6.3 焦耳定律 课件 2022－2023学年教科版物理九年级上册(共37张PPT)

(共37张PPT)
6.3 焦耳定律
生活中，许多用电器通电后，都伴有热现象产生。请举例说明。
　　电流通过导体时电能转化成内能，这个现象叫做电流的热效应。
电流的热效应
（例：电流通过灯泡的灯丝时，灯丝变得灼热而发光）
　　1、电炉丝和导线通过电流相同，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热
　　电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关
想想议议
2.家庭电路中接入过多用电器，电线将显著发热，有可能烧坏它的绝缘皮，甚至引起火灾，这是为什么？
猜想：
通电时间
电流的大小
导体电阻的大小
一、电流产生的热量跟哪些因素有关
研究方法： ；
实验原理:
当电流通过电阻丝时，电流产生的热量就使瓶中的空气温度升高，气体体积膨胀，导管里面的液柱就会逐渐上升.电流产生的热量越多，液面就会上升得越高.
实验探究：影响电流热效应的因素
控制变量法
我们可以通过比较管中液面上升的高度从而比较电流产生的热量.
实验装置
电流通过导体时产生热的多少与什么因素有关
实验1：研究电热与电阻关系
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
A
　　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。
I = 2I1
I
A
R = 5 Ω
R = 5 Ω
R = 5 Ω
I1
实验2：研究导体产生的热量与电流的关系
现象：电流较大的这边的液柱上升较高．
说明：电阻相同，通电时间相同时，电流越大，电流所产生的热量越多．
如图是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻间关系”的实验装置，两阻值分别为R和2R的电阻丝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．回答下列问题：
（1）合上开关，经过一段时间，两电阻丝产生热量的多少是通过__________反映出来的；
（2）采用这种连接方式的目的是 _________ ；
（3）若要利用这个装置图“探究
电流通过导体产生的热量与电流
大小的关系”，则需要在电路中
______ 联（填“串”或“并”）
一个 _________ ，比较 _________
（填“同一个”或“不同的”）电阻丝
几次产生的热量，得出结论．
温度计的示数变化；
控制通过的电流和通电时间相同
滑动变阻器
同一个
串
　　焦耳（James Prescott Joule，
1818—1889），英国物理学家。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。
焦 耳
3、单位：焦耳（J）
二、焦耳定律
1、内容：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。
2、公式： Q = I2Rt
注意：1、公式中的Q、I、R、t各物理量针对的是同一段导体而言的；
2、焦耳定律定量地描述了电能向内能转化的规律， 适用于任何电路；
3、计算式各物理量的单位：
　　
5、焦耳定律公式扩展：
Q=W=U I t =
(只适用于纯电阻电路)
2
U
R
t
4、焦耳定律理论推导：
电流通过导体时，如果电能全部转化为内能也就是电流所做的功全部用来产生热量，那么
W=Q
即 Q = W = U I t
再根据欧姆定律 U = IR，
Q=W=U I t=(IR)It=I2Rt
例1.一根60 的电阻丝接在36V的电源上,在5min内共产生多少热量？
解：
通过电阻丝的电流为：
电流产生的热量为：
Q=I2Rt=(0.6A)2×60 ×5×60s
=6480J
【例2】(滨州中考)有一只电热水壶,其铭牌上标有“220V　1210W”的字样,不考虑温度对电阻的影响,水的比热容为4.2×103J/(kg·℃),
求:
(1)它正常工作时通过电阻丝的电流有多大
(2)它正常工作时电阻丝的电阻有多大
(3)当实际电压为200V时,该电热水壶的效率为80%,在一标准大气压下将壶内1kg的水由20℃加热至沸腾,需要加热多少分钟
(3)在1标准大气压下水的沸点是100℃,则水吸收的热量:
Q吸=cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×1kg×(100℃-20℃)=3.36×105J,
消耗的电能 =4.2×105J
当电压为200V时,电热水壶的实际功率:
实际加热时间:t= =420 s=7 min。
例3.如图的所示为现在家庭、宾馆常用的无线电水壶（一种在倒水时导线脱离，用电加热的方便水壶）的名牌。某同学用这种电水壶烧开水，他将水放至最大水量，测得水的初温是20℃，通电5分50秒，水烧开（在一个标准大气压下）。试通过计算，回答下面问题。
（1）算一算此电水壶正常工作时的电流。
（2）该电水壶电热丝的电阻多大？
（3）水所吸收的热量是多少？
（4）现测得电源电压为210伏，算一算此
电水壶工作的效率。
额定电压
220V
额定功率
最大容量
1210W
1L
解：
（1）根据P额=U额I额，得：
I额=
P额
U额
=
1210W
220V
=5.5A
（2）根据
得：
U2额
R
P额=
U2额
P额
R=
=
(220V)2
1210W
=40Ω
（3）m=ρV=1千克/升
1升=1千克
∴Q=CmΔt
*
1千克
*
(100℃-20℃)
=4200焦/(千克. ℃)
=3.36
*
10
5
U2实
(4) P实=
R
(210V)2
=
40Ω
=1102.5W
∴η =
Q
W
Q
P实t
=
3.36
*
10
5
1102.5W
*
350S
=
=0.87=87%
答:略
例4 (2017·岳阳中考)如图甲是一电热饮水机。通过机内温控开关S进行自动控制,实现加热和保温两种功能。电路原理如图乙所示。电源电压恒为220V,当开关S接a时,电路中电流为5.A,当开关S接b时,电路消耗的功率为66W。求:
(1)R1的阻值。
(2)开关S接b时,电路中电流。
(3)该饮水机在保温状态工作100s,R2产生的热量。
例5.如图所示,电源电压为6V,R1=10Ω,R2=20Ω,R3=5Ω.闭合开关S1后，当S2 S3全部闭合、全部断开时，相同时间内电流通过R1产生的热量比为多少。
当开关都闭合时，R3被短路，R1与R2并联，此时R1两端的电压为电源电压U；
当开关S1闭合，S2，S3全部断开时，R2被开路，R1与R3串联，
此时R1：R2=U1：U2=10Ω：5Ω=2：1，则此时R1两端的电压为U1=2/3U，
则Q1/Q2=9：4．
Q=W=U I t =
2
U
R
t
1．电热的利用
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。
三、电热的利用和危害
　　很多情况下我们并不希望导体的温度过高，要设法减少电热。如：电视机的后盖有很多孔，为了通风散热；电脑运行时要用微型风扇及时散热等等。
2．电热的危害
1.电流的热效应是电流通过导体时_____转化成____的现象。电热器是利用电流的_______制成的加热设备。
电能
热能
2.“ 在研究电流产生的热量跟电流的关系”的实验中，应保持_____、_____一定，用__________改变电阻丝的电流。
热效应
整合训练
电阻
时间
滑动变阻器
3. 两个电热器的电阻之比为4︰3，通过相同的电流，在相等的时间里产生的热量之比为_____；若两个电热器的电阻相同，通过的电流强度为1︰3，在相等的时间里产生的热量之比为______。
4︰3
1︰9
4．当0.2安的电流通过一金属线时产生的热量为Q1，若使通过的电流增加到0.4安时，在相同的时间内产生的热量为Q2，那么Q2是Q1的（ ）
A. 2倍　B. 4倍　C. 0.25倍　D. 0.5倍
B
5.一根100Ω的电阻丝通过的电流是2A，它的电功率是____W，通电1min时产生的热量是_______J。
400
24000
6、一个电热器，当通过它的电流是2A时，每min产生2.64×104 J热量．求该电热器的电功率和它工作时的电阻值．
7.一根60 的电阻丝接在36V的电源上,
在5min内共产生多少热量？
解：
通过电阻丝的电流为：
U
I=
__
R
=
36V
60
=0.6A
电流产生的热量为：
Q=I2Rt=(0.6)2×60×5×60J=6480J
1．纯电阻电路：当电流通过导体时，电能全部转化为内能，那么电流产生的热量Q 就等于消耗的电能W，
W = Q
