18.4 焦耳定律(1)
【课时衔接】
1.(测量小灯泡电功率)在测量小灯泡电功率的实验中,已知灯泡额定电压U额=2.5 V,电源电压保持不变。
(1)用笔画线代替导线把图甲电路连接完整。
(2)调节滑动变阻器,使电压表示数为2.5 V,此时电流表示数(如图乙)为 A,则小灯泡的额定功率是 W。
(3)如果没有电压表,用如图丙所示电路也可测小灯泡的额定功率。其中,定值电阻的阻值为R0。先断开开关S2、闭合开关S和S1,调节滑动变阻器,使电流表的示数为;再保持变阻器滑片的位置不变,只断开开关 、闭合其他开关,读出电流表示数为I,灯泡额定功率的表达式为P额= (用R0、U额、I的代数式表示)。
【基础通关】
2.（真情境）把一根电阻为484 Ω的电炉丝接到家庭电路上,通电120 s,则它产生的热量为
J。连接家庭电路时,要注意检查线路连接处的接触情况,若接触不良,电流通过时产生的热量会更多,容易引起火灾,因为相比接触良好时连接处的电阻 (选填“更大”或“更小”)。
3.（教材变式练）下列现象或装置,①电动机外壳上装散热片,②电视机后罩有许多小孔,③长期不用的电视机,隔段时间通电一次用来驱潮,④电暖手宝,⑤电脑机箱里装有小风扇,其中利用电流热效应的是 ,防止电热带来危害的是 。(填序号)
4.下列实例中,为了防止电热产生危害的是 ( )
A.用电熨斗熨衣服
B.高空飞行员所穿衣服里有电热保温装置
C.电视机的机壳上有许多小孔
D.孵化家禽的电热孵卵机
5.家庭电路中,电功率都是100 W的电烙铁、电视机、电吹风,同时工作相同的时间,产生热量最多的是 ( )
A.电烙铁 B.电视机
C.电吹风 D.不能确定
【素养提升】
6.（真情境）电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫,而连接电炉的导线却不怎么热,原因是 ( )
A.导线散热比电阻丝快
B.通过导线的电流小于通过电阻丝的电流
C.导线的电阻远小于电阻丝的电阻,导线产生的热量很少
D.导线的绝缘皮隔热
7.如图,这是探究“电流通过导体时产生热量与哪些因素有关”的实验装置,两个相同的透明容器中密封着等质量的空气。
甲 乙
(1)实验中,要比较电阻丝产生热量的多少,只需比较与之相连的U形管中 。
(2)甲装置可探究电流产生的热量与 的关系,通电一段时间后 (选填“左”或“右”)侧U形管中液面升高得多。
(3)乙装置中的电阻R3的作用主要是 。
(4)如果乙装置中R3发生了断路,保证电源电压和通电时间相同,与R3正常工作时相比较,则左侧U形管中液面的高度差将 (选填“变大”、“变小”或“不变”)。
8.（素养拓展练）图示为“探究焦耳定律”实验的部分装置,两个相同的透明容器中封闭着等量的空气且经检查气密性良好。两个密闭容器中都有一段电阻丝,图甲表示第一次实验,右边容器中电阻丝的电阻比较大;图乙表示第二次实验,右边容器外并联了一段相同的电阻丝R3。
甲 乙
(1)实验中通过观察两个U形管中液面的 变化来反映密闭容器中空气
的变化,从而判断电阻丝产生 的多少。
(2)如图甲所示,正确连接电路后闭合开关,通电一段时间,观察到右侧U形管液面变化大于左侧U形管液面变化,表明在 和通电时间相同的情况下, 越大,产生的热量越多。
(3)如图乙所示,实验中R3与R2并联,目的是使通过R1与R2的 不同,闭合开关,通电一段时间后会观察到 侧U形管液面变化较大。
9.如图所示的电路中,电源两端电压保持不变,电阻丝R1的阻值为10 Ω。当开关S闭合后,电压表的示数为2 V,电流表的示数为0.4 A。求:
(1)通电10 s电阻丝R1产生的热量;
(2)电源两端的电压。
参考答案
1.(1)
(2)0.28 0.7
(3)S1 U额×(I-)
