2021年中考物理微专题复习专题30焦耳定律的实验探究及其应用（教师版含解析）

1、专题30 焦耳定律的实验探究及其应用知识点1：探究焦耳定律实验思路1.控制变量法在探究电热的多少与电流的关系时，应控制两个电阻丝的阻值相同；在探究电热的多少与电阻的关系时，要控制通过两个电阻丝的电流相同，最好的方法当然是采用串联。这里就应用了控制变量法。 当要研究的一个物理量与另外几个物理量都有关系时，为简化和方便，先研究与其中一个量的关系，而要控制其余几个量不变这种研究问题的方法叫控制变量法。这种方法在实验数据的表格上的反映为：某两次试验只有一个条件不相同，若两次试验结果不同，则与该条件有关，否则无关。反过来，若要研究的问题是物理量与某一因素是否有关，则应只使该因素不同，而其他因素均应相同。

2、控制变量法是中学物理中最常用的方法。2.转化法实验中电流产生的热量不能直接观察到，但热量的变化可以用温度的变化来感知。通过温度的变化多少来间接知道电流产生的热量的多少，这是转化法。物理学中对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，通常用一些非常直观的现象去认识，或用易测量的物理量间接测量，这种研究问题的方法叫转换法。3.注意的问题由于实验中电流产生的热量较少，液体温度升高的也较小，所以用温度计不易直接测量比较。为了使现象明显，实验采用了两种方法：不用温度计，但采用了放大的“温度计”。整个烧瓶相当于一个温度计的玻璃泡。由于烧瓶里的液体较多，使升温膨胀效果更明显。采用煤油代替常见的水，用

3、玻璃管插入密封烧瓶里的煤油中代替温度计。用煤油代替水，是因为煤油比水的比热容小，在吸收相等的热量时温度上升的多，这样现象更明显。当然还有一个重要原因，那就是煤油不导电。可以设想由于水导电，若用水由水产生的电阻就无法控制电路中的电阻情况。知识点2：焦耳定律及其应用1.电流通过导体产生的热量求解公式(1)焦耳定律：QI2Rt(2)纯电阻电路中，QW=Pt=U2t/R=UIt=I2Rt2.在利用焦耳定律求解计算题注意(1)涉及的四个物理量要一一对应，简单来说就是导体的电阻为R，通过这个导体的电流为I，通电时间为t，则电流通过导体产生的热量为QI2Rt(2)公式中各个物理量的单位必须都得是国际单位，即

4、电流I 的单位是安培(A)、电阻R的单位是欧姆()、时间t的单位是秒(s)，则热量的单位是焦耳(J)3.当发电厂电功率一定，送电电压与送电电流成反比，输电时电压越高，电流就越小。此时因为输电线路上有电阻，根据P=I2R可知，电流越小时，在电线上消耗的电能就会越少。所以电厂在输电时增大送电电压，减少电能在输电线路上的损失。4. 应用和防止电热的实例利用电热的例子：热水器、电饭锅、电熨斗、电热孵化器等。防止电热的例子：电视机外壳的散热窗；计算机内的散热风扇、电动机外壳的散热片等。【例题1】(2020四川南充)小明将线圈电阻为4.84的电动机接人220V的家庭电路中，关闭其它用电器，只让电动机工作时

5、，观察到他家标有2000imp/(kW.h)的电能表3min内闪烁了100次，则电动机在这段时间内消耗的电能为_kW.h，电动机线圈产生_J的热量。【答案】 (1) 0.05 (2) 【解析】(1)电动机在这段时间内消耗的电能为 (2)根据公式可以求出电动机线圈的电流为电动机线圈产生热量为【对点练习】一只标有”8V 0.4A”的小灯泡，接在电源电压为12V的电路中，为使其正常发光，应串联一个的电阻；该电阻通电10s所产生的热量是J。【答案】10；16。【解析】根据串联电路中总电压等于各分电压之和，则串联电阻R两端电压：UR=UUL=12V8V=4V，因串联电路中各处的电流相等，所以灯泡正常工作

