焦耳定律 人教版九年级物理 知识精细梳理与培优拓展提升

焦耳定律【学习目标】1.通过生活实例，认识电流的热效应；2.举例说出生活中利用电热的实例，了解电热的危害和防止方法；3.通过实验探究，总结出焦耳定律，并会用焦耳定律进行计算；4.理解焦耳定律；5.会利用焦耳定律解释一些生活中简单现象。【知识导图】【基础知识】知识点一、电流的热效应1.电流的热效应由于导体有电阻，所以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。2.探究电流通过导体产生热量的多少与哪些因素有关提出问题电炉丝接入电路时，电炉丝和导线通过的电流相同，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？换句话说，电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关？猜想与假设根据生活经验可以猜想电流通过导体时产生的热量多少可能跟导体的电阻大小、通过导体的电流大小以及通电时间有关。设计并进行实验（1）如图甲所示，两个透明容器中密封着等量的空气，U型管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化（转换法：产生的热量多少，通过U型管液面高度的变化反映出来）。两个密闭容器中都有一段电阻丝，右边密闭容器中电阻丝较大。将两容器的电阻丝串联起来接到电源两端，通电一段时间后，发现右边U型管中的液面高度变化大于左边的。（2）如图乙所示，两个密闭容器中电阻丝的电阻一样大，在右边容器的外部，将另一个相同的电阻丝和容器内的电阻丝并联，然后与左边容器内的电阻丝串联接入电路，在通电时间相同的情况下，我们发现左边的U型管中的液面高度变化大于右边的。分析论证（1）如图甲，两容器中电阻丝阻值不同，通过它们的电流相同，通电时间相同（控制不变的量：电流、通电时间；变化量：电阻），右边的U型管中的液面高度变化大于左边的，说明右边容器中电阻丝的热量多。这表明：在电流相同、通电时间相同情况下，电阻越大，电阻产生的热量越多。（2）如图乙，两容器中的电阻丝阻值相同，根据串并联电路电流的规律可知，通过左边容器的电阻丝大于通过右边容器中电阻丝的电流，通电时间相同（控制不变的量：阻值、通电时间；变化量：电流），左边U型管中的液面高度变化大于右边的，说明左侧容器中的电阻丝产生的热量多。（3）由常识可知，在电阻、电流相同的情况下，通电时间越长，电流通过导体产生的热量越多。实验结论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。【典例1】为了探究电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有关，设计如图甲的装置，将两段阻值不同的电阻丝（R1=5Ω，R2=10Ω）分别密封在两个完全相同的容器内，密闭容器内封闭等量的空气。（1）从实验装置的原理可知，U形管两管中的液柱高度差是由于U形管中______（选填“气体”或“液体”）热胀冷缩导致的。U形管中液柱高度差的大小，反映出电流通过电阻丝时产生______的多少；（2）图甲所示是用来探究电流产生的热量跟______的关系；（3）图乙所示是用来探究电流产生的热量跟______的关系；（4）让实验装置乙冷却到初始状态，把右瓶并联的电阻丝都放入瓶内，接通电源，此电路工作一段时间后，______（选填“左瓶”或“右瓶”）内电阻丝产生的热量多。培优拓展：电流的三种效应（1）电流的热效应：电流通过导体时，电能转化为内能。电热器就是根据这一原理（电流的热效应）工作的。（2）电流的磁效应：任何通电导体，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。变压器、电磁铁等都是利用电流磁效应工作的。电流的磁效应会在下面章节讲到。（3）电流的化学效应：当电流通过某种物质时，这种物质便会发生化学反应，这种现象称为电流的化学效应。电解、电镀等都是利于电流的化学效应来工作的。知识点二、焦耳定律1.焦耳定律英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系，从而得到了焦耳定律。内容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。计算公式Q=I2Rt（普遍适用）单位公式中，Q—表示热量，单位是J；I—表示电流，单位是A；R—表示电阻，单位Ω；t—表示它的时间，单位s。2.焦耳定律公式的理论推导焦耳定律可通过理论推导得出。假设当电流通过导体时，电能全部转化为内能，则有电流产生的热量（Q）=电流做的功（W），结合欧姆定律可得：Q=W=UIt=IR·It=I2Rt。可见，当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来的电流发热规律与焦耳定律实验得出的焦耳定律是一致的。3.理解和应用焦耳定律时应注意的几个问题（1）焦耳定律Q=I2Rt是由实验总结出来的，只要有电流通过导体，就可以用它来计算导体所产生的热量。（2）公式中各物理量都是对同一导体或同一段电路而言的。（3）运用公式时，各物理量要转换成国际单位中的单位后再代入公式进行计算。培优拓展：纯电阻串、并联电路中电热与电阻的关系（1）在串联电路中，根据Q=I2Rt可知，电热与电阻成正比，即。（2）在并联电路中，根据可知，电热与电阻成反比，即。【典例2】如图所示的电路中，电阻R1的阻值为4Ω，当开关闭合后，电压表V1的示数为2V，V2的示数为1V，电源两端的电压为

