16.4科学探索：电流的热效应(要点讲解+当堂检测+答案)

沪科版物理九年级上册同步学案
第十六章　电流做功与电功率
第四节　科学探索：电流的热效应
要 点 讲 解
要点一　电流的热效应
1. 定义：电流通过导体时电能转化为内能的现象叫做电流的热效应。例如，工厂里利用电热炼钢，家庭利用电热来烧水、做饭、取暖等。
2. 能量转化：在电流的热效应现象中，电能转化为内能。
3. 影响电流热效应的因素：电流大小、电阻大小、通电时间的长短。
4. 探究实验：电流产生的热量与哪些因素有关
(1)探究电流产生的热量与通电时间是否有关
实验方法：将一段电阻丝浸泡在煤油中后连入电路，保持电流的大小不变，每间隔一定时间记录一次温度计的示数，并填写到设计好的表格中。
实验结论：对同一电阻丝，在电流大小不变的情况下，通电时间越长，煤油的温度越高，表明电流产生的热量越多。
(2)探究电流产生的热量与电流大小是否有关
实验方法：取质量、温度均与上述实验初始状态相同的煤油，仍然将同一段电阻丝浸泡在煤油中后连入电路，闭合开关，调节滑动变阻器，增大通过电阻丝的电流，通电时间与前次相同，记录煤油的温度。
实验结论：对同一电阻丝，在通电时间相同的情况下，通电电流越大，煤油的温度越高，表明电流越大，产生的热量越多。
(3)探究电流产生的热量与电阻大小是否有关
实验方法：取质量、温度均与上述实验初始状态相同的两瓶煤油，将两段阻值不同的电阻丝分别浸泡在两瓶煤油中后连入电路，闭合开关，通电时间与前次相同，记录两瓶煤油的温度。
实验结论：在通电电流大小不变，通电时间相同的情况下，电阻越大，煤油的温度越高，表明电阻越大，电流产生的热量越多。
经典例题1　将规格都是“220V　180W”的一台电冰箱、一台电风扇和一床电热毯，分别接入同一家庭电路中，若通电时间相同，则下列说法正确的是(　　　)
A. 电冰箱产生的热量最多 B. 电风扇产生的热量最多
C. 电热毯产生的热量最多 D. 三者产生的热量一样多
解析：三个用电器的电功率相同，通电时间相同时，所消耗的电能相同。电冰箱与电风扇工作时，主要把电能转化为机械能，产生的热量很少；电热毯工作时电热丝产生热量，把电能全部转化为内能。所以，产生热量最多的是电热毯。故选C。
答案：C
点拨：电流做功的过程实质上就是电能转化为其他形式能的过程，会分析常见用电器的能量转化是解决此类问题的关键。
要点二　焦耳定律
焦耳定律是英国物理学家焦耳在1840年通过大量的实验探究发现的。
1. 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。
2. 公式：Q＝I2Rt。
Q表示电流通过导体产生的热量，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。
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，即焦耳定律适用于任何用电器产生热量的计算。
3. 在仅有电流热效应存在的电路(纯电阻电路)中，电能全部转化成了内能，而没有转化为其他形式的能，这时电流产生的热量等于电流所做的功，即Q＝W；此时焦耳定律也可写作Q＝UIt＝t，特别是利用Q＝t解决某些问题时比较方便，但必须注意它只适用于纯电阻电路。若对于电能没有全部转化为内能的非纯电阻电路，如含有电动机的电路，因为Q经典例题2　要使某电炉在相等时间内产生的热量增加为原来的2倍，则可采取的措施是(　　　)
A. 使通过它的电流变为原来的2倍 B. 使加在它两端的电压变为原来的2倍
C. 使电炉丝的电阻变为原来的2倍 D. 使电炉丝的电阻变为原来的
解析：电炉丝是纯电阻，电能全部转化为内能，因此Q＝W＝UIt＝＝I2Rt均适用。在解决此类问题时，一般从选择的方式看，看是什么量在影响电热的变化，然后分析这些量应该达到什么样的变化程度。R和t不变，I变为原来的2倍时，根据Q＝I2Rt可知Q就变为原来的4倍，故A错误；R和t不变，U变为原来的2倍时，根据Q＝可知Q也变为原来的4倍，故B错误；U和t不变，R变为原来的2倍，根据Q＝可知Q变为原来的，故C错误；U和t不变，R变为原来的时，根据Q＝可知Q变为原来的2倍，故D正确。
