人教版物理九年级全一册 第十八章 电功率 第四节 焦耳定律学案.docx

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人教版物理九年级全一册第十八章电功率第四节焦耳定律学案

人教版物理九年级全一册第十八章电功率第四节焦耳定律

【学习目标】

　　1、知道电流的热效应；

2、理解焦耳定律，知道电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有关；

3、知道电热的利用和防止。

【要点梳理】

要点一、电流的热效应

1．定义：

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。

2．影响电流的热效应大小的因素：

导体通电时，产生热的多少与电流的大小、导体电阻的大小和通过时间有关。

通电时间越长，电流越大，电阻越大，产生的热量越多。

要点诠释：

电流通过导体时，电流的热效应总是存在的。

这是因为导体都有电阻。

导体通电时，由于要克服导体对电流的阻碍作用，所以要消耗电能，这时电能转化成内能。

如果导体的电阻为零，电流通过导体时，不需要把电能转化成内能，这时电能在导体中传输时也不会因发热而损失。

3.探究影响电流通过导体产生的热量的因素

（1）电流产生的热量与电阻的关系

如图18.4-2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，右边容器中的电阻比较大。

两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?

实验表明：

在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。

（2）电流产生的热量与电流大小的关系

如图18.4-3所示，两个密闭容器中的电阻一样大，在其中一个容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，因此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?

实验表明：

在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。

要点二、焦耳定律

1．内容：

电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻成正比，跟通电时间成正比。

这个规律叫焦耳定律。

　　2．公式：

Q=I2Rt

要点诠释：

焦耳定律的另外两个表达式：

　　1.从公式我们能看出,电流通过导体产生的热量受电流的影响最大。

　　2.在应用焦耳定律的表达式来解决问题时，应该根据具体情况进行分析选用，例如，当几个导体串联起来时，由于通过导体的电流相等，通电时间也相等，应用表达式

分析，此时导体产生的热量与电阻R成正比；当几个导体并联起来时，由于加在导体两端的电压相等，通电时间也相等，应用表达式

分析，此时导体产生的热量与电阻成反比。

　　3.几个公式的比较

电功

电功率

焦耳定律

适用范围

基本公式

W=UIt

普遍适用

导出公式

纯电阻电路W=Q

4.只有在纯电阻电路中可以用电功公式计算电热。

因为在纯电阻电路中，电流做的功全部用来产生热量，此时电功等于电热，即W=Q。

而在非纯电阻电路中，电流所做的功只有一部分用来产生热量，如电动机工作时，既产生热量又产生机械能，电功等于热量与机械能之和，即W>Q，故此时就不能用电功的公式来计算电热了。

