18.4 焦耳定律 课件 (共43张PPT)2023-2024学年物理人教版九年级全一册

(共43张PPT)
焦耳定律
第4节
第十八章　电功率
1.指出下列用电器工作时的能量转化。
(1)电饭锅： 能转化为 能。
(2)电动车： 能转化为 能。
(3)电视机： 能转化为 能。
电
内
电
机械
电
光
2.我们看到取暖器电热丝逐渐发红变亮，产生热量而导线却不怎么热，为什么呢？
提示　电热丝与导线串联，电热丝与导线中的电流大小相等，而电热丝的电阻远大于导线的电阻，在电流和通电时间一定时，电阻越大产生的热量越多，所以电热丝比导线热。
一、电流的热效应
1.提出问题：生活中很多用电器，例如取暖器，通电以后会产生热量。这是电流的哪种效应？ 电流通过导体时产生热量的多少跟哪些因素有关？请同学们提出合理猜想。
提示　电流通过导体时，导体要发热，电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应。电流通过导体时产生热量的多少与电流的大小，电阻的大小，通电时间的长短等因素有关。
2.设计实验
(1)通过我们的猜想电流产生的热量可能与多个因素有关，应该采用什么探究方法？
提示　控制变量法
(2)有两种比较电流产生热量的方案如图，你选哪种？说出你的理由。
方案一：电阻丝加热密封容器中的空气， U形管中液面形成液面差，液面差越大，产生的热量越多。
方案二：烧瓶内装有煤油，电阻丝产
生热量会使温度升高，用温度计测量
温度；温度越高，产生的热量越多。
提示　方案一，加热空气比加热煤油快，便于观察节约时间。
3.进行实验
实验一：探究产生热量Q与电阻R的关系
(1)当探究产生热量Q与电阻R的关系时，如何控制变量呢？一个10 Ω、两个5 Ω的电阻丝，我们怎么选？
提示　应让电流、通电时间一样，改变电阻的大小；选一个5 Ω和一个10 Ω的电阻。
(2)怎样控制通过两个电阻的电流、通电时间一样？
提示　将两个电阻串联。
(3)实验时观察哪边电阻的液面差明显？能否说明哪边电阻产生的热量多？ 可以得到什么结论？
提示　10 Ω的电阻液面差大　电阻大的产生热量多
结论：当通过导体的电流和通电时间相同时，导体的电阻越大，电流产生的热量越多。
实验一：探究产生热量Q与电阻R的关系
实验二：探究产生热量Q与电流I的关系
(1)当探究产生热量Q与电流I的关系时，如何控制变量呢？
提示　让电阻、通电时间一样，改变通过电阻的电流大小
(2)有10 Ω、5 Ω的电阻丝若干，我们怎么选？请设计电路图并说明为什么这样设计。
提示　选三个相同的电阻丝，两个电阻丝并联后再和第三个串联如图。既能控制电阻和通电时间相同，又能控制通过电阻的电流不同。
(3)进行实验观察到什么现象？说明什么问题？可以得到什么结论？
提示　实验现象：左边液面差明显　电流大的产生热量多
结论：当导体的电阻和通电时间相同时，通过导体的电流越大，电流产生的热量越多。
实验二：探究产生热量Q与电流I的关系
实验三：探究产生热量与通电时间的关系
在电流、电阻一定的情况下，通电时间越长，液面差越大。
结论：在电流一定的情况下，通电时间越长，电流产生的热量越多。
4.实验结论：当电流通过导体时，电流越 、电阻越 、通电时间越
，产生的热量越多。
大
大
长
实验三：探究产生热量与通电时间的关系
二、焦耳定律
阅读教材第100～101页，完成以下内容。
1.焦耳通过大量的实验精确确定了焦耳定律。请你推导出电流通过导体消耗的电能全部转化为内能时产生的热量Q与电流I、电阻R、时间t的关系。并写出每个物理量对应的国际单位。
提示　电流通过导体时，如果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，等于电流所做的功W，即Q＝W＝UIt。根据欧姆定律得，U＝IR，联立可得，Q＝I2Rt。
Q的国际单位为焦耳(J)，I的国际单位为安培(A)，R的国际单位为欧姆(Ω)，t的国际单位为秒(s)。
2.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？
提示　灯泡的额定电压相同，正常工作的时间相同，根据Q＝W＝ 可知，电阻越小，产生的热量越多，其前提条件是电压相同；电流相同，正常工作的时间相同，根据Q＝I2Rt可知，电阻越大，产生的热量越多，其前提条件是电流相同；所以，在各自的前提条件下，两种说法都是正确的，并不矛盾。
三、电热的利用和防止
阅读教材第101页，完成以下内容。
1.生活中我们是如何利用电热的？
提示　生活中和许多产业中都要用到电热。家里的电熨斗、电饭锅、电热水器等都是利用电热的电器。
2.有时电热会给我们造成什么危害？我们又是如何防止的呢？
提示　电热过多会烧坏用电器，产生很多安全隐患；电视机的后盖有很多孔，就是为了通风散热，使用时一定要把防尘布罩拿开。电脑里安装微型风扇也是为了及时散热。
电热的利用和防止
例1　某学习小组在老师的指导下，探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关。他们用的实验器材如图所示，两个透明容器中密封着等量空气，U形管中液面最初相平，两个密闭容器中都有一段电阻丝。
(1)请你用笔画线代替导线，把图甲两个容器的电阻丝接到电路中。
答案　见解析图　
解析　将滑动变阻器，两相同的透明容器中的U形管，开关，逐一顺次连接即可，滑动变阻的连线要注意一上一下，如图所示。
(2)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________。
转换法
