三、电热器 电流的热效应
第1课时 电热器和电流的热效应 焦耳定律
知识点 1 电热器 电流的热效应
1．如图15－3－1所示的用电器中，利用电流的热效应工作的是( )
图15－3－1
2．从能量关系看，电流通过“电炉”“电水壶”时，将电能转化为________能，这两个用电器________(选填“是”或“不是”)电热器，它们的工作原理是______________________________．
知识点 2 探究影响电流热效应的因素
3．小明利用如图15－3－2所示的实验装置探究“导体产生的热量与电阻大小的关系”．甲、乙两瓶中装有质量与初温都相同的煤油，甲瓶中电阻丝的电阻比乙瓶中电阻丝的电阻小．
图15－3－2
(1)实验中煤油吸热的多少是通过____________(选填“温度计示数”或“加热时间”)来反映的．
(2)为了在较短的时间内达到明显的实验效果，小明选用煤油而不用水做实验，是因为煤油的比热容________(选填“大于”或“小于”)水的比热容．
(3)通电一段时间后，乙瓶中的温度计示数升高得快，由此得出的实验结论是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(4)该实验中用到的研究物理问题的方法有__________法和__________法．
知识点 3 焦耳定律
4．某阻值为4 Ω的定值电阻，通过它的电流为0.5 A，则1 min产生的热量是( )
A．2 J B．30 J C．60 J D．120 J
5．某一电阻通过2 A的电流时，在某段时间内放出的热量为Q，如果通过它的电流为6 A，在相同的时间内放出的热量为( )
A．3Q B．4Q C．6Q D．9Q
6．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
7．电炉丝通过导线接到电路中，电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热，是因为电炉丝的________比导线大得多，根据焦耳定律可知，在__________________相同时，电炉丝产生了更多的热量．
知识点 4 电功与电热的关系
8．一台线圈电阻为2 Ω的电动机，接在12 V的电源上时，通过电动机的电流为0.5 A，在2 min内电动机消耗的电能是__________J，电动机线圈中产生的热量是________J，转化成的机械能是________J。
9．将规格都是“220 V 100 W”的一台电风扇、一台电视机和一把电烙铁分别接入家庭电路中，通电时间相同，下列说法正确的是( )
A．三个用电器产生的热量一样多
B．电风扇产生的热量最多
C．电视机产生的热量最多
D．电烙铁产生的热量最多
10．计算电流通过电风扇产生的热量，下列公式选用正确的是( )
A．UIt B.t
C．I2Rt D．前面三个都可以
11．2018·无锡 用如图15－3－3所示的装置探究影响电流热效应的因素，电阻丝R1和R2分别密封在两只完全相同的烧瓶中，且R1＜R2，瓶中装有质量相等的煤油．下列说法正确的是( )
图15－3－3
A．该装置用来探究电流热效应与电流大小的关系
B．闭合开关后，装R1电阻丝的烧瓶中温度计示数上升较快
C．实验中，通过温度计示数的变化来比较电阻丝产生热量的多少
D．将某一烧瓶中的煤油换成等质量的水，可比较煤油和水的比热容大小
12．小明用如图15－3－4所示的装置探究电流产生的热量与电流的关系，锥形瓶内装有200 g煤油，他先闭合开关，调节滑片P使电流表示数为0.5 A，记录到5 min内温度计示数升高了5 ℃，则煤油吸收的热量为________J；接着他调节滑片P使电流表示数发生改变，观察并记录________温度计示数的变化．对比前后数据，可得出初步结论．利用该装置还可探究电流产生的热量与________的关系．[c煤油＝2.1×103 J/(kg·℃)]
图15－3－4
13．电热器是利用电流的____________来工作的．某发热元件的阻值为420 Ω，通过的电流为1 A，通电10 min产生的热量是________J，这些热量能使2 kg的冷水温度升高________℃.[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
图15－3－5
14．如图15－3－5所示，电源电压为6 V，当S1、S2闭合，S3断开时，电流表示数为0.5 A，则R1的阻值为________ Ω；当S1、S3断开，S2闭合时，电压表示数为3 V，则通过R1的电流________A，电路的总电功率是________W；通电5 min，R2产生的热量是______J.