要点三、电热的利用和防止

1.电热的利用：

日常生产、生活中会经常用到电热,如家用的热水器、电饭煲等,这些都是用电来加热的设备,叫电热器。

要点诠释：

这些用电器的共同特点就是利用电流做功,将电能转化成内能,使我们获得需要的热量。

有些电器通电时也能产生热量,但是由于不是用电来加热的,所以不能叫电热器（如电视机、电脑等）。

2.电热的危害：

很多情况下,电流通过导体时产生的热量,并不是我们需要的,这时电能白白消耗掉了,有时还会引起事故甚至灾害,所以要想办法阻止电热的产生。

要点诠释：

我们说的电热的危害是对于我们的需要来说的,如果产生的热量是我们需要的,那对我们是有利的,反之就是有害的，如：

电视机在工作时产生的热量,在正常观看时是有害的，但当电视机长时间不用时,我们可以利用电热来驱潮,这时的电热是有利的。

电热器在工作时产生的热量如果过多,也会带来危害,所以我们在正常使用电能产生的热量时,也要注意安全。

【典型例题】

类型一、基础知识

【例题】1、电动机是一种广泛应用的动力设备，它主要是把电能转化为机械能，因其线圈存在电阻，还有一小部分电能转化为内能。

现有一台电动机，其线圈电阻为0.4欧，当它的两端电压为220V时，通过它线圈的电阻的电流为10A，则在1分钟内该电动机消耗的电能是J，线圈产生的热量是

J。

【思路点拨】

（1）已知电压与电流，由功的公式W=UIt可求出电动机消耗的电能；

（2）由公式Q=I2Rt可求出电动机线圈产生的热量。

【答案】1.32×105；2.4×103

【解析】

（1）电动机1分钟内消耗的电能W=UIt=220V×10A×60s=1.32×105J；

（2）线圈每秒产生的热量Q=I2Rt=（10A）2×0.4Ω×60s=2.4×103J。

【总结升华】本题考查电动机的功、线圈产生热量的计算，把已知数据代入功的公式计算即可。

举一反三：

【变式】晨光从一台废旧收录机内拆下一只电动机，他将一只电流表与其串联后接在6V的稳定电源上，闭合开关后，电动机未转动，而此时电流表的示数为2A，检查发现电动机的轴承被卡住了，排除故障后,电动机正常转动，这时电流表示数为0.5A。

求：

（1）电动机线圈的电阻；

（2）电动机正常工作时的耗电功率；

（3）电动机正常工作时的发热功率；

（4）电动机被卡住时的发热功率。

【答案与解析】

（1）

，　　　　　　　　　

（2）P=UI2=6V×0.5A=3W，

（3）P=I22R=（0.5A）2×3Ω=0.75W

（4）P热=I12R=（2A）2×3Ω=12W。

【例题】2、如图所示的实验装置中，三个相同的烧瓶A、B、C内部都盛有质量和初温均相等的液体，其中，A、B烧瓶中装的是水，C瓶中装的是煤油，A、B、C瓶中电阻丝的阻值分别为RA、RB、RC，且RA=RC＞RB。