V，通过电阻R1的电流为

A，电阻R2的阻值为

Ω，电阻R2在1min内产生的热量是

J。特别提醒：电功和电热的包含关系电功时电流通过用电器做的功，W=UIt；电热是电流通过导体时产生的热量，Q=I2Rt。在纯电阻电路和非纯电阻电路中，电功和电热的关系见下图：归纳总结：电功电功率焦耳定律适用范围基本公式W=UIt普遍适用导出公式适用于纯电阻电路【典例3】将规格都是“220V180W”的一台电冰箱、一台电脑和一床电热毯，分别接入同一家庭电路中，若通电时间相同，则下列说法正确的是（）。A．电冰箱产生的热量最多B．电脑产生的热量最多C．电热毯产生的热量最多

D．三者产生的热量一样多知识点三、电热的利用与防止1.电热的利用电热器是利用电流的热效应来工作的设备。电热器的主要工作部分是发热体，发热体是由电阻大、熔点高的金属导体制作的。如图所示的电热器，都是将电能转化为内能来工作的。电热毯电饭锅电烙铁电熨斗培优拓展：为什么白炽灯是纯电阻器件而节能灯不是白炽灯需要先将灯丝通电加热到白炽状态后再发光，即电能先转化为内能，再转化为光能；节能灯是将电能直接转化为光能，在转化过程中有少量电能转化为内能，因此节能灯属于非纯电阻器件。这也是在相同照明亮度下白炽灯远比节能灯耗电的原因。2.电热的防止在很多情况下，我们并不希望用电器的温度过高。像电视机、计算机、电动机等用电器在工作时，将电能转化其他形式能的过程中，总有一部分电能转化为内能，过多的电热如果不能及时散发，会产生安全隐患。因此，许多用电器采用散热孔、散热片或在发热体安装风扇等方式进行散热，如图所示。散热风扇散热孔散热片【典例4】下列用电器主要利用电流热效应工作的是（）。A．电饭煲