解析　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，这种方法叫转换法。
(3)接好电路，闭合开关，通电一段时间后，______(选填“左”或“右”)侧U形管中液面高度变化大，此实验现象表明，在电流和通电时间均相同的情况下，________越大，所产生的热量越多。
右
电阻
解析　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，密闭空气吸收热量后，体积膨胀，右侧气体膨胀更大所以右侧U形管中的液面高度变化大。
(4)让两个密闭容器中的电阻一样大，在其中一个容器的外部将一个相同阻值的电阻和这个容器内的电阻并联(如图乙所示)。移走图甲中的电阻，换接图乙中的电阻到电路中，重新做这个实验。此时通过两容器中电阻的电流不同，在通电时间相同的情况下，观察U形管中液面高度变化，由此得到的结论是_______________________________________________
___________。
的热量越多
在电阻和通电时间相同的情况下，电流越大，产生
解析　在题图乙中两个5 Ω的电阻并联后与一个5 Ω
的电阻再串联，根据串联电路的电流特点可知，右
端两个电阻的总电流和流过左端的电阻电流相等，
即I右＝I左，两个5 Ω的电阻并联，根据并联电路的
电流特点知I右＝I1＋I2，两电阻阻值相等，则支路
中电流相等，I1＝I2，所以右侧容器中通过电阻的电流是左侧容器中电流的一半，观察U形管液面高度变化；实验结论为：在电阻和通电时间相同的情况下，电流越大，产生的热量越多。
(5)如果热量用Q表示，电流用I表示，电阻用R表示，时间用t表示，则Q＝_____。
I2Rt
解析　由焦耳定律可知，Q＝I2Rt。
解析　
例2　如图所示，R1＝2 Ω，R2＝4 Ω，电源电压
为12 V。求：
(1)电路中的电流为多少？
答案　2 A　
解析　解法1　U1＝I1R1＝2 A×2 Ω＝4 V。
又因为U＝U1＋U2，所以U1＝4 V。
(2)电阻R1两端的电压为多少？
答案　4 V
解析　解法1　U2＝I2R2＝2 A×4 Ω＝8 V。
解法2　U2＝U－U1＝12 V－4 V＝8 V。
又因为U＝U1＋U2，所以U2＝8 V。
(3)电阻R2两端的电压为多少？
答案　8 V
解析　解法1　1 min＝60 s，Q1＝W1＝UIt＝4 V×2 A×60 s＝480 J。
解法2　1 min＝60 s，Q1＝I12R1t＝(2 A)2×2 Ω×60 s＝480 J。
(4)在1 min内，电阻R1产生的热量是多少？
答案　480 J
解析　解法1　1 min＝60 s，Q2＝W2＝UIt＝8 V×2 A×60 s＝960 J。
解法2　1 min＝60 s，Q2＝I22R2t＝(2 A)2×4 Ω×60 s＝960 J。
(5)在1 min内，电阻R2产生的热量是多少？
答案　960 J
1.1840年英国物理学家________最先精确地确定了电流通过导体产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系，其表达式为：Q＝________。
焦耳
I2Rt
2.在相等的时间内，电热丝甲比电热丝乙放出的热量多，则(　　)
A.甲的电阻一定比乙的电阻大
B.甲两端的电压一定比乙两端的电压大
C.甲消耗的电功率一定比乙消耗的电功率大
D.通过甲的电流一定比通过乙的电流大
C
3.(2023·枣庄改编)在探究电流通过导体产生热量的多少与什么因素有关的实验中。某兴趣小组猜想：电流通过导体产生的热量可能与通过导体的电流、导体的电阻和通电时间有关，于是他们利用甲、乙、丙三个装置进行实验探究，如图所示，三个装置的透明容器中各有一段电阻丝，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。
(1)要探究电热与电阻的关系，应选用________组合，并将它们________接到电源两端进行实验。
甲、乙
串联
解析　要研究电热与电阻的关系，需要控制通过电阻的电流与通电时间相同，而电阻的阻值不同，因此选用甲和乙组合，将它们串联接到电源两端进行实验。
(2)选用乙、丙组合，串联接到电源两端进行实验，在通电时间相同的情况下，发现乙装置U形管中液面高度变化大，由此可得到的结论是：在电阻相同、通电时间相同的情况下，______________________________
__________。
通过导体的电流越大，产生的热
量越多
解析　选用乙、丙组合，串联在电路中，此时丙装置中两个电阻并联后再与乙装置中的电阻串联，由并联电路的电流特点可知通过乙装置中5 Ω电阻的电流大于通过丙装置中5 Ω电阻的电流，当在通电时间相同的情况下，发现乙装置U形管中液面高度变化大，可知气压差越大，温度差越大，热量越多，可以得出的结论是：在电阻和通电时间相同时，通过导体的电流越大，产生的热量越多。
4.一根60 Ω的电阻丝接在36 V的电源上，在5 min内共产生多少热量？
解析
根据焦耳定律可得，电流产生的热量为Q＝I2Rt＝(0.6 A)2×60 Ω×5×60 s＝6 480 J。　
答案　6 480 J
5.一台电动机正常工作时线圈两端的电压为380 V，线圈的电阻为2 Ω，通过线圈的电流为10 A，若这台电动机正常工作1 s，求：
(1)消耗的电能W；
解析　W＝UIt＝380 V×10 A×1 s＝3 800 J。
答案　3 800 J　
(2)产生的热量Q。
解析　Q＝I2Rt＝(10 A)2×2 Ω×1 s＝200 J。
答案　200 J