人教物理 九年级同步学案（附答案）18.4焦耳定律

第4节　焦耳定律
【自主预习探新知】
【新知初探】
一、电流的热效应
1．定义：电流通过导体时电能转化成________，这种现象叫作电流的热效应。
2．如果较长时间接打手机，你会感到手机电池部位比较“烫”，这是__________________现象。
3．影响因素：电流通过导体产生的热量跟导体的________，通过导体的________和________有关。
二、焦耳定律
1．内容：电流通过导体产生的热量跟____________，跟导体的____________，跟___________________________________。
2．公式：____________。
三、电热的利用和防止
1．家里的电热水器、电饭锅、电熨斗，养鸡场的电热孵化器等，都是利用电能转化成热来工作的，都是利用__________的例子。
2．电视机的后盖有很多孔，是为了________。过多的电热如果不能及时散失，会产生许多________。
【预习自测】
1．(·青海)下列用电器利用了电流的热效应来工作的是
(　　)
A．电风扇
B．电铃
C．洗衣机
D．电热毯
2．一根阻值为50
Ω的电阻丝，通电100
s，通过的电流为0.2
A，则电流通过电阻丝产生的热量为________J。
【合作探究破疑难】
【要点突破】
知识点1　电流的热效应
1．探究电流产生的热量与电阻的关系
(1)实验思路：控制________、________不变，改变____________。
(2)实验装置：如图18－4－1所示，两个透明容器中密封等量的空气，两个容器中都有一段电阻丝，两电阻丝串联，且右边容器中的电阻比较大。
图18－4－1
(3)实验现象：通电一段时间后，发现与________边容器相通的U形管液面高度差较大。
(4)实验结论：在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，电阻产生的热量越____。
2．探究电流产生的热量与电流的关系
(1)实验思路：控制________、__________不变，改变__________。
(2)实验装置：如图18－4－2所示，两个密闭容器中的电阻一样大，在右边容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联。
图18－4－2
(3)实验现象：通电一段时间后，发现与____边容器相通的U形管液面高度差较大。
(4)实验结论：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，电阻产生的热量越____。
【归纳总结】
(1)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。导体的电阻越大，通过导体的电流越大，通电时间越长，产生的热量也就越多。
(2)探究时要把握两个关键点：一是实验的设计思想。电流通过导体时产生热量的多少无法直接观察，实验中通过U形管中液面的高度变化来间接反映出电流产生的热量的多少。即利用了转化的思想。二是实验的探究方法——控制变量法。探究时把影响电流热效应的多个因素问题转变成多个单因素问题来研究，从而研究出被改变的这个因素(变量)对电流热效应的影响，最后再进行综合分析，得出实验结论。
【典例1】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，某同学采取了如图18－4－3所示的实验装置(两个透明容器中封闭着等量的空气)。
甲
　　乙
图18－4－3
(1)实验中通过观察____________变化来比较电流通过电阻产生热量的多少。
(2)观察图甲中的A、B管，在通电时间相等时，发现B管液面上升得高，则表明电流通过导体产生的热量多少与__________有关。
(3)采用图乙实验装置，可以得出结论：在电阻和通电时间相同时，________越大，电流产生的热量越多。
(4)该实验中用到了控制变量法和________法。
【针对训练】
1．如图18－4－4所示的电路中，R1和R2是两段电阻丝，且电阻值R1＞R2。在两段电阻丝上各夹一根火柴，移动滑动变阻器的滑片P，使滑动变阻器接入电路的电阻值比较小，然后闭合开关S，经过时间t，电阻丝R1上的火柴先被点燃。这说明，在通电时间和________相同时，电流通过导体产生热量的多少与________的大小有关。
图18－4－4
知识点2　焦耳定律
1．电热和电功在大小上有什么关系？