B．电视机

C．洗衣机

D．油烟机【方法帮】题型一：探究电流产生的热量与哪些因素有关对于该实验，需要重点掌握两种物理实验方法的应用：（1）控制变量法：①探究电流产生的热量跟电流的关系时，控制电阻和通电时间相同；②探究电流产生的热量跟电阻关系时，控制通电时间和电流相同。（2）转化法：电阻丝放出热量的多少，转化为容器内气体温度的变化，转化为U型管中液面的高度的变化。【典例】小明同学在探究“电流通过导体产生热的多少与什么因素有关”时采用了如图所示的实验装置．请仔细观察甲、乙两图。（1）实验中通过观察两个U形管中__________的变化来比较电流通过电阻丝产生的热量的多少。（2）你认为甲图所示的装置是用来研究电流通过电阻丝产生的热量与_______的关系。（3）由乙图所示的实验现象可以得到的结论是在_____、_____相同的情况下，通过电阻的________越大，电阻产生的热量越多。（4）该实验采取的探究方法是_______________法。（5）在家用电热水壶烧同一壶开水时,若通电时间不够长,水就不能烧开,是因为电流通过导体产生热量多少与_______有关。题型二：简单电路中电功、电热的计算【典例】某家用电热壶有“加热”和“保温”两个档位，其简化电路如图所示，R1、R2是电热丝，R1=1050，R2=50。开关S接“1”时，电热壶为______档位。开关S接“2”时，通电5min，电流通过R2产生的热量为______J。题型三：含电动机电路中电功、电热的计算（1）在非纯电阻电路中，电能大部分对外做功，少量转化为内能。其能量转化关系为：W=W对外+Q。（2）在非纯电阻电路中，计算电功时只能用W=UIt，计算电热时只能用Q=I2Rt。【典例】电动机是一种使用广泛的动力机械，从能量转化的角度看．它主要是把电能转化为机械能，还有一部分能量在线圈中以热量的形式散失掉．现有一台电动机，当电动机两端加220V电压时，通过电动机线圈的电流为50A。若已知该电动机线圈的电阻是0.4Ω，问：（1）每分钟该电动机消耗的电能是多少？（2）线圈每分钟产生的热量是多少？（3）该电动机正常工作时电能转化为机械能的效率是多少？题型四：多挡电路中电热的计算解答多挡电路类试题时，要注意以下几点：（1）多挡电路问题的实质，就是求解多挡电路的实际功率；（2）电压一定时，根据可知，当总电阻最小时，实际功率最大，发热最快，是高温挡；当总电阻最大时，实际功率最小，发热最慢，是低温挡。【典例】某款迷你电饭煲有加热和保温两档．其电路如图所示，已知R1=88Ω，R2=2112Ω。开关S置于（选填“1”或“2”）时是保温挡，保温10min产生的热量是J。题型五：电热的利用与防止【角度1】电热的利用解题通法判断常见用电器是不是利用电流热效应工作的，主要看用电器工作时能量转化的情况。如果验电器工作时电能主要转化成内能之外的其他形式的能量，即消耗的电能只有一少部分转化为内能，则这些用电器都不是利用电流热效应工作的。【典例】如图所示的家用电器中，利用电流热效应工作的是（）。A．笔记本电脑；B．电冰箱；C．电熨斗；D．洗衣机【角度2】电热的防止（1）一般来说，如果对电气设备采取的措施是用来散热的，则该措施就是用于防止电热造成的危害。（2）平时多收集并记忆常见的防止电热带来危害的事例，也有助于解题。【典例】电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫，而连接的导线却不怎么热，主要是（）。A．通过导线的电流小于通过电阻丝的电流；B．导线的绝热皮隔热；C．导线的电阻远小于电阻丝的电阻；D．导线散热比电阻丝快题型六：利用焦耳定律解释生活中的现象利用焦耳定律解释生活中的现象时，注意从焦耳定律公式Q=I2Rt出发，从影响电热的三个因素（电流、电阻、通电时间）入手逐一进行分析。【典例】电炉丝与导线串联接到电路里，通电后电炉丝热得发红，而与之相连的导线却不怎么热，由焦耳定律可知，造成上述现象的主要原因是（）。A．通过电炉丝的电流比导线的电流小得多；B．通过电炉丝的电流比导线的电流大得多；C．电炉丝的电阻比导线的电阻小得多；D．电炉丝的电阻比导线的电阻大得多【中考帮】考点一：电热的利用与防止【典例】（2021·北京中考真题）下列四种用电器中。利用电流热效应工作的是（）。A．电冰箱 B．电视机 C．电脑 D．电热水壶该题要求同学们知道电流的热效应，能从能量转化的角度认识实际生活中用电器的工作情况，知道电热的利用与防止。