答案：D
易错易混警示　将电功率与发热功率相混淆
P热＝I2R是电流的发热功率计算公式，P＝UI是电流做功的功率公式，如果电流通过用电器做功时，将电能全部转化为内能，即只有热效应，例如：电烙铁、电熨斗、电炉子、电饭锅、电烤箱、电热水器、电孵化器等，则有P热＝P，即两公式计算结果是等效的，因此，两个计算公式可以通用。
如果电流通过用电器做功时，将电能同时转化为几种形式的能，例如：电风扇工作时，电能主要转化为动能，同时也有一部分电能转化为内能，此时，P＝UI和P热＝I2R是不等效的，正确关系为：P＝UI＝P热＋P动＝I2R＋P动。
经典例题3　白炽灯、电烙铁、电风扇上都标有“220V　6W”字样，它们都正常工作1h，产生热量最小的是(　　　)
A. 白炽灯　　 B. 电烙铁 C. 电风扇 D. 一样多
解析：因为白炽灯、电烙铁是电热器，是利用电流热效应工作的，电烙铁把电能完全转化为内能，白炽灯把大部分电能转化为内能，而电风扇通电后主要是把电能转化为动能，少部分转化为内能。
答案：C
当 堂 检 测
1. 用焦耳定律公式Q＝I2Rt计算电流产生的热量，这个公式适用于(　　)
A. 纯电阻性用电器，如白炽灯、电炉等 B. 电动机、电风扇等家用电器
C. 电解、蓄电池充电等 D. 对任何用电器都适用
2. 利用电流热效应工作的用电器是(　　)
A. 电风扇 B. 电脑 C. 电冰箱 D. 电水壶
3. 如表列出了一些导体材料的信息。现有长度和横截面积都相同的锰铜合金丝甲和镍铬合金丝乙各一根，若将它们串联后接到电路中，不计温度对电阻的影响，则在相同时间内它们产生的热量之比Q甲∶Q乙为(　　)
几种长1m，横截面积1mm2的导体材料在20℃时的电阻
材料
电阻R/Ω
铁
0.096
锰铜合金
0.44
镍铬合金
1.1
A. 1∶1 B. 2∶5 C. 5∶2 D. 4∶1
4. 如果电视机、电烙铁和电风扇上都标有“220V　60W”的字样，它们都在额定电压下工作相同的时间，三个用电器产生的热量是(　　)
A. 电视机最多 B. 电烙铁最多 C. 电风扇最多 D. 一样多
5. 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，相同时间内产生的热量越多
B. 根据Q＝t可知，电阻越大，相同时间内产生的热量越少
C. 根据Q＝UIt可知，相同时间内，电流产生的热量与电阻无关
D. 根据Q＝I2Rt可知，在电流一定时，电阻越大，相同时间内产生的热量越多
6. 夏天常用的电热驱蚊器是利用电流的 效应工作的，与电灯、电风扇等其他家用电器是 联在电路里的，其发热元件正常工作时的电阻为8800Ω，接在家庭照明电路中，正常工作100s产生的热量是 J。
7. 把一个电阻为44Ω的电炉接入电压为220V的电路中，通电10min产生的热量为 J。连接家庭电路时，要注意检查线路连接处接触情况。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”)。
8. 如图所示，电源电压为6V，电阻R0＝10Ω，电流表量程为0～0.6A，电压表量程为0～3V，滑动变阻器上标有“20Ω　0.5A”字样。则当电路中电流最小时，2min内电流通过电阻R0产生的热量是 J；为了保证电路安全，滑动变阻器R接入电路的最小阻值为 Ω。
9. 电动机是一种使用广泛的动力机械。从能量转化的角度看，它主要是把电能转化为机械能，还有一部分能量在线圈中以热量的形式散失掉。现有一台电动机，当电动机两端加220V电压时，通过电动机线圈的电流为30A。问：
(1)每分钟该电动机消耗的电能是多少？
(2)已知电流通过导体时产生的热量Q＝I2Rt(其中I、R和t分别表示通过导体的电流、导体的电阻和通电时间)，若该电动机线圈的电阻是0.4Ω。则线圈每分钟产生的热量是多少？
当堂检测参考答案
1. D 2. D 3. B 4. B 5. D
6. 热 并 550
7. 6.6×105 更大
8. 48 10
9. 解：(1)W＝UIt＝220V×30A×60s＝3.96×105J。　
(2)Q＝I2R′t＝(30A)2×0.4Ω×60s＝2.16×104J。