184焦耳定律（讲义）教师版

人教版八年级物理上册第18章《电功率》第4节焦耳定律讲义（知识点总结+例题讲解）序号知识点难易程度例题数变式题数合计一焦耳定律★★6624二焦耳定律公式的应用★66一、焦耳定律：1.焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。2.计算公式：（1）Q=I2Rt（适用于所有纯电阻电路）；（2）对于纯电阻电路可推导出：①串联电路中常用公式：Q=I2Rt；并联电路中常用公式：②无论用电器串联或并联；计算在一定时间所产生的总热量常用公式：Q=Q1+Q2+…Qn③分析电灯、电炉等电热器问题时往往使用：3.实验：研究电流通过导体产生的热量跟那些因素有关；4.方法：根据煤油在玻璃管里上升的高度来判断电流通过电阻丝通电产生电热的多少。（1）实验采用煤油的目的：煤油比热容小，在相同条件下吸热温度升高的快；（2）应用：电热器；是利用电流热效应而制成的发热设备；主要有烤箱、电炉、电热毯、电熨斗等。5.电动机：（1）消耗的总电能时，用公式：W=UIt；（2）计算电动机产生的热：Q=I2Rt。【例题1】下列事例，属于防止电流热效应产生危害的是（）A．电热孵化器孵小鸡B．电热水壶烧水C．电熨斗熨衣服D．电脑防热风扇【答案】D【解析】解：A、用电热孵化器孵小鸡，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故A不符合题意；B、使用电热水壶烧水，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故B不符合题意；C、用电熨斗熨衣服，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故C不符合题意；D、启动电脑防热风扇可给电脑降温，是为了防止电热产生危害，故D符合题意。故选：D。【变式1】在下列家用电器中与电饭煲的工作原理相同的是（）A．电热取暖器B．电风扇C．电脑D．电视机【答案】A【解析】解：电饭锅工作时将电能转化为内能；A、电热取暖器工作时主要是把电能转化为内能，故A符合题意；B、电风扇工作时主要是把电能转化为机械能，故B不符合题意；C、电脑工作时主要是把电能转化为光能和声能，故C不符合题意；D、电视机工作时主要是把电能转化为声能和光能，故D不符合题意。故选：A。【例题2】如图是探究焦耳定律的实验装置，两个烧瓶中装着等质量、等温度的煤油，电阻阻值R1＞R2。闭合开关一段时间后，记录两支温度计的示数。下列说法中正确的是（）A．闭合开关，电阻两端的电压关系为U1＜U2B．通电1min后R2所在的烧瓶温度计示数更高C．温度计示数的变化可反映电阻产生热量的多少D．该装置只能探究电流产生的热量与电阻大小的关系【答案】C【解析】解：A、由图可知，电阻R1、R2、滑动变阻器串联接入电路中，通过三个电阻的电流是相同的，电阻阻值R1＞R2，根据U＝IR可知，电阻两端的电压关系为U1＞U2，故A错误；B、电流相同，通电时间相同，电阻阻值R1＞R2，根据Q＝I2Rt可知，R1所在的烧瓶温度计示数更高，故B错误；C、通电后电流通过电阻丝做功，产生热量被煤油吸收，使煤油的温度升高，通过观察温度计的示数变化来判断电流产生的热量的多少，故C正确；D、由图可知，电路中有滑动变阻器，移动滑动变阻器滑片，可以改变电路中的电流，能探究电流产生的热量与电流大小的关系，故D错误。故选：C。【变式2】如图所示，为“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的一个实验电路图，你认为该电路最适合探究的问题是（）（R1≠R2）A．探究电流产生的热量与通电时间是否有关？B．探究电流产生的热量与电流大小是否有关？C．探究电流产生的热量与电阻大小是否有关？D．探究电流产生的热量与温度的高低是否关？