这是物理核心素养中物理观念的能量观的体现。考点二：探究影响电流热效应的因素【典例】（2022·无锡）用如图所示的装置探究影响电流热效应的因素，三个相同的锥形瓶内均装有质量相等的煤油，电阻丝R1、R2、R3浸没在煤油中，其中R1=R3=6Ω、R2=3Ω。闭合开关前，记录下煤油的初温度t0；接通电源，同时闭合开关S1、S2，记录下电流I，通电相同时间，记录下煤油的末温度，结果如表所示，则R1、R2所在锥形瓶中的煤油升温所吸收的热量之比为_________比较①③可知，导体产生的热量与____________有关；比较____________（选填序号）可知，导体产生的热量与电阻有关，若要探究导体产生的热量与通电时间的关系，应进行的探究是：____________。序号电阻电流I/A初温度t0/℃末温度/℃①R11.02030②R21.02024③R31.52044该题要求同学们能根据已有的实验方案，分析实验现象、陈述科学探究过程和结果。这是物理核心素养中科学探究和科学思维的体现。考点三：焦耳定律【典例】（2022·深圳）（双选）某爱心团队去养老院送电暖气，电暖气有低、中、高三挡，已知R1=55Ω，R2=44Ω，以下说法正确的是（）。A.使用“低温档”只需要闭合S2；B.使用“高温档”要闭合S1、S2；C.闭合S1、S2时，通过R1、R2的电流之比为5:4；D.中温档正常工作1分钟，产生的热量为6.6×104J该题要求同学们能认识到电能是一种能量，可以计量，可以转化为其他形式的能量，人们利用能量的过程实际上就是能量的转化过程。这是物理核心素养中物理观念的能量观的体现。【作业帮】一、基础练（知识巩固）1.下列家用电器，利用电流的热效应工作的是（）。A．洗衣机 B．电视机 C．电冰箱 D．电饭煲2.电炉丝通电一段时间后热得发红，而连接电炉丝的导线却不怎么热，这主要是因为（）。A．导线的绝缘皮隔热；B．导线的电阻远小于电炉丝的电阻；C．导线散热比电炉丝快；D．通过导线的电流小于通过电炉丝的电流3.小明在探究某个科学问题时，把阻值恒定为R1、R2（R1=R2）的两段电热丝分别放在两个完全相同的烧瓶中，烧瓶中分别盛有质量和初温均相同的两种不同液体，并连接成如图所示的实验电路，实验中所用温度计完全相同。则下列说法正确的是（）。A．该装置可用来探究物质的吸热能力跟物体的种类是否有关；B．该装置可用来探究物质的吸热能力跟物体的质量是否有关；C．该装置可用来探究电流通过导体产生热量跟导体的电阻是否有关；D．该装置可用来探究电流通过导体产生热量跟导体中的电流是否有关4.如图所示，电阻为R的某型号风扇，连接在电压为U的电路上，若通过的电流为I，工作时间为t。则计算电流通过电风扇产生的热量，下面公式选用正确的是（）。A．UIt B．t C．I2Rt D．都可以5.电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫，而连接的导线却不怎么热，主要是（）。A．通过导线的电流小于通过电阻丝的电流；B．导线的绝热皮隔热；C．导线的电阻远小于电阻丝的电阻；D．导线散热比电阻丝快6.如图所示是探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置，两个相同透明容器中密封着等质量的空气，下列说法正确的是（）。A．此实验装置可以探究电流产生的热量与电流大小的关系；B．此实验装置无法探究电流产生的热量与通电时间的关系；C．通电一段时间后，右侧U形管中液面的高度差比左侧的大；D．此装置利用U形管中液体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量的多少7.如图所示，电炉丝与两根导线串联连接到家庭电路中，电炉子通电电炉丝很快就热得发红，而导线却几乎不热。你能根据这个现象可以提出的最有探究价值且易于探究的科学问题是（）。A．电流通过电炉丝产生的热量跟哪些因素有关？B．电流通过导体产生的热量跟电流大小有什么关系？C．电流通过导体产生的热量跟导体电阻有什么关系？D．电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关？8.小军同学根据他在电学实验课上获得的实验数据，画出如图所示的图像。其中图线①表示电阻R1，图线②表示电阻R2。根据图像信息可判断（）。A．当R1和R2串联时，两个电阻的阻值不可能相等；B．