6、时电路中的电流：I=0.4A，由I=U/R可得，串联电阻R的阻值：R=UR/I=10；此时该电阻通电10s产生的热量为：QR=I2Rt=(0.4A)2×10×10s=16J。【例题2】(2020连云港模拟)已知电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间有关在探究“电流通过导体产生的热量跟电流的关系”时，可供选择的器材有：8V稳压电源一个；20和50的滑动变阻器各一个；停表和开关各一个；塑料盒与U形管相连的实验装置一个，盒内密封着空气，盒内电阻丝的阻值为20；导线若干(1)该实验选用 的滑动变阻器更好(2)连接好的实验图如图所示每次实验(即获得一组数据)后，都要断开开关，打

7、开盒盖上的通气孔，U形管内两液面迅速回到原位，等片刻后，关闭通气孔，再进行下一次实验请画出实验用的表格，表中要有必要的信息(3)某同学对实验方案进行了重新设计：第一次实验记录高度差后，立即移动滑片增大电流做第二次实验，每次实验加热时间相同，记录的U形管内两液面高度差依次为h1、h2在处理数据时，该同学想用h2来间接反映第二次实验电流通过导体产生的热量，他这样处理数据是否正确？ 理由是 【答案】(1)50 (2)记录的实验数据如下表(3)不正确 h2间接反映了第一次和第二次实验电流通过导体产生的热量的和不是第二次实验电流通过导体产生的热量【解析】(1)盒内电阻丝的阻值为20为定值电阻，选滑动变阻

8、器的电阻要大得好，因为这样通过改变滑动变阻器电阻，电路电流能有效控制，不会太大，保护电源。(2)所画表格要体现每次实验电阻丝电阻为20为定值电阻。时间一定。要体现U形管液面高度差，电流大小，热量。(3)该同学想用h2来间接反映第二次实验电流通过导体产生的热量实错误的。因为h2间接反映了第一次和第二次实验电流通过导体产生的热量的和不是第二次实验电流通过导体产生的热量该同学在设计方案就是错误的。【对点练习】我们知道：“电流通过导体时产生的热量，与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。”这就是焦耳定律，用公式可表达为：Q=I2Rt。爱动脑筋的小明在探究这个问题时，设计了图所示的实验

9、，只连接一次电路就完成了实验探究。他的方法是用电阻丝(其中R甲R乙)给烧瓶中的煤油(煤油质量相同)加热，然后观察煤油在插入密封烧瓶里的玻璃管中上升的高度，就可以对比电阻丝放热的多少。请你仔细观察小明设计的实验电路，并应用所学知识分析回答下列问题：(1)探究电热的多少与电流的关系，应该对比 两个烧瓶中煤油柱上升的高度，而这两个烧瓶中电阻丝阻值应该 。(2)探究电热的多少与电阻的关系，应该对比 两个烧瓶中煤油柱上升的高度。(3)有许多家用电器的工作原理即为焦耳定律，请举两个例子。【答案】(1)甲、丙或乙、丙 相等(2)甲、乙(3)电饭锅、电热毯、电暖炉等【解析】本题主要涉及两种物理研究方法：一是控

10、制变量法。另一种是转化放大的方法。 (1)探究电热的多少与电流的关系，应该控制电阻和通电时间保持不变，甲和丙电阻控制相等，电流不等，可以通过玻璃管煤油上升高度，利用转化法知道电热与电流的关系。同理乙和丙也可以做到。(2)探究电热的多少与电阻的关系，控制电流和通电时间不变。明显甲乙电阻丝串联，电流相同，所以答案很容易知道。(3)利用通电导体产生的热量来工作，达到目的的设备，工作原理就是焦耳定律。一、选择题1.图甲是小灯泡的电压电流图像。将此灯泡L与滑动变阻器R串联在电压为4.5V的电路中(如图乙)，闭合开关，移动滑片P，当小灯泡的功率为0.75W时，( )A电流表的示数为0.2A B滑动变阻器R