【答案】C【解析】解：如图，两个电阻串联在电路中，电流相同，通电时间相同，电阻不同，根据控制变量法可知，该电路最适合探究电流产生热量跟电阻的关系，故ABD错误，C正确。故选：C。【例题3】如图所示电阻丝R1和R2浸没在等质量煤油中，R1与R3并联，以下说法正确的是（）A．若R1＝R2，此实验装置可用于探究电热与电阻的关系B．若R1＝R2，此实验中放有R1的烧瓶中煤油升温比较慢C．若R1≠R2，此实验装置可以用于探究电热与电阻的关系D．此装置不能研究电热与通电时间的关系【答案】B【解析】解：A、若R1＝R2，则烧瓶内的电阻和通电时间相同，而通过两电阻的电流不同，则此装置是探究电热与电流的关系，故A错误；B、若R1＝R2，由图可知，R2在干路上，而R1在支路上，所以通过R2的电流大于通过R1的电流，根据Q＝I2Rt可知，电流通过R2产生的热量较多，则放有R2的烧瓶内的煤油升温较快，即放有R1的烧瓶中煤油升温比较慢，故B正确；C、由于通过R1、R2的电流始终不等，所以无法探究电热与电阻的关系，故C错误；D、只要用相同的烧瓶加热不同的时间即可研究电热与通电时间的关系，故D错误。故选：B。【变式3】如图所示，在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中，两个透明容器中分别接入了电阻丝R1和R2，且密封着等量的空气。将导线a和b接入电路进行实验，下列说法正确的是（）A．若R1和R2阻值不相等，则可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系B．金属盒中空气内能的增大是通过做功实现的 C．因为没有秒表，所以该装置不能探究电流通过导体产生的热量与通电时间的关系D．实验时若左侧U形管中液面高度差有变化，右侧没有，可能是R2断路【答案】D【解析】解：A、若R1和R2阻值不相等，由于通过这两个电阻的电流也是不同的，故不能探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系，故A错误；B、电阻丝通电后会产生热量，空气吸收热量，所以空气的内能是通过热传递增大的，故B错误；C、在实验过程中，通过开关的闭合和断开可以改变电路中通过电流的时间，能探究电流通过导体产生的热量与通电时间的关系，故C错误；D、实验时若U形管中右侧液面的高度没有变化，可能是R2断路，也可能是U形管密封不严，有漏气的现象，故D正确。故选：D。【例题4】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。四个相同的透明容器中密封着质量相等的空气，将1、2和3、4导线分别接到电源两端。下列说法正确的是（）A．图甲装置可以用来探究电流通过电阻丝产生的热量与电阻的关系B．图中透明容器和U形管是利用连通器原理工作的C．观察图乙中的实验现象，可知d容器中电阻丝的阻值较大D．图乙实验中，通电一段时间U形管两侧液面高度差为零一定是电路断路【答案】C【解析】解：A、图甲装置中一个5Ω的电阻与两个5Ω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5Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I左＝I内+I外，所以，I左＞I内，烧瓶内的电阻值都是5Ω，阻值相等，通电时间相等，电流不同，所以此装置可以用来探究电流通过电阻丝产生的热量与电流的关系，故A错误；B、上端开口、底部连通的容器是连通器，而透明容器和U形管必须密封性好，所以透明容器和U形管不是连通器，故B错误；C、乙图中，右侧U形管中液柱上升幅度更大。根据串联电路的电流特点可知，电流和通电时间相等，根据Q＝I2Rt可知，通电一段时间后，装置d容器内电阻大，产生的热量多，故C正确；（3）图乙实验中，通电一段时间U形管两侧液面高度差为零，有可能是电路断路，也有可能是两电阻产生的热量相等，根据Q＝I2Rt可知，当Q、I、t都相同时R相等，故D错误。