解析:(1)将变阻器的最大电阻连入电路中,如答图所示。(2)调节滑动变阻器,使电压表示数为2.5 V,电流表选用小量程,分度值为0.02 A,此时电流表示数(如图乙)为0.28 A,则小灯泡的额定功率为P=UI=2.5 V×0.28 A=0.7 W;(3)先断开开关S2、闭合开关S和S1,调节滑动变阻器,使电流表的示数为;再保持变阻器滑片的位置不变,只断开开关S1、闭合其他开关,读出电流表示数为I,此时电流表测小灯泡与定值电阻并联的电流,因电路的连接关系没有改变,各电阻的大小和通过的电流不变,小灯泡仍正常发光,根据并联电路电流的规律求出小灯泡的额定电流为I-;灯泡额定功率的表达式为P额=U额×(I-)。
2.1.2×104 更大
3.③④ ①②⑤
4.C 5.A 6.C
7.(1)液面的高度差 (2)电阻 右
(3)使通过电阻丝R1、R2的电流不同
(4)变小
8.(1)高度 温度 热量
(2)电流 电阻
(3)电流 左
解析:(1)电流通过导体产生的热量无法直接观察到,因此运用转换法,通过观察U形管中液面高度的变化来反映密闭容器中空气温度的变化,从而反映电流通过导体产生热量的多少。(2)在甲装置中,容器中的两个电阻丝串联,则通过它们的电流相同,通电时间也相同,而电阻不同,则甲装置是探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系;右侧电阻阻值大,右侧U形管液面变化大于左侧U形管液面变化,这说明右侧容器内空气吸收的热量多,右侧电阻丝产生的热量多,故结论为在电流和通电时间相同的情况下,电阻越大,产生的热量越多。(3)图乙装置中,R1=R2=R3,其中R3与R2并联后与R1串联,由于并联电路中干路电流等于各支路电流之和,所以通过容器内两个电阻的电流是不同的,故目的是使通过R1和R2的电流不相等,通过R1的电流要大于通过R2的电流;闭合开关,通电一段时间后,在电阻和通电时间相同时,电流越大,产生的热量越多,所以会观察到左侧U形管液面变化较大。
9.(1)解:(1)通电10 s电阻丝R1产生的热量:
Q=I2R1t=(0.4 A)2×10 Ω×10 s=16 J
(2)由I=得,R1两端的电压:
U1=IR1=0.4 A×10 Ω=4 V
根据串联电路电压规律可知,电源电压:
U=U1+U2=4 V+2 V=6 V
218.4 焦耳定律(2)
【课时衔接】
1.(焦耳定律相关计算)当一个电阻的阻值为R时,将它接在电路中通电一段时间,产生的热量为Q。如果要使它产生的热量为4Q,下列办法中可行的是 ( )
A.将电压变为原来4倍,通电时间不变
B.将电阻变为原来2倍,通电时间变为原来
C.将电阻变为原来,通电时间变为原来2倍
D.将电压变为原来,电阻变为原来2倍
【基础通关】
2.如图所示,将R1和R2串联后接在6 V的电源上,R1的阻值为10 Ω,R2的阻值为20 Ω。闭合开关,R1和R2两端电压之比为 ,通电1 min,电阻R1产生的热量为 J。
3.通过一根电阻丝的电流为2 A,通电1 min产生了2.64×104 J的热量,它的电阻是 ( )
A.66 Ω B.6600 Ω
C.110 Ω D.220 Ω
4.（教材变式练）在“探究电流产生的热量与哪些因素有关”实验中:
(1)如图所示,两个密闭的透明容器中装有相等质量的空气,两个容器中的电阻丝R1、R2(R1(2)通电10 s,观察到图中两侧U形管中液面高度的变化不同,这说明:电流产生的热量与 有关。
(3)在研究电流产生的热量与电流的关系时,将一个电阻与电阻丝R2并联,通电10 s,左侧U形管中液面高度的变化比(2)中左侧U形管中液面高度变化 (选填“大”或“小”)。
【素养提升】
5.如图所示,电源两端电压保持不变,电阻R1的阻值为10 Ω,电阻R2的阻值为50 Ω。闭合开关S,电阻R2两端的电压为10 V。求:
(1)电阻R1两端的电压;
(2)通电10 min,电阻R2产生的热量。
6.（素养拓展练）图甲是某款电热饭盒,部分参数如下表,其简化电路如图乙所示,R1、R2均为发热电阻(阻值不随温度变化)。
甲 乙
额定电压 220 V
额定功率 低温挡 48.4 W
高温挡 400 W
(1)开关S接触1时,电热饭盒处于高温挡还是低温挡
(2)电热饭盒正常工作时,利用高温挡将质量为1 kg、初温为20 ℃的汤加热至50 ℃,需要多少时间 [c取4.0×103 J/(kg·℃),不考虑热损耗]
(3)求R2的阻值。
7.（素养拓展练）某品牌家用电热水器的简化电路如图所示,热水器有快加热、慢加热和保温三个工作状态。热水器内装有40 kg的水,慢加热额定功率为1210 W,保温额定功率为605 W,R1、R2均为加热电阻。[温度对电阻的影响忽略不计,水的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃)]
(1)电热水器把水从25 ℃加热到75 ℃时,求水吸收的热量。
(2)开关S1闭合,S2接b点时,电热水器处于慢加热工作状态,求电阻R1的阻值。
(3)电热水器在快加热工作状态下正常工作,要产生2.42×106 J的热量,需要多少分钟
参考答案
1.C
2.1∶2 24
3.C
4.(1)电流 电阻丝产生的热量的多少
(2)电阻
(3)大
5.解:由电路图可知,R1与R2串联。
(1)因串联电路中各处的电流相等,
所以,电路中的电流:
I===0.2 A
则电阻R1两端的电压:
U1=IR1=0.2 A×10 Ω=2 V
(2)通电10 min,电阻R2产生的热量:
Q=I2R2t=(0.2 A)2×50 Ω×10×60 s=1200 J
6.解:(1)分析电路图可知,当开关S接1时,R1、R2串联,当开关S接2时,R2被断路,电路只有R1工作;根据串联电路的电阻特点可知,当开关S接1时,R1、R2串联,此时电路总电阻最大,根据P=可知,此时电路功率最小,处于低温挡。
(2)汤吸收的热量:
Q吸=cm(t-t0)=4.0×103 J/(kg·℃)×1 kg×(50 ℃-20 ℃)=1.2×105 J
不考虑热损耗,则W=Q吸=1.2×105 J,
由P=可知,加热需要的时间:
t===300 s
(3)当开关S接2时,R2被断路,电路只有R1工作,此时为高温挡,由P=可知,电阻R1的阻值:
R1===121 Ω
当开关S接1时,R1、R2串联,此时为低温挡,由P=可知,电路中的总电阻:
R===1000 Ω
根据串联电路的电阻特点可知,电阻R2的阻值:
R2=R-R1=1000 Ω-121 Ω=879 Ω
7.解:(1)水需要吸收的热量:
Q=cm(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×40 kg×(75 ℃-25 ℃)=8.4×106 J
(2)开关S1闭合、S2接b时,电路为R1的简单电路,电热水器处于慢加热挡,由P=UI=可得,电阻R1的阻值:
R1===40 Ω
(3)开关S1断开、S2接b时,R1与R2串联,电路中电阻最大,总功率最小,电热水器处于保温挡,此时电路的总电阻:
R串===80 Ω
因串联电路中总电阻等于各分电阻之和,所以,R2的阻值:
R2=R串-R1=80 Ω-40 Ω=40 Ω
开关S1闭合、S2接a时,R1与R2并联,电路中电阻最小,总功率最大,电热水器处于快加热挡;
由并联电路的电阻特点可知:
=+=+
解得R并=20 Ω,
则快加热功率:
P快===2420 W
由题意可知,W=Q=2.42×106 J,
由P=可知,用快加热所用的时间:
t快===1000 s
2
