人教版九年级物理全册教案：第十八章第4节焦耳定律

第4节 焦耳定律
设计说明
“焦耳定律”是欧姆定律的引申和发展，是能量守恒定律在电能和内能转化中的具体体现。教学中可按教材顺序，从常见的电热器入手，提出电热问题，利用演示实验使学生认识电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。给出定量式，然后用电功的公式和欧姆定律的公式推出焦耳定律的公式，进一步说明焦耳定律的正确性。
关于电热的利用和防止部分，可采用学生讨论的方式列举生活中的电热现象，哪些是利用电热，哪些电热会给人们的生活带来危害，采取哪些措施等问题，使学生对电热的利用和防止有更深入的认识.
教学过程可分为三个阶段：第一阶段认识电流的热效应；第二阶段认识焦耳定律；第三阶段了解电热的利用与防止。

教学目标
【知识与技能】
1.能通过生活实例，认识电流的热效应及其在实际中的应用与控制。
2.了解焦耳定律，会用焦耳定律进行计算，用焦耳定律说明生产、生活中的一些现象。
【过程与方法】
通过实验，探究通电导体放出的热量与哪些因素有关。在设计实验的过程中运用控制变量法和转换法。
【情感、态度和价值观】
通过学习电热的利用和防止，学会辩证地看待问题。
重点难点
教学重点
研究电热与电流、电阻、通电时间的定性关系；焦耳定律的理解与应用。
教学难点
研究电热与电流、电阻、通电时间的定性关系；焦耳定律的理解与应用。
教学方法
实验探究法、控制变量法和转换法。
教具、学具
学生用：电池组一个、开关一个、滑动变阻器、不同阻值的电阻丝两根、相同密闭容器两只、U形管两只。
教师用：电池组一个、开关一个、滑动变阻器、不同阻值的电阻丝两根、相同密闭容器两只、U形管两只、各种电热器(热得快、电熨斗、电饭锅等)的图片。
授课时数
1课时
教学过程
回顾思考
1.电流做功的过程实质上是将电能转化为　　　　能的过程，例如电流通过电炉丝做功将电能转化为　　　　能。
2.用电器在一段时间内消耗的电能，可用　　　　表计量出来，也可用公式　　　　计算出来。
3.欧姆定律的公式为　　　　，推导公式为R=　　　　、U=　　　　。推导公式适用于纯电阻电路。
4.串联电路中各处电流都　　　　，用公式表示为　　　　；并联电路中各支路两端的电压　　　　，用公式表示为　　　　。
导入新课
问题导入
师：(出示白炽灯、电风扇、电饭煲，如图所示)这几种电器各有什么功能？

生：照明、吹风、煮饭。
师：这些电器虽然功能不同，但它们有没有共同点？
(说明：学生小组讨论，请三名学生上来各拿一个电器，同时通电实验
1 min，并请他们触摸电器和电风扇的电动机部分。)
生：它们工作时都会发热。
师：对。电流通过任何电器或导体，电器和导体都会发热，这种现象叫电流的热效应。
师：这种现象中能量是怎样转化的？
生：电能转化为内能。
师：它们产生的热量有什么不同？
生：(讨论后)它们产生的热量有多有少。
漫画导入
爸爸根据什么道理判定小明是否看过电视？
生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象产生。
讲授新课
一、电流的热效应
1.电流的热效应
多媒体课件展示：电熨斗、电烤箱、电炉、电烙铁等。


【交流总结】电流通过导体，导体会发热的现象，叫做电流的热效应。
2.探究：电流产生的热量跟哪些因素有关
【提出问题】电流的热效应与哪些因素有关？
【思考】（1）浴霸灯泡和电线串联在电路中，通过的电流相同，灯泡下面非常热，电线却不怎么热，这是为什么？（电阻不同）
（2）如果将小功率的浴霸灯泡换成大功率的浴霸灯泡，灯泡下面更热，这又是为什么？（电流不同）
（3）浴霸灯泡通电的时间越长，产生的热量越多，这说明了什么？（时间不同）
【猜想】影响电热大小的因素——导体的电阻、导体的电流、通电时间等。
【设计实验】 (采用控制变量法和转换法)
①如何控制电流一定时电阻的变化？(让不同阻值的两个电阻串联)
②如何控制电阻一定时电流的变化？(让两个相同的电阻串联，用另一电阻与其中一个电阻并联，则干路电流和支路电流不同)
③如何比较电流产生热的多少？(采用转换的思想，将电热转换成U形管内液面的高度差，高度差越大，表示电流产生的热量越多)
【实验记录表格】
电路图
电阻/Ω
电流/A
通电时间/min
U形管液面高度差/cm
R1=5 Ω
2
R2=10 Ω
2
R1=5 Ω
4
R2=10 Ω
4
R1=5 Ω
2
R2=5 Ω
2
R3=5 Ω
2
【进行实验】
第一次实验：把两个电阻放在密闭的空气盒中，它们产生的热对空气加热。两电阻丝串联，保证通过它们的电流相等；左边空气盒中的电阻小于右边空气盒中的电阻，观察两瓶中空气的膨胀程度，如图所示。
第二次实验：欲使其电阻一样，通过的电流不等，可以将两个相等的电阻串联，然后在其中一个电阻的容器外部再并联一个等值的电阻丝，则干路和支路上的电流不相等，如图所示。
【分析论证】
电热的大小与电流大小、电阻大小、通电时间均有关系。
①在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。②在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。③在电流相同、电阻相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。
例题讲解：(学生先练习，若有问题，教师补充讲解)
例1 （2021·广东）如图所示为“探究电流通过导体产生的热量跟
　　　　的关系”的实验装置。实验中用U形管内液面高度差的大小来反映电流通过导体产生热量的多少，这种方法叫　　　　（选填“控制变量”或“转换”）法。通电一段时间后，左侧容器内空气吸收的热量比右侧的
　　　　（选填“多”或“少”）。