故选：C。【变式4】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，下列说法不正确的是（）A．乙图实验装置是为了探究电流产生的热量与电流大小的关系B．甲图通电一段时间后，右侧U形管中液面的高度差比左侧的大C．甲、乙实验装置都是利用U形管中液体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量多少的D．乙图中左右两容器中电阻丝产生的热量之比为4：1【答案】C【解析】解：A、乙图实验装置中两个5Ω的电阻并联后再与一个5Ω的电阻串联，根据串联电路的电流特点可知，右边两个电阻的总电流和左边电阻的电流相等，即I右＝I左，两个5Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I右＝I1+I2，两电阻的阻值相等，则支路中电流相等，即I1＝I2，所以右边容器中通过电阻的电流是左侧通过电流的一半，左右侧两容器内电阻相同，所以该装置是研究电流产生的热量与电流的关系，故A正确；B、甲图实验装置中两个电阻串联接入电路，通过两电阻的电流相等，右边容器内的电阻比左边大，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；因此通电一段时间后，右侧U形管中液面的高度差更大，故B正确；C、该实验装置是利用U形管中空气的热胀冷缩来反应热的多少，虽然产生热量的多少不能直接观察，但可以通过U形管液面高度差的变化来反映，故C错误；D、根据串联电路的电流特点可知，右边两个电阻的总电流和左边电阻的电流相等，即I右＝I左，两个5Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I右＝I1+I2，两电阻的阻值相等，则支路中电流相等，即I1＝I2=1根据Q＝I2Rt可得右边电阻产生的热量Q右＝（I右）2Rt，左边电阻产生的热量Q左＝（I1）2Rt=(则：Q右故选：C。【例题5】在探究“电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有关”的实验中，三个透明容器中密封着等量的空气，容器内的电阻连接情况如图所示，通电后，观察U形管中液面高度的变化。则（）A．甲、乙、丙三个容器内的导体，电流相等B．通电一段时间后，U形管中液面高度变化最大的是乙C．要探究电流产生的热量与电阻的关系，需观察甲、丙两个U形管中液面高度的变化D．要探究电流产生的热量与电流的关系，需观察甲、乙两个U形管中液面高度的变化【答案】B【解析】解：（1）丙容器中两电阻并联后再与甲、乙两容器中的电阻串联接入电路，根据串联电路和并联电路电流的规律可知通过甲、乙两容器中的电阻的电流相同，都大于通过丙容器中的电阻的电流，故A错误；（2）甲容器中的电阻与丙容器中的电阻相同，电流不同，要探究电流产生的热量与电流的关系，需观察甲、丙两个U形管中液面高度的变化，故D错误；（3）通过甲容器中的电阻与乙容器中的电阻的电流相同，两容器中的电阻不同，要探究电流产生的热量与电阻的关系，需观察甲、乙两个U形管中液面高度的变化，故C错误；（4）甲、乙装置中，将容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过他们的电流I与通电时间t相同，左边甲容器中的电阻小于右边乙容器中的电阻，由Q＝I2Rt可知，右边乙容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快；甲、丙装置中，丙装置并联一个相同阻值的电阻，再将容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过他们的电阻与通电时间t相同，左边甲容器中的电阻流大于右边丙容器中的电流，由Q＝I2Rt可知，甲容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快；所以通电一段时间后，U形管中液面升高的高度最高的是乙，故B正确。