当合上开关S通电一段时间后（三个烧瓶中的液体均未达到沸腾），A、B、C瓶中温度计示数分别为TA、TB、TC。

对三只温度计示数的判断，下列说法正确的是（均不计热损失，比热容C水＞C煤油）（　　）

A．TA=TB＜TCB．TA=TC＞TBC．TC＞TA＞TBD．TA＞TB＞TC

【思路点拨】根据Q=I2Rt和Q=cm△t进行分析，先比较AB温度计示数的关系；然后比较AC中温度计示数的关系，最后得出三者之间的关系。

【答案】C

【解析】由Q=I2Rt可知，A、C中电阻丝产生的热量相同，B中产生的热量最少，由于AB中都为水，因此产生热量多的温度计升高的示数就大，故TA＞TB；

由Q=cm△t可知，吸收的热量和质量都相同时，比热容越小，温度变化越快，因此煤油中温度计的示数大，故TC＞TA；综合分析可得：

TC＞TA＞TB。

【总结升华】本题考查了学生对焦耳定律、吸热公式的掌握和运用，判断出电热丝放热的多少是本题的关键。

举一反三：

【变式】如图所示，在四个相同水槽中盛有质量相等和温度相同的纯水，现将阻值为R1、R2的电阻丝（R1＜R2）分别按图中的四种方式连接放入水槽，并接入相同电源。

通电相同时间后，水温最高的是（　　）

【答案】D

类型二、

【例题】3、如图所示，灯L上标有“6V3W”字样（不考虑温度对灯泡电阻的影响），电阻R1=20Ω。

求：

（1）灯泡的电阻；

（2）当开关S1闭合，S2、S3都断开时，灯L正常发光，电源电压；

（3）开关S1、S2、S3都闭合，且滑片P在b端时，电流表的示数为2.4A，滑动变阻器R2的最大阻值；

（4）当开关S1断开，S2、S3都闭合，且滑片P在a、b间中点时，在1min内滑动变阻器产生的热量。

【答案与解析】

（1）由题意知：

灯泡的额定电压UL=6V，额定功率PL=3W，灯泡电阻RL=U2/P=（6V）2/3W

=12Ω。

（2）灯泡正常发光，电路电流I=UL/RL=6V/12Ω=0.5A，电阻R1与灯泡L串联，电源电压U=I（R1+RL）=0.5A×（20Ω+12Ω

）=16V。

（3）电路电流IA=2.4A，电阻R1与R2并联，由欧姆定律得：

流过电阻R1的电流I1=U/R1=16V/20Ω=0.8A，

流过电阻R2的电流I2=IA-I1=2.4A-0.8A=1.6A，电阻R2的电阻值R2=U/I2=16V/1.6A=10Ω。

（4）滑片P在a、b间中点，滑动变阻器接入电路的电阻值R'2=R2/2=10Ω/2=5Ω，在t=1min=60s内，滑动变阻器产生的热量

。

答：

（1）灯泡的电阻是12Ω。

（2）电源电压是16V。

（3）滑动变阻器R2的最大阻值是10Ω。

（4）在1min内滑动变阻器产生的热量是3072J。

【总结升华】分析清楚电路结构，弄清各电路元件的串并联关系，灵活地应用串并联电路的特点、欧姆定律及电功公式，是解题的关键。

【例题】4、有一个电压值可任意选取的电源，有若干根电阻值相同的电阻丝。

现把一根电阻丝接在电压值为U的电源上，通电1min，电阻丝产生的热量为Q，要想使电阻丝产生的热量为3Q，应采取哪三种最简单的不同方法。

【答案与解析】根据Q=I2Rt及导出公式Q＝U2t/R可采取的方法有：

　　方法一：

由Q=I2Rt可知，把一根电阻丝仍接到U两端，通电时间延长为3min，则电阻丝产生的热量为3Q。

　　方法二：

由Q＝U2t/R可知，把三根电阻丝并联接在U两端，通电仍为1min，则电阻丝产生的热量为3Q。

　　方法三：

由Q＝U2t/R可知，把一根电阻丝接到电压为

的电源两端，通电1min，则电阻丝产生的热量为3Q。

【总结升华】灵活运用公式用不同方法解决问题，体现解电学问题的变通性。

举一反三：

【变式】两个阻值分别为R1与R2的电热丝，R1=15Ω，R2=30Ω。

把它们串联后接在家庭电路上，经过9min产生热量Q。

若把它们并联后仍接在家庭电路上，要产生同样热量Q，需要多少时间?

（设电热丝的电阻不受温度影响）

【答案】2min

【解析】串联电阻为：

R串=R1+R2=15Ω+30Ω=45Ω，

　　产生热量：

　　并联电阻为：

　　产生热量：

　　联立解得需要时间：

。

【例题】5、李明同学从商店里买来一个电热毯。

使用中有时感到温度太高，他想用一个开关和一个电阻把它改装为两档，使电热毯在单位时间内的发热量为原来的一半。

厂家说明书上只写着额定电压为220V，没有其他额定指标。

请你设计一个方案完成这项改装。

要求：

（1）画出电路图；

（2）推导出所用电阻大小的计算公式；（3）指出安装时必须注意的问题。

【答案与解析】　　

（1）依题意要使电热毯在单位时间内产生的热量变为原来的一半，那么电热毯两端的电压应变小，需要串联一个分压电阻。

设计电路如图所示。

（2）根据电功率公式

，可以得到

。

　　　上式中U和P分别表示电热毯的发热量为原来一半时两端的电压和功率值,有

。

所以可变为

，串联电阻

两端的电压为

，因为串联电路的电流处处相等，所以有

，由此解得串电阻的大小为：

　　（3）在安装串联电阻时应注意：

　　①必须绝缘，防止漏电而出现触电事故。

　　②串联电阻的散热条件要好，以防火灾。

　　③考虑串联电阻的额定功率的大小，以防电阻自身烧毁。

【总结升华】本题是一道解决实际问题的设计性试题，应从设计的目的要求、依据、方法去解决实际问题。

【巩固练习】

一、填空题

　　1.两只电阻并联，已知电阻之比为1：

2，则通过的电流之比为_________，电压之比为_________，电功率之比为_________，单位时间内产生的热量之比为_________。

　　2.某导体电阻为10Ω，通电5min产生的热量是1200J，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。

