻并联。
（1）在实验中电流通过电阻时产生热量的多少是通过观察U形管中 来比较的，应用的物理探究方法 是 。
（2）图甲可探究电流产生的热量与 的关系，通电一段时间后， （选填“左”或“右”）侧瓶子中的电阻 产生的热量多。
（3）图乙可探究电流产生的热量与 的关系。
（4）实验的结论可进一步用公式 来表达。由公式可知，图乙中左右两侧瓶子中的电阻产生的热量之比为 。
（5）将图乙右侧两个电阻都放入密封瓶中，可探究电流产生的热量和 的关系。
在寒冷的冬日，我们常利用电能或燃烧燃料来取暖。
（1）一台取暖器正常工作时的电阻为22Ω，通过的电流为10A，则工作60s产生的热量为 J。
（2）下列用电器中利用电流热效应工作的是 。
A．电热毯 B．吸尘器 C．液晶电视机
（3）质量相同的干木柴和木炭完全燃烧， 放出的热量多（q干木材＝1.2×107J/kg、q木炭＝3.4×107J/kg）。
A．干木柴 B．木炭
小明和小红利用如图所示的装置探究“导体产生的热量与电阻大小的关系”。质量相等的两瓶煤油中都浸泡着一段金属丝，A 烧瓶中的金属丝是铜丝，电阻比较小，B烧瓶中的金属丝是镍铬合金丝，电阻比较大。温度计显示煤油的温度。
（1）实验中，小明和小红发现 烧瓶中温度计的示数升高快。这表明：在 相同的情况下，导体的 ， 产生的热量越多；
（2）小明提议利用该装置改成“比较水和煤油比热容的大小”的实验，则他们应将其中一烧瓶中的煤油换成 相等的 ； 将A烧瓶中的铜丝换成镍铬合金丝，并且与B烧瓶中的镍铬合金丝的 相等。通过实验观察，发现装有 的 烧瓶中温度计的示数变化较大，说明 比热容较大；
在冬季，很多汽车都配置电加热座椅垫，图甲为某款具有加热功能的座椅垫。通过观察和研究，小明了解到该座椅垫有“高温”“低 温”和“关”三个挡位，“高温”挡额定功率为36 W ，“低温”挡额定功率为12 W。该座椅垫加热部分的电路简化图如图乙所示， 电源电压恒为24 V ，S为挡位切换开关。R 和R 为阻值不变的电热丝。
（1）该座椅垫能加热是利用了电流的 。
（2）当座椅垫处于“关”挡时 ，电路处于 （选填“短路”“断路”或“通路”）状态。
（3）当座椅垫处于“低温”挡加热时，接入电路中的电阻是 （选填“R ”“R ”或“R 和R ”）。
（4）当座椅垫处于“高温”挡正常工作时，电路中的电流是 A ，电热丝 R 的阻值是 Ω，工作10 min产生的热 量是 J。
某电动玩具汽车的直流电动机部分参数如图所示。
（1）正常工作时，通电20s，电流通过电动机做功为__________J，产生的热量为__________J。
（2）分析电流通过电动机做功与产生的热量之间存在差异的原因。
如图所示，高压输电线通常采用如图所示的“多股铝绞线”。
（1）“多股铝绞线”采用 的方式，相当于增大导体的 从而 电阻。
（2）维修线路时有时需要断电，此时输电线的电阻将________。
（3）若发电厂输出电功率保持不变，输出电压增大，输电线上电能损耗将________。
如图（a）所示，是某品牌蛋糕机具有低温、中温和高温三个挡位，简化电路图如图（b）所示，R1、R2为阻值一定的电热丝（R1>R2）， 已知通过电源电流变大，温度变高。
（1）该蛋糕机工作时，通过电源的电流变大，电功率__________（选“A．变大　B．不变　C．变小”），挡位越高，温度越高， 利用了电流的________工作的。
（2）（单项选择题）可以通过S1、S2开关断开和闭合，让蛋糕机在不同挡位工作，下列说法正确的是（　　）
A．S1闭合、S2断开时蛋糕机处于低温挡
B．S1断开、S2闭合时蛋糕机处于低温挡
C．S1闭合、S2断开时蛋糕机处于高温挡
D．S1断开、S2闭合时蛋糕机处于高温挡