11、接入电路中的电阻为15C电路消耗的总功率为1.35W。 D10s内滑动变阻器R产生的热量为13.5J【答案】C【解析】当小灯泡的功率为0.75W时，根据图甲，可知，灯泡L两端的电压为2.5V，通过灯泡的电流为0.3A，电路中的等效电阻15.电路消耗的总功率P=IU总=4.5V0.3A=1.35W。变阻器R在10s产生的热量Q=W=UIt=2V0.3A10s=6J。A电流表的示数为0.2A ，错误。 B滑动变阻器R接入电路中的电阻为15，错误。C电路消耗的总功率为1.35W，正确。D10s内滑动变阻器R产生的热量为13.5J，错误。2如图甲所示，两电热丝R1与R2并联，R1=20，电源电压保持不

12、变，闭合开关，电流表A1和电流表A2表盘指针均指如图乙所示位置，则以下判断正确的是()AR1：R2=5：1B电源电压是10VCR2的电功率是20WDR1工作2分钟所放出的热量为600J【答案】BCD【解析】由电路图可知，R1与R2并联，电流表A1测干路电流，电流表A2测R1支路的电流。因并联电路中干路电流等于各支路电流之和，且两电流表指针的位置相同，所以，电流表A1的量程为03A，分度值为0.1A，干路电流I=2.5A，电流表A2的量程为00.6A，分度值为0.02A，通过R1的电流I1=0.5A，根据并联电路的电流特点可得，通过R2的电流：I2=II1=2.5A0.5A=2A，因并联电路中各

13、支路两端的电压相等，所以，由I=可得，电源的电压：U=I1R1=0.5A×20=10V，故B正确；则R2的阻值：R2=5，则R1：R2=20：5=4：1，故A错误；R2的电功率：P2=UI2=10V×2A=20W，故C正确；R1工作2分钟所放出的热量：Q1=I12R1t=(0.5A)2×20×2×60s=600J，故D正确。二、填空题3.(2020安徽)如图所示的电路中，电源电压U=9V，电阻R1=200，R2=100，则通电1min该电路产生的热量为_J。【答案】162【解析】由电路图可知，两个电阻串联，故电路的电流为则通电1min该电路产生

14、的热量为4.(2020四川成都)小彬用图所示的实验装置探究“电流的热效应跟电阻大小的关系”，电源电压为3V，电阻丝R1=10，R2=20，两气球相同。闭合开关后，密闭烧瓶内的空气被加热，他观察到_气球先鼓起来。甲气球乙气球通电1min，R2产生的热量为_J。【答案】 (1) 乙 (2) 12【解析】(1)从图中可以看到，加热时间相同，通过的电流也相同，根据焦耳定律可知，R2的电阻较大，那么R2所在的密闭烧瓶产生的热量较大，乙气球先鼓起来。(2)甲气球乙气球通电1min，电路中的电流大小R2产生的热量R2产生的热量为12 J。5(2020甘肃天水)现有两电热丝，甲标有“10 1A”，乙标有“15

15、 0.6A”，把它们并联起来，通电10s后，甲、乙两电热丝产生的总热量最多是 J。【答案】135。【解析】由I可得，两电热丝两端允许所加的最大电压：U甲I甲R甲1A×1010V，U乙I乙R乙0.6A×159V，因并联电路中各支路两端的电压相等，所以，两电热丝并联时，电路中的最大电压UU乙9V；两电热丝并联的总电阻：R6，通电10s后，甲、乙两电热丝产生的总热量最多为：QWt×10s135J。【点评】本题考查电热的计算，关键是正确得到并联后电路两端最大的电压值。6.有一台电动机，额定电压3V，额定电流1A，电动机线圈电阻0.5这台电动机正常工作1min，消耗的电能为