　　3.把“220V　500W”的电炉接在110V的电源上，10s内电炉产生_________J的热量。

　　4.据报道：

近几年有许多重大火灾都是因线路连接处接触不良所造成的，教训十分深刻。

线路连接处接触不良引起火灾的原因是：

当线路连接处接触不良时，该处的电阻将_________（填“减小”“增大”或“不变”）。

在该接触处就会局部过热而升温，接触处的电阻又将随着温度的升高而_________（填“减小”“增大”或“不变”），……从而形成电热的逐步积累和恶性循环，以致引发火灾。

二、选择题

　5.额定电压和额定功率相同的电风扇、电灯、电热水器，接入电路中正常工作相同的时间，比较三个用电器产生的热量（　　　）

　　A.一样多　　　　　　　　　　　B.电热水器产生的热量多

　　C.电灯产生的热量多　　　　　　D.电风扇产生的热量多

　　6.下列事例中，能防止电热危害的是（　　　）

　　A.收音机、电视机的机壳上开有许多网状小孔

　　B.高空飞行员所穿衣服里的电热保温装置

　　C.烘干物品的电烘箱

　　D.大型爆破工程，用电热装置引爆炸药

　　7.两用电器电阻之比是R1：

R2=3：

2，通过它们的电流之比是I1：

I2=1：

2，则它们的发热功率之比是（　　）

　　A.3：

4　　B.4：

3　C.3：

8　D.8：

3

　　8.李刚同学想利用两阻值分别为R1、R2（R1>R2）的电阻丝各制作一个电热器.要使同质量的水升高相同温度所用时间长短，下列四种设计方案中最可行的是　（　　）

　　A.两根电阻丝并联　　　　　　　　B.两根电阻丝串联

　　C.单独用阻值为R1的阻值　　　　　D.单独用阻值为R2的阻值

　　9.电炉丝烧断后，人们常用这样来修理：

第一种方法是把电炉丝烧断处两端刮干净，并把它们紧紧地扭在一起；第二种方法是把断头两端刮干净，放在弯成槽形的管槽铜片上，然后用尖嘴钳把它夹扁夹紧。

比较两种方法，则（　　）

　　A.第一种方法效果好　　　　　　　　B.第二种方法效果好

　　C.两种效果方法一样　　　　　　　　D.无法判定

　　10．如图所示，将三个相同的空烧瓶口分别用完全相同的气球密封，用三段阻值不同的电阻丝（R1＜R2＜R3）分别给三个烧瓶中的空气加热，通电一段时间后体积变化最大的气球是（　　）

A．aB．bC．cD．三个相同

　　11.粗细均匀的电热丝放入水中，通电10min水开始沸腾；若将电阻丝对折并联后放入同一壶水中，通电到水开始沸腾，所需的时间是（不计一切热损失）（　）

　　A.2.5min　　B.5min　　C.20min　　D.40min

三、实验与计算

　12.学了P=I2R后，李明认为：

甲、乙两电炉，如果R甲>R乙，那么把它们分别接在220V的照明电路中，甲的发热功率一定大于乙的发热功率，你认为对吗?

拿出你的理由。

13.有一条电热毯，使用时感到温度太高，现用一个开关和一个电阻把它改装成两档，使电热毯单位时间内产生的热量或为原来的数值，或为原来的一半。

厂家说明书上只写着额定电压为220V，没有其他电气指标，请设计一个方案完成这项改装，要求：

（1）画出电路图。

（2）证明改装所用的电阻R0与原电热器电阻R的关系为

　　14.为了探究影响电热的因素，实验室准备了两个装满煤油的烧瓶、两个带有橡皮塞的粗细均匀的相同玻璃管，两根不同阻值的电阻丝，以及滑动变阻器、开关、导线、电源等．两个实验小组根据提供的实验器材，分别设计了图甲、乙所示的两个方案。

（1）这两个方案的共同点是通过观察什么知道电热的多少？

（2）甲方案探究的问题是什么?