如图1所示是一款可以通过USB接口连到电脑上的电热杯垫。杯垫内部简化电路如图2所示，R1、R2为加热元件，开关S1、S2 同时闭合时，处于加热状态，整个电路中的电流是1A；只闭合开关S1时处于保温状态，整个电路中的电流是0.5A。已知R1 的电阻为10Ω，USB接口的输出电压为5V。[c水=4.2×103J/（kg·℃）]求:
保温30min产生的热量是多少焦耳
（2）加热功率是多少
（3）加热状态时，若产生的热量全部被水吸收，将500g的水从25℃加热至45℃需要多少分钟
知识点二、 家庭电路
基本组成：家庭电路主要由两根进户线、电能表、总开关、保险装置、用电器、导线等组成。电路图：家庭电路的连接：电能表、总开关和保险装置三个组成部分的安装顺序不能颠倒，且保护装置要 接在 上。用电器与控制用电器的开关串联，且 。双孔插座，接线规则是“ ”；三孔插座，接线规则是“ ”。用电笔验电时，氖管接触 会发光，接触 不发光。
生活中要注意用电安全。
（1）插座的口内设置挡片作为保护门，从导电性上分析，插孔内的挡片是__________（选“A导体”或“B绝缘体”）。
（2）在遵守安全用电原则的前提下，请用笔画线代替导线，将如图所示电路补全，其中开关只控制灯泡。
图是小红设计的简单家庭电路示意图。
（1）★处的进户线是________线。
（2）设计中，元件接入位置错误的是________。
（3）以下做法中，安全的是________（不定项）。
A．用湿手插拔电器插头 B．使用破损、老化的电线 C．定期检查电路和电器
D．超负荷使用插座 E．遇触电事故，先断电再施救
家庭电路包含供电线路、电能表、低压断路器、开关、插座和用电器。
（1）我国家庭电路的电压和频率是（ ）。
A． B． C．
（2）家庭电路中使用（ ）保障电路安全。
A．供电线路 B．电能表 C．低压断路器 D．开关
如图（甲）所示，某款人形机器人重800N，在某次测试中，该机器人托举着箱子在水平地面上以恒定速度匀速运动10s，前 进20m，已知这个过程中该机器人受到的阻力为50N。
（1）机器人托着箱子在水平地面上运动时牵引力做的功为________功率为________W。
（2）当机器人内置电池需要充电时，需将其接到家庭电路的插座上进行充电。如图（乙）为家庭电路的一个简单图示。则：
①火线与零线之间有________伏的电压。
②（多选）闭合开关S，小灯正常发光，在充电电池插入插座充电后，灯泡突然熄灭，检查时发现保险丝也熔断了，则该家庭 电路故障的可能原因是________。
A.三孔插座短路
B.充电电池的插头短路
C.小灯泡短路
D.充电电池电阻过小
2/ 让教学更有效 精品 | 物理学
第19讲 焦耳定律与家庭电路
知识点一、 焦耳定律
电流的热效应由于导体有电阻，当有电流通过导体时，导体总会发热，将 电能 转化为 内能 ，这种现象叫做电流的热效应。电流通过导体产生的热量跟导体的电阻、通过导体的电流和通电时间有关，导体电阻越大、通过导体的电流越大、通电时间越长，产生的热量就越多。
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，跟它的时间成正比。公式： Q＝I Rt 。公式Q=I2Rt是电流产生热效应的公式，与W=UIt不能通用；W=UIt是电流做功的计算公式，如果电流做功时，只有热效应，则两公式是等效的；如果电流做功时，同时有其他能量转化，像电动机工作时，电能既转化为热能，也转化为机械能，则Q=I2Rt只是转化为电热的部分，W=UIt则是总的电功。
如图是“探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关”的实验装置，将四根电阻丝a、b、c、d分别密封在完全相同的 瓶子内，瓶内封闭一定量的空气，其中图乙中另取阻值为5Ω的电阻在瓶外与瓶内电阻并联。