2．如果电流所做的功全部用来产生热量，你能推导出计算热量的公式吗？
3．读教材第101页“想想议议”，二者有矛盾吗？怎样解释？
4．将I＝代入Q＝I2Rt后得出Q＝t，将U＝IR代入Q＝I2Rt得到Q＝UIt，二者与Q＝I2Rt在使用时有无区别？
【归纳总结】
(1)电流通过导体时，如果电能全部转化为热，而没有同时转化为其他形式的能量，那么电流产生的热量Q等于消耗的电能，即W＝Q＝I2Rt＝t＝Pt＝UIt。
(2)若电流做的功只有一部分转化为电热，则只可用焦耳定律来计算。因为许多用电器除了产生电热外，还要产生其他能量，如电动机主要是产生机械能，电镀槽会产生化学能，收音机主要产生声能等，这些情况下Q＜W。
【典例2】某三挡电炖锅的工作电路可简化为如图18－4－5所示的电路图，其两段电热丝的阻值分别为R1和R2，且R1＞R2，说明书的部分参数如下表。
额定电压
电炖锅挡位
额定功率
220
V
低温
200
W
中温
400
W
高温
600
W
图18－4－5
(1)在低温挡工作时，电路中的电流多大？(小数点后保留一位)
(2)请直接判断当开关S1断开、S2闭合时，电炖锅处于哪个挡位？并求出R2的阻值。
(3)小颖对该电炖锅说明书中所标的功率值产生怀疑，她用所学知识和爸爸进行了如下实验：关掉家里的其他用电器，只让电炖锅在高温挡单独工作，她观察到家中的电能表标着“1
800
revs/(kW·h)”，且在1
min内电能表的转盘转了15转。请帮助她计算出电炖锅在高温挡工作时的实际功率，如与额定功率有差异，试写出一种可能原因。
想一想：解答有多个挡位的电热器问题需要注意哪些方面？
【针对训练】
2．某校师生自制一台电烘箱，设计的简化电路图及技术参数如下，R1和R2均为电热丝且电阻值恒定。
额定电压
220
V
正常工作电流
高温挡
5
A
低温挡
2
A
图18－4－6
根据师生们的设计，求：
(1)电烘箱在高温挡正常工作时每分钟可产生的热量。
(2)电热丝R1的阻值。
(3)电烘箱在低温挡正常工作时，R2的功率。
【达标检测】
(10分钟)
1．(·四川自贡)将规格都是“220
V　100
W”的一台电风扇、一台电视机和一把电烙铁分别接入同一家庭电路中，通电时间相同，下列说法正确的是
(　　)
A．三个用电器产生的热量相同
B．电风扇产生的热量最多
C．电烙铁产生的热量最多
D．电视机产生的热量最多
2．将两根电阻丝R1、R2分别插入甲、乙两瓶等质量煤油中，串联接入电路，R1∶R2＝2∶3。通电一段时间后，R1、R2产生的热量之比为
(　　)
图18－4－7
A．3∶2
B．2∶3
C．4∶9
D．9∶4
3．一根阻值为50
Ω的电阻丝，通电100
s，电流通过电阻丝产生的热量为2×104
J，则通过电阻丝的电流为________A。
4．(·福建莆田)电炉丝热得发红，而跟它串联的导线却几乎不发热，这是因为通过它们的电流________(选填“相等”或“不相等”)，而导线的电阻比电炉丝的电阻________(选填“小”或“大”)得多。
5．如图18－4－7所示，电源电压U＝12
V，电热丝R1＝4
Ω，R2＝8
Ω。
图18－4－7
(1)开关S闭合后电流表的示数为多少？
(2)开关S闭合后，电热丝R2在10
s内产生的热量是多少？
第4节　焦耳定律
【自主预习·探新知】
[新知初探]
一、1.内能　2.电流的热效应
3．电阻　电流　通电时间
二、1.电流的二次方成正比　电阻成正比　通电时间成正比
2．Q＝I2Rt
三、1.电热　2.通风散热　安全隐患
[预习自测]
1．D　2.200
【合作探究·破疑难】
[要点突破]
知识点1
1．(1)电流　通电时间　电阻的大小　(3)右　(4)多
2．(1)电阻　通电时间　电流的大小　(3)左　(4)多
[典例1](1)液面高度差　(2)电阻　(3)电流　(4)转换
解析：(1)电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，但空气温度的变化可以通过液面高度差的变化来反映，这种研究方法叫转换法。(2)图甲，两个电阻串联在电路中，电流相同，通电时间相同，电阻不同，运用控制变量法，探究电流产生热量跟电阻的关系。(3)在乙电路中一个容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，再接入原电路，由实验现象可以得到的结论是：在电阻、通电时间相同的情况下，电流越大，电流通过电阻产生的热量越多。(4)该实验中用到了控制变量法和转换法。