故选：B。【变式5】在“探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”的实验中，某同学采用了如图甲、乙所示的实验装置（两个透明容器中封闭着等量的空气）。下列说法正确的是（）①U形管中液面高度变化主要是由液体热胀冷缩引起的②图甲装置能探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系③图乙实验过程中右边透明容器中电阻丝阻值应该等于10Ω④用图甲中的实验结论能解释“电炉丝热得发红而与电炉丝相连的导线几乎不发热”的现象A．①② B．②③ C．②④ D．③④【答案】C【解析】解：①、U形管内液面高度变化是由容器内气体受热膨胀引起的，故①错误；②、由图甲可知，两阻值不同的电阻丝串联，通过两电阻丝的电流相同，探究的电流通过导体产生热量跟导体的电阻是否有关，故②正确；③、乙实验是研究电流产生的热量与电流的关系，通过它们的电流不同、通电时间都相同和电阻要相同，右边容器中的电阻要等于左边容器中的电阻5Ω，故③错误；④、图甲中两电阻串联，电阻不同，通过两电阻的电流相同，10Ω电阻产生的热量更多，电炉丝与和它相连的导线也是电阻不同，电流相同，电炉丝电阻更大，产生的热量更多，故④正确；故选：C。【例题6】如图是探究“电流通过导体时产生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。（1）实验中通过观察液面高度的变化来比较电流通过导体产生热量的多少，这种方法叫（填“转换法”或“等效替代”）。（2）图甲可探究电流产生的热量与的关系，图乙可探究电流产生的热量与的关系。（3）接好甲电路，闭合开关，通电一段时间后，（填“左”或“右”）侧U形管中液面高度变化大，此实验现象表明，在电流和通电时间相同的情况下，越大，所产生的热量越多。【答案】（1）转换法；（2）电阻；电流；（3）右；电阻。【解析】解：（1）电流产生的热量不便于用眼睛直接观察和测量，通过U形管内液柱的高度差来反映，这种方法是初中物理常用的转换法；（2）由图甲可知，两个盒中的电阻丝串联，通过两电阻丝的电流和通电时间相同，研究的是：当通过的电流和通电时间相同时，电流产生的热量与导体电阻大小的关系；因为并联电路中的电阻比任何一个电阻都小，当乙图中右侧盒外连接的5Ω电阻后，右侧5Ω的电阻分压较小，由此可知，右侧电阻的电流减小，因此乙图中右侧盒外连接的5Ω电阻的作用是改变右侧电阻的电流；把电阻接在盒子外侧，是为了控制好变量，不改变右侧盒内电阻，便于探究电流通过导体产生的热量与电流的关系；（3）因串联电路中各处的电流相等，所以，两电阻丝串联时通过它们的电流相等；由Q＝I2Rt可知，在电流和通电时间相同时，右侧电阻较大，产生的热量较多。故答案为：（1）转换法；（2）电阻；电流；（3）右；电阻。【变式6】图中为研究焦耳定律的实验装置。在两个相同的烧瓶中装满初温相同的煤油，插入两个相同的温度计，瓶中电阻丝为定值电阻，其关系为R甲＞R乙。（1）图中的两段电阻丝连接的方式为（选填“串联”或“并联”）；（2）实验中，通过观察来判断电流通过导体产生热量的多少；（3）闭合开关一段时间，观察到甲瓶中煤油的温度高于乙瓶。这表明：在相同时，越大，电流产生的热量越多；（4）实验探究过程中用到两个物理研究方法是法和法。【答案】（1）串联；（2）温度计升高的示数；（3）电流和通电时间；电阻；（4）控制变量；转换。