当R1两端电压为9V时，通过它的电流为0.9A；C．当通过R1电流为0.5A时，1min内电阻R1产生的热量为150J；D．当R1和R2串联，R2的功率为0.2W时，R1的功率为1.6W9.严寒冬季，我国北方哨兵脚上穿有电热靴。一只靴内加热电路如图所示，电源电压恒定，S2为三挡旋钮开关（金属片M可分别拨至a、b、c处），电阻丝R1、R2规格相同且阻值不变，b为电阻丝R1的中点。这只电热靴的低温挡为12W，则（）。A．开关S2接a时电热靴功率最大；B．该电热靴利用了电流的热效应；C．该电热靴的安全电压应为220V；D．中温挡和髙温挡的功率分别为16W和24W10.在超导状态下，导体的电阻R=_____Ω；如果利用超导输电线进行远距离输电，导线_____（选填“会”或“不会”）发热。11.在“探究电流通过导体产生的热量与电阻间关系”的实验中，甲、乙两烧瓶中电阻丝的阻值分别为R和2R，将它们浸在相同质量和初温的煤油中，每一烧瓶里各插入一温度计，如图所示，电流通过导体产生的热量不易直接观察，本实验中通过______显示电流产生的热量变化；上述实验中采用这种电路连接方式的目的是______。12.成都的冬天比较湿冷，有的家庭使用了如图所示的电暖气片取暖。电暖气片是利用电流的________效应来工作的，电暖气片使用水来进行加热，是利用了水的比热容________的特点（选填“较大”或“较小”）。13.如图所示是一个“电热驱蚊器”，它是利用了电流的_____效应工作的，发热元件是一个阻值为1.0×104Ω的电阻。当发热元件两端的电压为220V时，通电100s产生的热量为_____J。14.某型号电饭煲有加热和保温功能，如下图甲所示为其内部电路原理图，当开关S接触点1时，该电饭煲处于_________（填“保温”或“加热”）状态．如图乙是该电饭煲工作时电功率与时间的关系图像，则图中阴影部分面积表示的物理量是_______，其大小为_______．15.如图是探究“电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关”的实验装置，两个透明容器中密封着等量的空气。甲、乙两装置使用的是同一电源。（1）实验是通过比较U形管中液面的高度差来比较电阻丝产生的热量的多少，这里采用了______的研究方法。（2）甲装置可探究电流产生的热量与________的关系，乙装置可探究电流产生的热量与________的关系，通电一段时间后，甲装置中_______（选填“左”或“右”）侧容器中U形管中液面高度差较大。（3）如果乙装置中R3发生了断路，保证通电时间相同，与之前相比较，则左侧U形管中液面的高度差将_________（选填“变大”、“变小”或“不变”）。（4）英国物用学家焦耳通过大量实验，最先精确的确定了电流通过导体时产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的_______成正比，跟________成正比，这个规律叫做焦耳定律，其表达式为_______。二、综合练（能力提升）16.甲图是小灯泡L和电阻R的I～U图象。将小灯泡L和电阻R接入乙图电路中，电源电压恒定不变，只闭合开关S1，小灯泡L的实际功率为1W，则此时小灯泡L的电阻为______Ω；再闭合开关S2，电阻R在1min内产生的热量为______J。17.小明家在不远处施工，临时用导线将电水壶接入家中电能表，如图所示。电水壶的规格为“220V1210W”，当电路中使用电水壶烧水时，电能表的铝盘转动110r，用时120s。导线和电水壶的电阻不随温度变化。（1）电水壶是利用电流的______工作的；（2）求电水壶的电阻；()（3）求导线的电阻；()（4）电水壶烧水时导线上产生的热量。()18.为探究电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关，设计如图甲的装置，将两段阻值不同的电阻丝（R1＝5Ω，R2＝10Ω）分别密封在两个完全相同的容器内，密闭容器内封闭等质量的空气。（1）图甲所示的两个密闭容器内，电阻丝按照虚线框中的方式连接，采用这种连接方式是为了保证_____和_____相同；（2）在实验中电流通过电阻产生的热量多少是通过观察_____来进行比较的，从图甲中的现象可以得出结论：电流与通电时间相同时，电阻越大，电阻产生热量越_____（选填“多”或“少”）；（3）将甲装置改换如图乙所示