[针对训练]
1．电流　电阻
解析：电阻丝R1上的火柴先被点燃，说明R1上的火柴温度升得高，电阻R1产生的热量Q1多，即Q1＞Q2；由电路图可知，两电阻串联，流过它们的电流I相等，它们的通电时间t相等，已知R1＞R2，由此可见：电流通过导体产生热量的多少与电阻大小有关。
知识点2
1．电流通过导体时，如果电流所做的功全部用来产生热量，则W＝Q，如果电流所做的功只有一部分用来产生热量，则W＞Q。
2．易知Q＝W＝UIt，又由欧姆定律I＝可得U＝IR，所以Q＝W＝UIt＝IR·It＝I2Rt。
3．二者并不矛盾。对于焦耳定律，我们要注意公式成立的条件，不能片面地从数学角度来理解并得出结论。(1)由欧姆定律I＝和焦耳定律Q＝I2Rt可得Q＝t，由推导式可知，在电压一定时，电阻越小，单位时间内产生的热量越多；(2)由Q＝I2Rt可知，在电流相同时，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。
4．Q＝I2Rt是焦耳定律的公式，可以适用于任何电路，而Q＝t＝UIt是由欧姆定律和焦耳定律推导出来的。欧姆定律的适用范围是电能全部转化为内能的电路，所以Q＝t＝UIt也只适用于电能全部转化为内能的电路。
[典例2]解：(1)由表中数据可知，低温挡的功率P低温＝200
W，由公式P＝UI可得，在低温挡工作时，电路中的电流I低温＝＝＝0.9
A。
(2)当开关S1断开、S2闭合时，电路中为R2的简单电路，因为R1＞R2，电路中的电阻值在R1和R1、R2并联后的阻值之间，因此电炖锅处于中温挡，由公式P＝可得，R2＝＝＝121
Ω。
(3)消耗的电能W＝
kW·h＝3×104
J，实际功率P实＝＝＝500
W＜600
W。差异的原因可能有：①实际电压低(或在用电高峰时测量)；②电热丝的阻值不符合设计要求；③电能表测量存在误差等。
解析：根据公式P＝可知，在电压一定时，电功率与电阻成反比，电阻最大时，电功率最小为低温状态；电阻最小时，电功率最大，为高温状态；处于二者之间时为中温挡。再结合已知条件，选择公式进行解答。
[想一想]
有两个关键点：
关键点一：首先要知道如何正确判断出电热器的挡位，一般来说，电热器通常有高温挡和低温挡，根据电功率的公式P＝可知，当电压一定时，电阻越大，电功率越小；电阻越小，电功率越大，所以高温挡总电阻最小，低温挡总电阻最大。
关键点二：明确不同挡位的电热器结构。除了例2中所示电路，常见的电路结构如图所示两种。
[针对训练]
2．解：(1)高温挡时，由机器铭牌可知，电流为5
A，电压为220
V，则Q＝W＝UI高t＝220
V×5
A×60
s＝66
000
J；
(2)高温挡时，只R1接入电路，由欧姆定律得R1＝＝＝44
Ω；
(3)低温挡时，两电阻串联，低温挡总功率P＝UI低＝220
V×2
A＝440
W，
R1的功率P1＝IR＝(2
A)2×44
Ω＝176
W，
所以电烘箱在低温挡正常工作时，R2的功率P2＝P－P1＝440
W－176
W＝264
W。
解析：(1)知道高温挡时的工作电压和电流，由Q＝W＝UIt可求得高温挡时产生的热量；(2)高温挡时，只有R1工作，已知高温挡时的电压和电流，根据欧姆定律可求得R1的阻值；(3)低温挡时，两电阻串联，由P＝UI求出低温挡总功率，由P＝I2R求出R1的功率，则它们的差即为R2的功率。
[达标检测]
1．C　解析：因为U＝220
V，所以三种用电器的实际功率P＝P额＝100
W；又因为W＝Pt，所以三种用电器消耗的电能相同；由于电视机将大部分电能转化为光能和声能，电风扇中的电动机将大部分电能转化为机械能，电烙铁将电能全部转化为内能，所以产生热量最多的是电烙铁。
2．B　解析：由图知，两电阻丝串联，所以通过两电阻丝的电流和通电时间相等，根据公式Q＝I2Rt，则产生的热量之比等于电阻之比2∶3。
3．2　解析：已知电阻、通电时间与产生的热量，由焦耳定律的公式Q＝I2Rt可以求出电流大小。
相等　小　解析：电炉在使用时，电炉丝和导线串联，由串联电路特点知I电炉丝＝
I导线，通电时间t相同，根据Q＝I2Rt，因为R电炉丝＞R导线，所以电流产生的热量Q电炉丝＞Q导线，因此出现电炉丝热得发红，而与电炉丝相连的导线却几乎不发热的现象。
5．解：(1)在串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以R＝R1＋R2＝4
Ω＋8
Ω＝12
Ω；电流表的示数为I＝＝＝1
A；
(2)Q＝I2R2t＝(1
A)2×8
Ω×10
s＝80
J。