【解析】解：（1）根据实物图可知，电路中只有一条电流的路径，为串联电路；（2）根据转换法可知，实验中，我们通过温度计升高的示数反应导体产生热量的多少；（3）两个电阻串联，通电时间和电流相同，电阻的大小不同，合开关一段时间，甲瓶中的电阻的阻值大，甲瓶中煤油的温度高于乙瓶，这说明甲产生的热量多，故结论为：在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多；（4）实验中采用的方法是控制变量法和转换法。故答案为：（1）串联；（2）温度计升高的示数；（3）电流和通电时间；电阻；（4）控制变量；转换。二、焦耳定律公式的应用：【例题7】如图所示，给电炉通电后，电炉丝热得发红，而用手触摸与之连接的导线却不觉得烫手，这是因为（）A．电流通过导线时没有产生热效应B．通过电炉丝的电流比通过导线的电流大得多C．电炉丝的电阻比导线的电阻小得多D．电炉丝消耗的电功率比导线消耗的电功率大得多【答案】D【解析】解：A、由于导线有电阻，电流通过导线时，导线会发热，产生热效应，故A错误；BCD、电炉在使用时，电炉丝和导线串联，通过它们的电流相等，通电时间t相同，由于R电炉丝＞R导线，根据Q＝I2Rt可知，电流产生的热量：Q电炉丝＞Q导线，根据P＝I2R知，导线消耗的电功率比电炉丝消耗的电功率小，因而出现电炉丝热得发红，而与电炉丝相连的导线却不怎么发热的现象；故BC错误，D正确。故选：D。【变式7】小明发现当给家中的电灯通电后，灯丝热得发光，而与灯泡串联的导线温度几乎感觉不到变化，对这一现象的解释，正确的是（）A．通过灯丝的电流大些B．电流在导线中不发生热效应C．制成灯丝的材料电阻较小D．导线和灯丝中的电流相同，但灯丝电阻更大【答案】D【解析】解：因为灯丝和导线串联，所以通过灯丝和导线的电流、通电时间都相同，根据焦耳定律Q＝I2Rt，灯丝电阻大，产生热量多，而导线电阻非常小，产生的热量就很小，所以电灯通电后，灯丝热得发光，而与灯泡串联的导线温度几乎感觉不到变化。故选项A、B、C都不正确，D选项正确。故选：D。【例题8】甲、乙两电热器的电阻之比为4：3，通过的电流之比为1：2，则相同时间内产生的热量之比为（）A．1：3B．2：3C．3：8D．3：2【答案】A【解析】解：已知甲乙电热器的电阻之比为：R甲R乙则相同时间内产生的热量之比为：Q甲故选：A。【变式8】甲、乙两电热丝电阻之比为2：3，通过的电流之比为3：1，则相同时间内产生的热量之比为（）A．2：1B．6：1C．1：2D．1：6【答案】B【解析】解：由题意可知，R甲：R乙＝2：3，I甲：I乙＝3：1，由Q＝I2Rt可得，在相同时间内产生的热量之比：Q甲故选：B。【例题9】两个电热器的电阻之比是3：2，把它们并联在电路中使用，在相同时间内它们放出的热量之比是（）A．3：2 B．2：3 C．9：4 D．4：9【答案】B【解析】解：两个电热器并联在电路中使用，根据并联电路的电压特点可知，两个电热器两端的电压相等，由Q＝I2Rt=U2R故选：B。【变式9】电阻R1和R2串联，两端电压之比为2：1，开关闭合后，关于二者产生热量的说法正确的是（）A．两电阻产生热量相同B．两电阻产生热量之比为2：1C．两电阻产生热量之比为1：2D．没有通电时间，无法比较产生热量多少【答案】B【解答】解：电阻R1和R2串联，两端电压之比为2：1，根据串联电路的分压规律可知，其电阻之比为：R1：R2＝2：1；串联电路中各处的电流相等，根据Q＝I2Rt可知，在相同时间内，电流通过R1和R2产生的热量之比等于电阻之比，所以产生热量之比为2：1，故B正确。故选：B。【例题10】如图所示电路中，电源电压为4.5V保持不变，小灯泡标有“2.5V0.5W”字样，闭合开关后小灯泡L恰好正常发光，假设灯丝电阻不变。求：（1）定值电阻R的阻值；（2）通电10s电流通过定值电阻R产生的热量。【答案】（1）定值电阻R的阻值为10Ω；（2）通电10s电流通过定值电阻R产生的热量为4J。【解析】解：（1）小灯泡正常发光，由P＝UI的通过小灯泡的电流为：IL=P所以通过定值电阻的电流为IR＝IL＝I＝0.2A，定值电阻两端的电压为：UR＝U﹣UL＝4.5V﹣2.5V＝2V，R的阻值为：R=U（2）由焦耳定律Q＝I2Rt得通电10秒电阻R产生的热量为：Q＝IR2Rt＝（0.2A）2×10Ω×10s＝4J。