15．某品牌的电热水壶铭牌如下表所示，电热水壶正常工作时，将水壶中1.0 L的水加热至沸腾．已知室温与水的初温皆为20 ℃，水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)，水的密度ρ水＝1.0×103 kg/m3，大气压为标准大气压．
(1)求水吸收的热量．
(2)通过计算判断，加热时间是否可能为200 s.
型号
LL－8015
额定电压
220 V
额定功率
1360 W
频率
50 Hz
容量
1.0 L
考| 题| 展| 示
16．2019·泰州 下表为某型号电动机的铭牌，求：(1)此电动机的额定电流。
(2)此电动机正常工作10 min所消耗的电能和转化成的机械能．
××牌电动机
型号
JT－44
额定电压
220 V
额定功率
44 W
线圈电阻
100 Ω
制造商：××××
详解详析
1．C
2．内 是 电流的热效应
3．(1)温度计示数 (2)小于
(3)在电流和通电时间相同时，导体电阻越大，产生的热量越多 (4)控制变量 转换
4．C [解析] Q＝I2Rt＝(0.5 A)2×4 Ω×60 s＝60 J.
5．D 6.C
7．电阻 电流和通电时间
8．720 60 660 9.D 10.C
11．C [解析] 由图可知，两电阻丝串联，电流相同，通电时间也相同，但电阻不同，故该实验探究的是电流产生的热量与电阻的关系，故A错误；由焦耳定律Q＝I2Rt可知，电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多，由于R1＜R2，故R2产生的热量多，乙烧瓶中温度计示数上升较快，故B错误；通电后电流通过电阻丝做功，产生的热量使煤油的温度升高，通过观察温度计的示数变化来判断电阻丝产生的热量的多少，这种研究方法称为转换法，故C正确；要比较水和煤油的比热容，则应让水和煤油的质量相等、吸收的热量(加热时间)相等，通过温度的变化大小得出比热容的大小关系，用相同质量的水代替煤油，两瓶中电阻阻值不同，故D错误．
12．2100 5 min内 通电时间
13．热效应 2.52×105 30
14．12 0.25 1.5 225 [解析] 本题考查欧姆定律、电功、电功率以及电热的计算．由图可知，当只闭合S1、S2时，R2短路，R1＝＝＝12 Ω；当只闭合S2时，两电阻串联，电压表测量R2两端的电压，通过R1的电流：
I1′＝＝＝＝0.25 A，R2＝＝＝12 Ω，电路的总电功率：P＝UI1′＝6 V×0.25 A＝1.5 W；通电5 min R2产生的热量：Q＝I′12R2t＝(0.25 A)2×12 Ω×5×60 s＝225 J.
15．(1)水的质量：m＝ρ水V＝1.0×103 kg/m3×1.0×10－3 m3＝1 kg，
水吸收的热量：Q＝c水mΔt＝4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃－20 ℃)＝3.36×105 J.
(2)通电200 s消耗的电能：W＝Pt＝1360 W×200 s＝2.72×105 J，2.72×105 J<3.36×105 J，所以加热时间不可能为200 s.
16．(1)由P＝UI可得，电动机的额定电流：
I额＝＝＝0.2 A.
(2)此电动机正常工作10 min所消耗的电能：W电＝P额t＝44 W×600 s＝2.64×104 J，
这台电动机10 min内产生的热量：Q＝I额2Rt＝(0.2 A)2×100 Ω×600 s＝2400 J；
转化成的机械能：W机＝W电－Q＝2.64×104 J－2400 J＝2.4×104 J.