在实验中电流通过电阻时产生热量的多少是通过观察U形管中 液面的高度差 来比较的，应用的物理探究方法是
转换法 。
图甲可探究电流产生的热量与 电阻 的关系，通电一段时间后， 右 （选填“左”或“右”）侧瓶子中的电阻
产生的热量多。
（3）图乙可探究电流产生的热量与 电流 的关系。
（4）实验的结论可进一步用公式 Q＝I Rt 来表达。由公式可知，图乙中左右两侧瓶子中的电阻产生的热量之比为 4:1 。
（5）将图乙右侧两个电阻都放入密封瓶中，可探究电流产生的热量和 电阻 的关系。
在寒冷的冬日，我们常利用电能或燃烧燃料来取暖。
（1）一台取暖器正常工作时的电阻为22Ω，通过的电流为10A，则工作60s产生的热量为 1.32×105 J。
（2）下列用电器中利用电流热效应工作的是 A 。
A．电热毯 B．吸尘器 C．液晶电视机
（3）质量相同的干木柴和木炭完全燃烧， B 放出的热量多（q干木材＝1.2×107J/kg、q木炭＝3.4×107J/kg）。
A．干木柴 B．木炭
小明和小红利用如图所示的装置探究“导体产生的热量与电阻大小的关系”。质量相等的两瓶煤油中都浸泡着一段金属丝，A 烧瓶中的金属丝是铜丝，电阻比较小，B烧瓶中的金属丝是镍铬合金丝，电阻比较大。温度计显示煤油的温度。
（1）实验中，小明和小红发现 B 烧瓶中温度计的示数升高快。这表明：在 电流与时间 相同的情况下，导体的 电阻越大 ， 产生的热量越多；
（2）小明提议利用该装置改成“比较水和煤油比热容的大小”的实验，则他们应将其中一烧瓶中的煤油换成 质量 相等的 水 ； 将A烧瓶中的铜丝换成镍铬合金丝，并且与B烧瓶中的镍铬合金丝的 电阻 相等。通过实验观察，发现装有 煤油 的 烧瓶中温度计的示数变化较大，说明 水 比热容较大；
在冬季，很多汽车都配置电加热座椅垫，图甲为某款具有加热功能的座椅垫。通过观察和研究，小明了解到该座椅垫有“高温”“低 温”和“关”三个挡位，“高温”挡额定功率为36 W ，“低温”挡额定功率为12 W。该座椅垫加热部分的电路简化图如图乙所示， 电源电压恒为24 V ，S为挡位切换开关。R 和R 为阻值不变的电热丝。
（1）该座椅垫能加热是利用了电流的 热效应 。
（2）当座椅垫处于“关”挡时 ，电路处于 断路 （选填“短路”“断路”或“通路”）状态。
（3）当座椅垫处于“低温”挡加热时，接入电路中的电阻是 R 和R （选填“R ”“R ”或“R 和R ”）。
（4）当座椅垫处于“高温”挡正常工作时，电路中的电流是 1.5 A ，电热丝 R 的阻值是 16 Ω，工作10 min产生的热 量是 21600 J。
某电动玩具汽车的直流电动机部分参数如图所示。
（1）正常工作时，通电20s，电流通过电动机做功为 60 J，产生的热量为 20 J。
（2）分析电流通过电动机做功与产生的热量之间存在差异的原因。
电流通过电动机做功时，主要将电能转化为机械能，只有小部分电能因为电流的热效应转化为内能，产生热量，因此电流通过电动机做功大于产生的热量，因此存在差异。
如图所示，高压输电线通常采用如图所示的“多股铝绞线”。
（1）“多股铝绞线”采用 并联 的方式，相当于增大导体的 横截面积 从而 减小 电阻。
（2）维修线路时有时需要断电，此时输电线的电阻将 不变 。
（3）若发电厂输出电功率保持不变，输出电压增大，输电线上电能损耗将 减小 。
如图（a）所示，是某品牌蛋糕机具有低温、中温和高温三个挡位，简化电路图如图（b）所示，R1、R2为阻值一定的电热丝（R1>R2）， 已知通过电源电流变大，温度变高。
（1）该蛋糕机工作时，通过电源的电流变大，电功率 A （选“A．变大　B．不变　C．变小”），挡位越高，温度越高， 利用了电流的 热效率 工作的。