16、J产生的热量为J，输出的机械能为J。【答案】180；30；150。【解析】本题考查了电动机产生热量、电功、输出机械能的计算，关键是知道只有在纯电阻电路中电能才完全转化成内能。这台电动机正常工作1min=60s，电动机消耗的电能：W=UIt=3V×1A×60s=180J，产生的电热：Q=I2Rt=(1A)2×0.5×60s=30J，输出的机械能：W机械=WQ=180J30J=150J。7.如图所示，电源电压恒定不变，小灯泡L标有“2.5V 0.75W”的字样，R1、R2为定值电阻，其中R1=25，R2=50，当S1、S2都断开时，小灯泡正常发光，电源电压是

17、 V：当S1闭合，S2断开时，电流表的示数是 A：当S1、S2都闭合时，R2通电1分钟产生的热量为 J(不考虑温度对电阻的影响)。 【答案】10；0.4；120【解析】当S1、S2都断开时，小灯泡L与R1串联，小灯泡正常发光，根据小灯泡L标有“2.5V 0.75W”由P=UI可求电路中电流，再根据欧姆定律求出R1两端的电压，电源的电压等于小灯泡两端电压与R1两端电压之和；当S1闭合，S2断开时，小灯泡L短路，R2断开，只有R1接入电路，根据欧姆定律可求电流表示数；当S1、S2都闭合时，R1、R2并联，根据Q= Q= U2t/ R可求R2通电1分钟产生的热量。当S1、S2都断开时，小灯泡L与R1

18、串联，小灯泡正常发光，根据小灯泡L标有“2.5V 0.75W”，电路中的电流：I=IL= PL / UL = 0.75W /2.5V =0.3A，由I=U/R可得R1两端的电压，U1=IR1=0.3A×25=7.5V，电源的电压等于小灯泡两端电压与R1两端电压之和，U=U1+UL=2.5V+7.5V=10V；当S1闭合，S2断开时，小灯泡L短路，R2断开，只有R1接入电路，由I=U/R可得电流表示数：I=U/ R1=10V/25=0.4A；当S1、S2都闭合时，R1、R2并联，R2通电1分钟产生的热量：Q= Q= U2t/ R2=(10V)2×60s/ 50=120J。8.

19、如图所示，电源电压不变，R2=30，R3=10只闭合S1，电流表示数为0.2A，电压表示数为4.0V，则定值电阻R1为 ，电源电压为 V闭合S1、S2、S3，电流表A1、A2示数之比为 ，通电lmin电阻R1产生的热量为 J。 【答案】20；6；5：2；108【解析】(1)只闭合S1，电阻R1、R3串联，电流表测量的是整个电路中的电流，电压表测量的是电阻R1两端的电压。由欧姆定律可得R1的阻值：R1= U1/I=4V/0.2A=20；根据串联电路的特点和欧姆定律可得，电源电压：U=I(R1+R3)=0.2A×(20+10)=6V；(2)闭合S1、S2、S3，电阻R1、R2并联，电流表

20、A1测量的是干路中的总电流，A2测量R2的电流，电压表测量的是电源电压；则通过R1的电流：I1=U/ R1=6V/20=0.3A，A2的示数(通过R2的电流)：I2= U/ R2=6V/30=0.2A，所以干路中电流表A1的示数：I=I+I2=0.3A+0.2A=0.5A，电流表A1、A2示数之比为I/ I2=0.5A/0.2A=5/2；通电lminR1产生的热量：Q1=I12R1t=(0.3A)2×20×60s=108J。三、分析简答题9.小明冬天取暖时发现：电暖器的电热丝热的发红，而与电热丝相连的导线却不怎么热(1)请你根据小明发现的现象提出一个需要探究的物理问题；(2

21、)如图是小明进行实验探究的部分电路，A、B烧瓶中装有质量相等、初温相同的煤油，金属丝电阻分别为RA、RB，RARB通电一段时间后，发现B烧瓶中温度计的示数大些请用所学的知识解释此现象【答案】(1)“电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”；(2)当通过的电流和通电时间相同时，导体的电阻越大、电流产生的热量越多【解析】(1)电流一起通过电热丝和与之相连的导线，电热丝热的发红，由此提问“电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”；(2)如图，镍铬合金丝和铜丝串联，通过的电流和通电时间相同，因为镍铬合金丝的电阻大于铜丝的电阻，电流通过镍铬合金丝产生的热量多，使B瓶中的煤油温度上升的快，由此得出，当通过的电

