焦耳定律+电路中的能量转化+讲义 高二上学期物理教科版（2019）必修第三册

《焦耳定律电路中的能量转化》讲义同学们好，今天咱们要学习高中教科版（2019）必修第三册第二章里的焦耳定律，这可是和电路中的能量转化有关的重要知识呢。咱们先来讲个故事吧。我有个朋友小李，他特别喜欢摆弄电器。有一次，他买了一个电暖器，想在冬天的时候让自己的小房间暖和暖和。这个电暖器插上电之后啊，没一会儿房间就暖和起来了，但是他发现电暖器的电线有点发烫。他就觉得很奇怪，这电线怎么会发烫呢？这其实就和咱们今天要学的焦耳定律有关系。一、电路中的能量转化1、电能的来源大家都知道，我们生活中的电大多是从发电厂来的。发电厂通过各种方式，像火力发电用煤燃烧产生热量，把水变成蒸汽推动发电机；水力发电就是利用水的落差产生的能量推动发电机；还有风力发电，风一吹，那些大风车似的风机一转，就产生电了。这些电能通过电线就传输到我们家里啦。那电能到了我们家里的电路里会发生什么呢？它可不会就这么闲着，它会在电路里进行转化。比如说，像小李的电暖器，电能就转化成了热能，让房间暖和起来。那像我们的电灯呢，电能就转化成了光能，让我们能看见东西。2、能量转化的本质在电路里，能量转化的本质其实就是电荷在电路中移动的时候，电场力在做功。这个有点抽象哈，咱们可以想象成一群小电荷在电路里奔跑，它们在电场力的推动下，从一个地方跑到另一个地方，这个过程中就发生了能量的转化。就好比我们跑步的时候，我们用力向前跑，这个过程中我们的身体就消耗能量，把身体里储存的能量转化成了动能。电荷在电路里跑的时候也是这样，它们带着电能，在电路元件里就把电能转化成了其他形式的能量。二、焦耳定律1、焦耳定律的内容那焦耳定律到底是个啥呢？焦耳定律说的是电流通过导体产生的热量（也就是电能转化成热能的多少），跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。用公式表示就是Q＝I²Rt。这里的Q就是热量，单位是焦耳（J）；I是电流，单位是安培（A）；R是电阻，单位是欧姆（Ω）；t是时间，单位是秒（s）。咱们再回头看看小李的电暖器。电暖器的电阻比较大，电流通过的时候，根据焦耳定律，就会产生很多热量。那为什么电线也会发烫呢？电线也是有电阻的，虽然电阻比较小，但是当电流通过的时候，也会产生热量。如果电流太大或者电线的电阻比较大，产生的热量就会让电线发烫。这就像我们跑步的时候，如果我们跑得太快（类比电流大）或者道路比较崎岖（类比电阻大），那我们身体消耗能量产生的热量就会很多，我们就会感觉很热。2、焦耳定律的推导咱们来简单推导一下焦耳定律。根据欧姆定律，我们知道I＝U／R（U是电压），那么U＝IR。我们还知道电功W＝UIt，把U＝IR代入进去，就得到W＝I²Rt。在纯电阻电路里，电能全部转化成热能，所以Q＝W，这样就得到了焦耳定律Q＝I²Rt。这个推导过程有点像我们玩搭积木，我们从已经知道的欧姆定律这个小积木块，和电功的这个积木块，搭出了焦耳定律这个新的积木块。3、焦耳定律的实验验证为了证明焦耳定律是正确的，科学家们做了很多实验。我们也可以做一个简单的实验来验证一下。我们可以找一个电阻丝，把它接到电路里，再在电路里串联一个电流表来测量电流，并联一个电压表来测量电压，然后再找一个秒表来计时。当电路接通之后，电流就会通过电阻丝，电阻丝就会发热。我们可以用温度计测量电阻丝的温度变化，根据比热容的知识，算出电阻丝吸收的热量。我们改变电流的大小（可以通过改变电源电压或者串联电阻的方式），再重复这个实验。我们会发现，当电流增大的时候，电阻丝产生的热量明显增多，而且和电流的二次方成正比关系。同样的，我们改变电阻丝的电阻（换不同阻值的电阻丝）和通电时间，也能得到和焦耳定律一致的结果。这就好比我们做一个做饭的实验，我们改变放米的量（类比电流）、锅的大小（类比电阻）和煮饭的时间，来看看煮出来的饭（类比产生的热量）有什么变化，最后发现和我们预想的规律是一样的。三、焦耳定律在生活中的应用1、电热器电热器可是我们生活中常见的东西，像电暖器、电热水器、电饭锅这些都是电热器。它们的工作原理就是焦耳定律。比如说电饭锅吧。电饭锅里面有一个发热盘，这个发热盘的电阻比较大。当我们把电饭锅接通电源，电流通过发热盘的时候，根据焦耳定律，就会产生大量的热量。这些热量就可以把锅里的米饭煮熟。而且电饭锅还有一个温控装置，当米饭煮熟了，温度达到一定程度的时候，它就会自动断电，这样就不会让米饭烧焦了。这就像一个小管家，看着火候，到时候就关火。2、防止电热的危害虽然焦耳定律让我们有了电热器这么方便的东西，但是电热也有危害的。像我们前面说的小李的电暖器电线发烫，如果电线一直这么发烫，就可能会引发火灾。所以我们要防止电热的危害。在电路设计的时候，我们要根据用电器的功率来选择合适粗细的电线。功率大的用电器，电流就大，如果电线太细（电阻大），根据焦耳定律，产生的热量就多，就容易出问题。这就好比我们要给大力士（大功率用电器）选一个合适的扁担（电线），如果扁担太细，大力士一用力（电流通过），扁担就可能会断（电线发烫甚至引发火灾）。还有像电脑里面的CPU，它工作的时候会产生很多热量，如果不及时散热，电脑就会死机甚至损坏。所以电脑里面有散热器，把CPU产生的热量及时散发出去。这就像我们人在运动的时候会出汗，汗水蒸发就会带走热量，让我们的身体保持正常的温度。3、焦耳定律在其他方面的应用除了在电热器和防止电热危害方面，焦耳定律在其他方面也有应用。比如说，在工业上，有些金属的加工需要对金属进行加热。我们就可以利用焦耳定律，通过电流通过金属产生热量来加热金属。这就比传统的用火加热要方便和精确得多。还有在一些科学研究中，我们要测量一些材料的电阻随温度的变化关系。我们可以给材料通上电流，根据焦耳定律产生热量让材料温度升高，同时测量材料的电阻变化，这样就能得到我们想要的数据。四、课程重点和难点1、重点（1）焦耳定律的内容、公式和理解。这是这节课的核心知识，同学们一定要记住公式Q＝I²Rt，并且要理解这个公式里每个量的含义，以及它们之间的关系。（2）焦耳定律在生活中的应用。我们学习知识可不是为了考试，而是要能在生活中运用。所以同学们要知道电热器是怎么工作的，以及如何防止电热的危害。2、难点（1）焦耳定律的推导。对于一些同学来说，从欧姆定律和电功公式推导出焦耳定律可能有点困难。这就需要同学们把前面学的知识掌握好，一步一步来推导。就像我们走楼梯，要一步一个脚印，不能着急。（2）理解焦耳定律中各个物理量之间的定量关系。尤其是电流的二次方这个关系，可能有点不好理解。同学们可以多做一些实验或者做一些练习题来加深理解。同学们，今天我们