15.4第2课时焦耳定律(要点讲解+当堂检测+答案)

沪粤版物理九年级上册同步学案
第十五章　电能与电功率
15.4　探究焦耳定律
第2课时　焦耳定律
要 点 讲 解
要点一　焦耳定律
1. 内容：电流流过导体时产生的热量，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。
Q表示电流通过导体时产生的热量，单位是J；I表示通过导体的电流，单位是A；R表示导体的电阻，单位是Ω；t表示通电时间，单位是s。
3. 导出公式：Q＝Pt；Q＝UIt；Q＝t。这三个公式只适用于电能全部转化为内能的情况；也就是电流所做的功全部用来产生热量的纯电阻电路中。
焦耳定律公式Q＝I2Rt是由实验总结出来的，只要有电流通过导体，都可以用它来计算电流所产生的热量。不论电流通过导体时是否转化为其他形式的能，只要发热，发热的多少都可以用这一公式来计算。另外，公式中的各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的，且公式中各量的单位都要统一成国际单位。
经典例题1　新型电饭锅采用“聪明火”技术，智能化地控制食物在不同时间段的温度，以得到最佳的营养和口感，其简化电路如图甲所示。R1和R2均为电热丝，S1是自动控制开关，煮饭时，把电饭锅接入220V电路中，在电饭锅工作的30min内，电路中总电流随时间变化的图像如图乙所示。求：
甲 乙
(1)S和S1都闭合时电饭锅的电功率；
(2)电热丝R2的阻值；
(3)这30min内电饭锅产生的热量。
解：(1)S和S1都闭合时，两电阻并联，由乙图可知，此时的电流为3A，则电饭锅的电功率为P＝UI＝220V×3A＝660W。
(2)由乙图可知，在10～15min时间内，电路中的电流为2A，则此时电阻R2停止工作，通过R1的电流I1＝2A；根据并联电路的电流特点可知，通过R2的电流为I2＝I－I1＝3A－2A＝1A；R2的阻值为R2＝＝＝220Ω。
(3)由乙图可知，在30min时间内，加热功率为660W的共15min，另外15min的功率为P1＝UI1＝220V×2A＝440W，则30min时间内电饭锅产生的热量为Q＝Pt＋P1t1＝660W×15×60s＋440W×15×60s＝9.9×105J。
要点二　电流热效应的应用与控制
1. 电热的应用：电热器是利用电热的主要设备，它是利用电流的热效应制成的。电热器的主要工作部分是发热体，发热体需要用电阻大、熔点高的金属导体制作。电热水器、电饭锅、电熨斗、养鸡场的电孵化器等，它们都是电热器。
2. 电热的控制：对于不需要热量的用电器，电热就是一种浪费甚至会造成危害，因此就有必要把这部分热量散发出去。如电视机后盖上开了很多孔，电动机的外壳有很多翼状散热片，使用时与轴相连的扇叶向散热片吹风，电冰箱外有散热器，电脑既有散热窗又有电风扇等，这都是为了把电热及时散发出去的装置。
易错易混警示　计算电功和电热的公式混用
1. 电功和电热的关系
电功和电热是有区别的。电流所做的功全部用来产生热量的电路，叫做纯电阻电路，在此电路中，电功等于电热，即W＝Q。日常生活中，纯电阻的用电器有白炽灯、电热器等。
如果电流所做的功只有一部分用来产生热量，如电动机，电流通过电动机做功，既产生机械能又产生热量，所以在此电路中，电功大于电热，即W>Q。
2. 公式的选用
在纯电阻电路中，计算电流产生的热量时，前面我们所学的计算电功的公式都可以用于计算电热，即Q＝W＝Pt＝t＝UIt＝I2Rt；而在非纯电阻电路中，计算电功时用W＝UIt，计算电热时用焦耳定律Q＝I2Rt。
经典例题2　在计算电动机工作时的电功率时，小杰和小施产生了不同意见。小杰利用公式P＝UI计算电动机的电功率，小施利用P＝I2R来计算电动机的电功率。(已知电动机线圈电阻为R，电动机工作时两端的电压为U，通过电动机的电流为I)
(1)请你判断这两位同学计算电动机的电功率的方法是否正确，并说明理由。