22、流和通电时间相同时，导体的电阻越大、电流产生的热量越多。10据生活报讯，2017年4月14日起，插线板新国家标准正式实施，要求插线板的插孔须设置“保护门”，“保护门”可有效防止儿童将手指插入插孔而造成触电事故，同时可避免灰尘长期沉积而造成的内部(选填“断路”或“短路”)在线材方面要求：如果最大工作电流16A的延长线插座，导线的最小横截面积由原来的1mm2增加到1.5mm2请你根据所学物理知识解释增加导线横截面积的好处【答案】短路；材料、长度相同的导线，横截面积越大，电阻越小，由焦耳定律Q=I2Rt可知，电流和通电时间相同时，电阻越小，产生的热量越少，采用横截面积更大的导线可以避免外部绝缘皮过热

23、，引起火灾【解析】(1)处处连通的电路为通路；某处断开的电路为断路；电源短路是指电源两极不经过用电器直接连通的电路；(2)根据影响电阻大小的因素分析导线的横截面积变大时其电阻的变化，根据焦耳定律可知电流和通电时间相等时产生的热量关系，从而得出答案四、实验探究题11小明利用图所示的实验装置探究“导体产生的热量与电阻大小的关系”甲、乙两瓶中装有质量与初温都相同的煤油，甲瓶中铜丝的电阻比乙瓶中镍铬合金丝的电阻小(1)实验中煤油吸热的多少是通过 来反映的(选填“温度计示数”或“加热时间”)(2)为了在较短的时间内达到明显的实验效果，小明选用煤油而不用水做实验，是因为煤油的比热容水的比热容(选填“大于”

24、或“小于”)(3)通电一定时间后，乙瓶中的温度计示数升高的快，由此得出的实验结论是 (4)该实验中用到的研究物理问题的法是 (填对一种即可)【答案】(1)温度计示数；(2)小于；(3)在电流和通电时间相同时，导体电阻越大产生的热量越多；(4)控制变量法(或转换法，填对一个即可)【解析】(1)两电阻丝产生热量的多少是通过温度计示数的变化反映出来的由Q=cm(tt0)得，t=+t0，可见影响温度计示数的不只是热量，还有煤油的初温和质量，所以要保证煤油的初温和质量都相同，才能通过温度的变化反映出热量的多少(2)若将烧瓶中装有水，则由Q=cmt可知：在相同质量的水和煤油中，吸收的相同的热量时，由于水的

25、比热容大，温度升高的度数少，温度计的示数变化不明显；(3)综合实验过程，使用相同质量与初温都相同的煤油，在电流和通电时间相同的前提下，乙瓶中的温度计示数升高的快，说明乙瓶中的煤油吸收的热量多，即乙瓶中的镍铬合金丝产生的热量多；所以可得出的结论是：在电流和通电时间相同时，导体电阻越大产生的热量越多(4)为保证通过两个电阻的电流总是相等，电阻串联；同时保证了它们的通电时间也相等，导体中产生的热量就只与电阻有关了，为此采用控制变量法煤油吸热的多少是通过温度计示数的变化来反映的，这是采取的转换法12在做“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验时，小于采用了如图甲所示的实验装置两个透明的容器中密

26、闭了等量的空气，U型管中液面变化反映了密闭空气温度的变化(1)若通电时间相同，发现B玻璃管内液面上升较高，这表明：在电流和通电时间相同的情况下，导体的越大，产生的热量越多(2)小刚采用了如图乙所示的实验装置，通电相同时间，发现A玻璃管液面上升较高，这表明：在电阻和通电时间相同的情况下，通过导体的越大，产生的热量越多(3)该实验中用到的研究物理问题的方法是 法和转换法【答案】(1)电阻；(2)电流；(3)控制变量【解析】(1)将容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过它们的电流I与通电时间t相同，左边容器中的电阻小于右边容器中的电阻，由Q=I2Rt可知，右边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快