2．非纯电阻电路：当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能：
＞
四、电功和电热关系
电能 内能+机械能
UIt = I2Rt
I=U/R
W
Q
UIt
I2Rt
＞
I＜U/R
说明：欧姆定律不适用于非纯电阻电路！
计算电功普适公式：W=UIt
计算电热普适公式：Q=I2Rt
（2）公式：P热 = Q/t = I2R
热功率（P热）：
（1）定义：在单位时间内，电流通过导体产生的热量
（3）单位：W ，kW
注意：1、电功率与热功率的区别
电功率是指在这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压U和通过的电流I的乘积。
热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，决定于通过这段电路的电流的平方和电阻R的乘积。
2、电功率与热功率的联系
在纯电阻电路时，电功率与热功率相等。即P=P热
纯电阻电路:
非纯电阻电路:
电能(W) → 内能(Q)
电能(W) → 内能(Q)+机械能
I2Rt
UIt
=
I=U/R
电功 = 电热
：W=Q
= UIt
=I2Rt
=U2t/R
电功率=热功率：P =P热 = UI = I2R = U2/R
M
（W - Q）
UIt
＞ I2Rt
I＜U/R
电功：W= UIt
电热：Q=I2Rt
电功率：P=UI
热功率：P热=I2R
电功等于电热
电功大于电热
P= P热+P机
在电源电压不变的前提下，增加电炉的电热丝在相等时间内产生的热量，可采取的措施是（　）
A．增大电热丝的电阻
B．减小电热丝的电阻
C．在电热丝上并联电阻
D．在电热丝上串联电阻
B
“220 V,66 W”的电风扇，线圈的电阻为20 Ω，接在220 V电路中使用。
求：（1）电风扇消耗功率转化为机械能的功率和发热功率．
（2）如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热功率．　
解析：（1）电风扇工作时，其电路不是纯电阻电路，它从电源获取的电功率一部分转化为线圈的发热功率，另一部分转化为扇叶转动时的机械功率．它们三者之间的关系为：
P电＝P热＋P机．
其中P电＝UI，P热＝I2R.
电风扇接在220 V电压下正常工作，电流大小为
I额＝P额/U额＝66W/220V＝0.3 A
发热功率为P热＝I2R＝(0.3A)2×20 Ω＝1.8 W
转化为机械能的功率为
P机＝P电－P热＝66 W－1.8 W＝64.2 W
（2）电扇的扇叶被卡住不能转动，电机相当于纯电阻，电能全部转化为内能，通过电扇的电流为
I′＝U/R＝220V/20Ω＝11 A
电机消耗的功率P′等于发热功率P热′，即
P′＝P热′＝I′U＝11A×220 V＝2 420 W
这时电机将被烧坏．
练习
1、一台电动机正常工作时线圈两端的电压为380V，线圈的电阻为2Ω ，通过线圈的电流为10A.这台电动机正常工作时，1s消耗的电能为 J，产生的热量为 J.
3800
200
2、有两根金属电阻丝，电阻分别为5Ω和15Ω，将它们串联后接在一个电源两端，它们的电压之比为_____，在相同的时间内产生的热量之比为______； 如果将它们并联同一电源两极间，通过它们的电流之比为 ____ ，在相等的时间内产生的热量之比为 ____ .
1∶3
1∶3
3∶1
3∶1
3、在两根横截面积相同、长度不同的镍铬合金线两端分别加上相同的电压，那么下列说法 中正确的是（ ）
A.长的镍铬合金线电阻较大，相同时间内产生的热量较多
B.短的镍铬合金线电阻较大，相同时间内产生的热量较多
C.长的镍铬合金线电阻较大，相同时间内产生的热量较少
D.短的镍铬合金线电阻较小，相同时间内产生的热量较少
C
4、一根电阻丝接在电压U=5V的电源上，在1s内产生的热量是2J，要让该电阻（其电阻大 小恒定不变）产生8J的热量，可采用的办法是（ ）
A.使电源电压变为10V，通电时间仍为1S
B.使电源电压仍为5V，通电时间变为2S
C.使电源电压变为20V，通电时间仍为1S
D.使电源电压变为10V，通电时间变为2S
A
5、如图所示，a、b相同容器中分别装有相同质量的水，水中的电阻丝的阻值分别 为R1和R2，且R1＜R2，则闭合开关S后，a、b容器中水温上 升较快的是( )
A. a容器中的水
B. b容器中的水
C. a、b容器中的水温上升的快慢一样
D.无法判断
B