(2)求这台电动机在时间t内，电动机线圈产生的热量。
(3)求电动机在时间t内所做的机械功。
解析：含有电动机的电路是非纯电阻电路，电流通过电动机做的功大部分转化为机械能，只有小部分转化为内能，从能量转化的角度考虑，电流通过电动机消耗的电功率包含机械功率和发热功率，小杰计算的电功率为总功率，而小施计算的电功率只是发热功率，电流通过电动机线圈产生的热量根据焦耳定律可得Q＝I2Rt，而电动机消耗的电能可以通过W电＝UIt来计算，电动机所做的机械功W机械功＝W电－Q。
解：(1)小杰正确，小施不正确。因为P＝I2R是线圈的发热功率，而电动机正常工作时的电能没有全部转化为内能，所以利用P＝I2R来计算电动机的电功率是不正确的。　(2)Q＝I2Rt　(3)W机械功＝W电－Q＝UIt－I2Rt。
当 堂 检 测
1. 电冰箱、电视机、电风扇等用电器的后面分别装有铁片或制成空格状，这样做的目的是(　　)
A. 为了用电器的美观 B. 为了防止用电器漏电
C. 为了防止用电器聚集热量 D. 为了节约用电器的制作材料
2. 关于电流通过导体时产生的热量，以下说法正确的是(　　)
A. 根据Q＝I2Rt可知，电阻越大，相同时间内产生热量越多
B. 根据Q＝t可知，电阻越大，相同时间内产生热量越少
C. 根据Q＝UIt可知，相同时间内，电流产生热量与电阻无关
D. 根据Q＝I2Rt可知，在电流一定时，电阻越大，相同时间内产生热量越多
3. 下列情况中，属于利用电流热效应的是(　　)
A. 电脑主机安装散热窗
B. 电脑主机板上安装有电风扇
C. 家用电器长时间不使用，驱潮时通电一段时间即可
D. 抽油烟机工作时
4. 将两电热丝R1、R2串联起来，接在电路中，如图所示，若R1>R2，则先被点燃的火柴是(　　)
A. 电热丝R1上的火柴 B. 电热丝R2上的火柴
C. 两电热丝上的火柴同时被点燃 D. 无法确定
5. 将阻值为40Ω的电阻丝接在电源两端，通电10min，电流产生的热量是1.5×103J，若将阻值为10Ω的电阻丝接入同一电源的两端，通电10min，电流产生的热量是(　　)
A. 1.5×103J B. 3.15×103J C. 7.5×103J D. 6.0×103J
6. 小红家买了一台电烤箱，有高、中、低三个档位的发热功率。如图所示是其内部简化电路图。开关S1可分别与触点a、b接触。已知R1＝60.5Ω，R2＝121Ω，电源电压保持不变。当开关S1置于b端，S2断开时，电烤箱处于 档位；电烤箱在中档位工作时，消耗的电功率是 W；电烤箱在高档位工作时，对食物加热5min，消耗的电能是 J。

第6题 第7题
7. 如图所示，是洋洋同学探究焦耳定律的部分实验装置。已知R甲＝5Ω，R乙＝10Ω，在探究电流通过导体产生的热量与电阻大小的关系时，应将两电阻丝 联在电路中。若电路中的电流为0.3A，则甲电阻丝在1min内产生的热量为 J。
8. 某校物理实践活动小组在老师的指导下，组装了一台电动机。测得铜线圈的电阻为10Ω，在电压为220V时测试，1min内通过的电流为4A。
(1)1min内电流通过线圈产生的热量是多少J?
下面是小明同学关于此问题的解答过程。
解：Q＝W＝UIt＝220V×4A×1×60s＝5.28×104J。
答：该时间内线圈产生的热量是5.28×104J。
上述解答过程是否正确？请你作出判断并说明理由。
(2)该电动机输出的功率有多大？(不计机械摩擦等)要求写出详细的计算过程。
当堂检测参考答案
1. C 2. D 3. C 4. A 5. D
6. 低 800 3.6×105
7. 串 27
8. 解：(1)不正确，电流通过电动机做功，绝大部分电能转化为机械能，只有极少部分电能转化为内能，产生的热量只能用Q＝I2Rt来计算。
(2)电动机消耗的总功率：P总＝UI＝220V×4A＝880W，电热丝发热功率P热＝＝＝I2R＝(4A)2×10Ω＝160W，则输出功率：P输＝P总－P热＝880W－160W＝720W。