答：（1）定值电阻R的阻值为10Ω；（2）通电10s电流通过定值电阻R产生的热量为4J。【变式10】如图所示的电路中，电源两端的电压保持不变。闭合开关后，灯泡L两端的电压为12V，消耗的电功率为6W，电流表示数为1.1A。求：（1）通过灯泡L的电流是多少安？（2）定值电阻R的阻值是多少欧？（3）该电路工作5min，定值电阻R产生的热量是多少焦？【答案】（1）通过灯泡L的电流是0.5安；（2）定值电阻R的阻值是20欧；（3）该电路工作5min，定值电阻R产生的热量是2160J。【解析】解：由电路图可知，电阻R与灯泡并联，电流表测干路的电流。（1）由P＝UI可得灯泡L的电流为：IL=P（2）因并联电路中各支路两端的电压相等，根据并联电路的电流规律可知，通过电阻的电流为：IR＝I﹣IL＝1.1A﹣0.5A＝0.6A；所以，电源的电压U＝UL＝12V，由I=UR可得R的阻值：R（3）定值电阻R在5min内产生的热量为：Q＝W＝UIRt＝12V×0.6A×5×60s＝2160J。答：（1）通过灯泡L的电流是0.5安；（2）定值电阻R的阻值是20欧；（3）该电路工作5min，定值电阻R产生的热量是2160J。【例题11】一个电热水壶，其铭牌标注了额定电压为220V，额定功率为1800W。该电热水壶正常工作时，将1.5L水加热，使温度从20℃升高到80℃，所用时间为250s，则该电热水壶的加热效率是（）A．75%B．84%C．88%D．95%【答案】B【解析】解：（1）电热水壶加热250s消耗的电能：W＝Pt＝1800W×250s＝450000J；（2）1.5L水的质量为：m＝ρV＝1.0×103kg/m3×1.5×10﹣3m3＝1.5kg；水吸收的热量：Q＝cm△t＝4.2×103J/（kg•℃）×1.5kg×（80℃﹣20℃）＝378000J；（3）电热水壶的加热效率：η=QW×故选：B。【变式11】某家用电热水壶有加热和保温两挡，内部电路简化示意图如图甲所示，其中S是单刀双掷开关，R1和R2均为阻值不变的电热丝。使用该电热水壶在额定电压下工作，其消耗的电功率随时间变化的图像如图乙所示，已知水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），则下列说法中正确的是（）A．开关S打到1时电热水壶处于保温状态B．R2的阻值为110ΩC．整个工作过程中消耗电能为4.51×105JD．加热过程使1kg的水温度升高了80℃，则加热效率为74.5%【答案】C【解析】解：A、由图甲可知，当开关S打到1时，只有电阻R1接入电路，此时电路总电阻最小，由P=UB、由图乙可知，当开关S打到2时，电阻R1、R2串联接入电路，此时电路总电阻最大，由P=U由图乙所示图像可知，加热功率P加热＝1210W，保温功率：P保温＝440W，由P=U2R可知，RR串＝R1+R2=U电阻R2的阻值：R2＝R串﹣R1＝110Ω﹣40Ω＝70Ω，故B错误；C、由图乙可知，整个工作过程中，加热时间t加热＝300s，加热过程消耗的电能：W加热＝P加热t加热＝1210W×300s＝3.63×105J，保温时间t保温＝500s﹣300s＝200s，保温过程消耗的电能：W保温＝P保温t保温＝440W×200s＝0.88×105J，整个工作过程中消耗电能：W＝W加热+W保温＝3.63×105J+0.88×105J＝4.51×105J，故C正确；D、电热水壶在加热过程中消耗的电能：W加热＝3.63×105J，水吸收的热量Q吸＝cm△t＝4.2×103J/（kg•℃）×1kg×80℃＝3.36×105J，加热效率：η=Q故选：C。【例题12】下表是小欣家电热水壶的铭牌，在正常工作时，若将如图所示该电热水壶装满水。（不计热量损失，水