（2）（单项选择题）可以通过S1、S2开关断开和闭合，让蛋糕机在不同挡位工作，下列说法正确的是（　A　）
A．S1闭合、S2断开时蛋糕机处于低温挡
B．S1断开、S2闭合时蛋糕机处于低温挡
C．S1闭合、S2断开时蛋糕机处于高温挡
D．S1断开、S2闭合时蛋糕机处于高温挡
高温档，电流最大，并联，都闭合
中温档，电流中间，电阻中间，只有R2工作，只闭合S2
低温档，电流最小，电阻最大，只有R1工作，只闭合S1
如图1所示是一款可以通过USB接口连到电脑上的电热杯垫。杯垫内部简化电路如图2所示，R1、R2为加热元件，开关S1、S2 同时闭合时，处于加热状态，整个电路中的电流是1A；只闭合开关S1时处于保温状态，整个电路中的电流是0.5A。已知R1 的电阻为10Ω，USB接口的输出电压为5V。[c水=4.2×103J/（kg·℃）]求:
保温30min产生的热量是多少焦耳
（2）加热功率是多少
（3）加热状态时，若产生的热量全部被水吸收，将500g的水从25℃加热至45℃需要多少分钟
只闭合S1时，为保温档位，此时只有R1工作，
Q保温＝I保温 R1t＝(0.5A) ×10Ω×30×60s＝4500J
P加热＝U·I加热＝5V×1A＝5W
Q吸＝C水m水Δt水＝4.2×10 J/(kg·℃)×0.5kg×（45℃－25℃）＝42000J
∵W＝Q吸
∴W＝Pt＝42000J
t＝42000J/5W＝8400s＝140min
知识点二、 家庭电路
基本组成：家庭电路主要由两根进户线、电能表、总开关、保险装置、用电器、导线等组成。电路图：家庭电路的连接：电能表、总开关和保险装置三个组成部分的安装顺序不能颠倒，且保护装置要 串联 接在 火线 上。用电器与控制用电器的开关串联，且 开关接在火线和用电器之间 。双孔插座，接线规则是“ 左零右火 ”；三孔插座，接线规则是“ 左零右火上接地 ”。用电笔验电时，氖管接触 火线 会发光，接触 零线 不发光。
生活中要注意用电安全。
（1）插座的口内设置挡片作为保护门，从导电性上分析，插孔内的挡片是 B （选“A导体”或“B绝缘体”）。
（2）在遵守安全用电原则的前提下，请用笔画线代替导线，将如图所示电路补全，其中开关只控制灯泡。
图是小红设计的简单家庭电路示意图。
（1）★处的进户线是 或 线。
（2）设计中，元件接入位置错误的是 开关 。
（3）以下做法中，安全的是 C E （不定项）。
A．用湿手插拔电器插头 B．使用破损、老化的电线 C．定期检查电路和电器
D．超负荷使用插座 E．遇触电事故，先断电再施救
家庭电路包含供电线路、电能表、低压断路器、开关、插座和用电器。
（1）我国家庭电路的电压和频率是（ B ）
380V，50Hz B．220V，50Hz C．36V，50Hz
（2）家庭电路中使用（ C ）保障电路安全。
A．供电线路 B．电能表 C．低压断路器 D．开关
如图（甲）所示，某款人形机器人重800N，在某次测试中，该机器人托举着箱子在水平地面上以恒定速度匀速运动10s，前 进20m，已知这个过程中该机器人受到的阻力为50N。
（1）机器人托着箱子在水平地面上运动时牵引力做的功为 1000J 功率为 100 W。
（2）当机器人内置电池需要充电时，需将其接到家庭电路的插座上进行充电。如图（乙）为家庭电路的一个简单图示。则：
①火线与零线之间有 220 伏的电压。
②（多选）闭合开关S，小灯正常发光，在充电电池插入插座充电后，灯泡突然熄灭，检查时发现保险丝也熔断了，则该家庭 电路故障的可能原因是 BD 。
A.三孔插座短路
B.充电电池的插头短路
C.小灯泡短路
D.充电电池电阻过小
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