解析：由题图知，两电阻丝串联，所以通过两电阻丝的电流相同，两电阻丝电阻不同，所以该装置是探究电流通过导体时产生的热量与电阻关系的实验装置；实验中通过U形管液面高度差的变化来判定产生热量的多少，采用的是转换法；通电时间和电流相同，左侧容器中电阻丝电阻小，产生的热量少，所以左侧容器内空气吸收的热量比右侧的少。
答案：电阻　转换　少　
二、焦耳定律
1.焦耳定律的内容
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，跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。
其公式为：Q=I2 Rt。
公式中的电流I的单位要用安培(A)，电阻R的单位要用欧姆(Ω)，通过的时间t的单位要用秒(s)，这样，热量Q的单位就是焦耳(J)。
【小资料】焦耳（James Prescott Joule，1818—1889），英国物理学家。他用近40年的时间做了400多次实验，研究热和功的关系。通过大量的实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。
2.焦耳定律公式推导
若电流做的功全部用来产生热量，即W=Q，因为W=UIt，根据欧姆定律的变形式U=IR，可知，Q=W=I2Rt。
3.电热与电功的关系
师：回忆电功的计算公式
学生回答并板书。
师：大家结合电褥子和电风扇这两个不同的用电器思考电热与电功有怎样的关系？
小组讨论得出：电褥子电热=电功，电风扇电热<电功。
师归纳：电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时转化为其他形式的能量，电热=电功。根据欧姆定律的变形式U=IR推导出焦耳定律Q=I2Rt。
4.知识反馈
请你解决问题：电炉丝通过导线连接在电路中，为什么电炉丝热得发红，而连接电炉丝的导线却不怎么热？
小组讨论作答：电炉丝通过导线接到电路中，电炉丝和导线串联，通过它们的电流和通电时间相等，而电炉丝的电阻要远大于导线的电阻，根据焦耳定律Q=I2Rt可知，电流通过电炉丝产生的热量比通过导线产生的热量大得多，因此，电炉丝很热，而导线却不热。
【交流讨论】额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。二者似乎有矛盾，这是怎么回事?
【交流总结】额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多,其前提条件是电压相同；按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多，其前提条件是电流相同，两者并不矛盾，要注意公式成立的条件。
5.例题(自学)
学生自己阅读教材上的例题，借此训练学生的自学能力。
例题讲解：(学生先练习，若有问题，教师补充讲解)
教师提醒，本例题也可用Q=W=U2Rt进行计算。
例题讲解：(学生先练习，若有问题，教师补充讲解)
例2　一根 60 Ω 的电阻丝接在 36 V的电源两端，在 5 min内共产生多少热量?
解：I===0.6 A
由焦耳定律公式
Q=I2Rt=（0.6 A）2×60 Ω×5×60 s=6 480 J
即在5 min内共产生6 480 J热量。
三、　电热的利用和防止
任何用电器工作时都产生电热。因为用电器都是由一定阻值的导体组成的，导体中或多或少都有电阻，所以电流通过这些电阻时都会发热。
1.电热的利用
凡是需要加热的装置都利用了电热。请大家举一些实例说明。
利用电热孵化器孵小鸡用来加热

电热器的优点: 清洁卫生，没有环境污染，热效率高，还可以方便地控制和调节温度。
2.电热的防止
不是想把电能转化为热能，而是想转化为机械能、化学能等装置的用电器都需要防止电热的产生。如电视机的散热窗、电动机的散热风扇等。
课堂小结
当堂达标
1.下列家用电器，利用电流的热效应工作的是(　　)
A.电暖气
B.洗衣机
C.电风扇
D.电视机
答案：A
2.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
答案：C
3.下列用电器均标有“220 V　100 W”，在额定电压下工作相同时间产生热量最多的是(　　)
A.电热水袋　　B.电视机 　　 C.电风扇　 　 D.电灯
答案：A
4.下列情况中防止电热危害的是(　　)
A.电视机背后有散热窗
B.家电长时期不使用，隔一段时间要通电一次
C.家庭电路一般安装保险丝
D.大型爆破工程用电热引发炸药
答案：A
5.某导体电阻为10Ω，通电5 min产生的热量是1 200 J，当通过该导体的电流增大为原来的2倍时，在相等时间内产生的热量是_______J。
答案：4 800
6.探究“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验。
如图甲和乙所示，两个透明容器中密闭着等质量的空气，两容器中的电阻丝串联起来，连接到电源两端，通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度差的变化。

甲 乙
（1）在图甲中，通过两电阻丝的电流_______；该装置是探究电流通过导体产生的热量与导体_______的关系。
（2）在图乙中，是探究电流通过导体产生的热量与通过导体________的关系。
（3）在该实验中，我们是通过观察U形管中两侧液面的_________来比较各容器中电阻丝产生热量的多少的。
答案：（1）相等 电阻 （2）电流大小 （3）高度差
板书设计
第4节　焦耳定律
1.电流的热效应：电能转化为内能
2.电热的影响因素：通过导体的电流、导体的电阻、通电时间
3.焦耳定律：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，跟通电时间成正比，这个规律叫做焦耳定律
公式：Q=I2Rt
4.电热的利用与防止