　　（3）乙方案探究的问题是什么?

15.图甲所示是我市某家用电辅热式平板太阳能热水器，其电加热的额定功率为1500W，图乙是其储水箱水位探测电路原理图，其中电源电压为24V，A为水位指示表（由量程为0-0.6A电流表改成），R0阻值为10Ω，R1为压敏电阻，其阻值与储水箱水深的关系如图丙所示。

（1）热水器正常加热时，电热丝电阻多大？

（结果保留一位小数）

（2）阴雨天，将储水箱中50kg、30℃的水加热到50℃，正常通电要多长时间？

[设电热全部被水箱中的水吸收，且水无热损失，c水=4.2×103J/（kg•℃）]

（3）当水位指示表指示储水箱深为0.2m时，探测电路中的电流多大？

【答案与解析】

一、填空题

1、【答案】2：

1；1：

1；　2：

1；　2：

1

2、【答案】4800

【解析】由Q=I2Rt，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：

Q′=（2I）2Rt=4I2Rt=4Q=4×1200J=4800J。

3、【答案】1250

【解析】

，

4、【答案】增大；增大

二、选择题

5、【答案】B

【解析】虽然三个用电器的额定电压、额定功率相同，但不选A，因为电风扇主要将电能转化为动能，电灯把电能转化为内能和光能，电热水器将电能全部转化为热能，故选B。

6、【答案】A.

7、【答案】C

8、【答案】A

【解析】本题是用控控制变量法分析放热公式：

、Q=UIt、Q=I2Rt的运行情况，究竟选哪个公式是解本题的关键，本题中隐含了电压相等这个条件，根据

可得并联时电阻最小，相同时间放热多，故选A。

9、【答案】B

【解析】第一种方法接头处的电阻大，发热功率大，易发热，会加速电炉丝老化。

10、【答案】C

【解析】由图示电路可知，三电阻丝串联接入电路，则通过三个电阻的电流I与通电时间t都相等，

由题意可知：

R1＜R2＜R3，由焦耳定律：

Q=I2Rt可知：

Q1＜Q2＜Q3，c瓶中的电阻丝阻值最大，放出的热量最多，瓶中气体温度最高，气球的体积变化最大；故选C。

11、【答案】A

三、实验与计算

12、【答案与解析】李明的看法是错误的。

把两个电炉分别接到220V的照明电路中，U相等，而

，根据欧姆定律可知，

.在电流不相等的情况下，P与R不是正比关系，所以甲的发热功率不一定大于乙的发热功率[也可根据

来分析]。

13、【答案与解析】

（1）如图所示：

（2）证明：

当S闭合时，R0被短路，R的发热功率是

；当S断开时，电路中的电流

，R的发热功率

，因

，所以

，计算可知

。

14、【答案】

（1）观察玻璃管中液面的高度；

（2）在电流一定时，电热与电阻的关系；

   （3）在电压一定时，电热与电阻的关系。

【解析】实验中用煤油柱升高的高度来体现煤油温度的变化，从而体现出煤油吸收热量的多少，而反映出电流产生热量的多少，这是利用转换法。

在甲图中两根电热丝串联，利用串联电路中电流相等的特点控制了电流相同来探究在电流一定时，电热与电阻的关系；在乙图中两根电热丝并联，利用并联电路中各支路两端的电压相等的特点控制了电压相同来探究在电压一定时，电热与电阻的关系。

15、【答案】

（1）32.3Ω；

（2）2800s；（3）0.15A

【解析】

（1）因为电加热时，P=1500W，U=220V，所以由P=U2/R得：

R=U2/P=（220V）2/1500W≈32.2Ω；

（2）水吸收的热量为：

Q=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×50kg×（50℃-30℃）=4.2×106J，又因为W=Q=Pt所以t=W/P=4.2×106J/1500W=2800s；（3）由丙图可知，h=0.2m时，Rx=150Ω，则探测电路中的电流为I=U/（Rx+R0）=24V/（150Ω+10Ω）=0.15A。