27、，这表明：在相同时间内，电流相同的情况下，电阻越大，电流通过导体时产生的热量越多；(2)装置中一个5的电阻与两个5的电阻并联后再串联，根据串联电路的电流特点可知，右端两个电阻的总电流和左端的电阻电流相等，即I右=I左，两个5的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I右=I1+I2，两电阻阻值相等，则支路中电流相等，I1=I2，所以右边容器中的通过电阻的电流是左侧通过电流的一半，由Q=I2Rt可知，左边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快；这表明：在相同时间内，电阻相同，电流越大，通过导体时产生的热量越多；(3)该实验中用到的研究物理问题的方法是控制变量法和转换法13.小明和小华同学为了探究“电流

28、通过导体产生的热量与电阻的关系”，设计了如图所示的实际电路，两个烧瓶A、B中盛有等量、初温相等的煤油，RA与RB是阻值不同的电热丝(1)RA与RB采用串联的方式，其目的是为了控制通电时间、 相等(2)小明同学为了比较RA与RB阻值的大小，用电压表分别测出RA与RB两端电压的大小，发现UAUB，则RARB(选填“”“”或“=”)(3)在相同的时间内，可通过观察 来比较电流通过电热丝产生的热量多少；为了升温较快，试验液体选用煤油而不选水，主要是水的比热容比煤油 (选填“大”或“小”)(4)通过实验，发现烧瓶B中煤油吸热多，这表明：在电流、通电时间相同的情况下，电阻 (选填“越大”或“越小”)，产生

29、的热量越多(5)小华想改装此实验装置用来“测量煤油的比热容的大小”，则他们应将烧瓶A中煤油换成与其(选填“质量”或“体积”)相等的水，并将电热丝RA换成 的电热丝测量时，水和煤油的初温均为t0，通电一段时间后，水和煤油的末温分别为t水、t煤油，请写出煤油比热容的表达式：c煤油= (已知水的比热容为c水)小明认为这样测量煤油的比热容会有较大的误差，原因主要有： (只要写出一条即可) 【答案】(1)通过的电流；(2)；(3)温度计示数的变化；大；(4)越大；(5)质量；与RB阻值相等；水与煤油的散热程度不同【解析】(1)两电阻丝串联连接的目的是：控制两根电阻丝的电流和通电时间相等；(2)用电压表分

30、别测出RA与RB两端电压的大小，发现UAUB，因为电压与电阻成正比，则RARB；(3)实验中通过观察两支温度计示数变化来比较电流产生的热量的多少；根据Q=cmt可知，在液体的质量和吸收的热量相同的情况下，液体的比热越小，温度升高的越快，所以选用比热容较小的煤油来做实验；(4)根据焦耳定律可知，在电流和通电时间相同的情况下，导体的电阻越大，产生的热量越多；(5)要比较水和煤油的比热容，则应让水和煤油的质量相等、吸收的热量(加热时间)相等，由温度的变化大小得出比热容的大小关系，故用相同质量的水代替煤油；把电热丝RA换成与RB阻值相同的电阻丝，电阻相等，在相同时间内放出的热量相同，所以水和煤油吸收的热量相同；因为Q水=Q煤油，所以c水m(t水t0)=c煤油m(t煤油t0)，所以煤油的比热：c煤油=；因为水和煤油的散热程度不同，所以这样测量煤油的比热容会有较大的误差五、计算题14.如图所示的电路中，电源两端电压保持不变，电阻丝R1的阻值为10当开关S闭合后，电压表的示数为2V，电流表的示数为0.4A求：(1)通电10s电阻丝R1产生的热量；(2)电源两端的电压。【答案】(1)16J；(2)6V。【解析】(1)通电10s电阻丝R1产生的热量：QI2R1t(0.4A)2