第2课时 电热的计算 电热的利弊
知识点 1 串、并联电路的电热
1．两定值电阻R1＝440 Ω，R2＝220 Ω，若将R1和R2串联后接到220 V的电源上，在相同时间内，R1和R2上产生的热量之比是________．
2．两个定值电阻R1和R2，已知R1＝3R2.若将它们并联在电路中，保持电源电压不变，则R1和R2中的电流之比是________；在相同时间内，电流通过R1和R2产生的热量之比是________．
3．电阻R1、R2(R1＞R2)以不同的连接方式接到同一电源两极上，在相同时间内电路中产生热量最多的一种连接方式是( )
A．只接R1 B．只接R2
C．R1和R2并联 D．R1和R2串联
知识点 2 调温电路
4．学校为班级新买的饮水机的电路图如图15－3－6所示，铭牌如下表．S是手动开关，S1是温控开关，当S闭合后，热水箱内的水温低于60 ℃时S1就自动闭合，水温高于90 ℃时S1就自动断开，因此这台饮水机有“加热”和“保温”两挡功率，在“加热”时，流过电阻R2的电流为________A，R1的电阻值为________ Ω.
图15－3－6
热水箱水量
1 L
额定电压
220 V
加热功率
484 W
保温功率
44 W
5．图15－3－7是一条电热毯电路的示意图，R0是电热丝，R1是串联在电路中的电阻，电热毯铭牌上标有“220 V 40 W”的字样(不考虑温度对电阻的影响)．问：
图15－3－7
(1)使用电热毯处于低温挡时，开关 S、 S1各处于什么状态？(不需要说明理由)
(2)电热毯在高温挡工作时的电流是多少？
(3)当电热毯处于低温挡时，电热丝的电功率为12.1 W，电阻R1的阻值为多大？
(4)在低温挡工作20 min，电热丝产生的热量是多少？
知识点 3 电热的防止与利用
6．下列情况中，不属于防止电热危害的是( )
A．电视机的后盖有许多孔
B．电脑机箱内有小风扇
C．电动机外壳有许多散热片
D．家电长时间停用，隔一段时间应通电一次
7．为了使电热器在单位时间内产生的热量增加一倍，下列措施中可行的是( )
A．并联一根阻值相等的电阻丝
B．串联一根阻值相等的电阻丝
C．使电热器两端的电压增加一倍
D．将电阻丝从中间剪成两段，然后将它们并联起来使用
8．饮水机、电饭煲等家用电器都具有保温和加热功能．同学们设计了模拟电路，如图15－3－8所示．当S1闭合、S2断开时，为保温状态；当S1、S2都闭合时为加热状态．其中不符合上述要求的是( )
图15－3－8
9．某型号的电热水壶，额定电压220 V，额定功率1000 W，该电热水壶的发热电阻为________ Ω.用该电热水壶加热1 kg水，温度由20 ℃升高到100 ℃，不考虑热量损失，则它正常加热的时间为________ min.[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)]
10．小红家买了一台电烤箱，有高、中、低三个挡位的发热功率．图15－3－9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＝60.5 Ω，R2＝121 Ω，电源电压保持不变．
图15－3－9
(1)当开关S1置于触点b，S2断开时，电烤箱处于________挡位．
(2)电烤箱在中挡位工作时，消耗的电功率是________W.
(3)电烤箱在高挡位工作时，对食物加热5 min，消耗的电能是____________J.
11．某型号的电饭锅有两挡，其原理如图15－3－10所示，电阻R1＝44 Ω.当开关S闭合时，电饭锅处于高温挡；当开关S断开时，电饭锅处于焖饭、保温挡，焖饭、保温时电饭锅的电功率为高温挡电功率的0.02.求：
(1)高温挡的电功率．
(2)焖饭、保温时电路中的电流．
(3)电阻R2的阻值．
图15－3－10
12．几千年来中国的厨艺最讲究的就是“火候”二字．现在市场上流行如图15－3－11甲所示的新型电饭锅，采用“聪明火”技术，电脑智能控温、控压，智能化控制食物在不同时间段的温度，以得到最佳的口感和营养，其简化电路如图乙所示．R1和R2均为电热丝，S1是自动控制开关．把电饭锅接入220 V的电路中，在电饭锅工作的30 min内，电路中总电流随时间变化的图像如图丙所示．求：
图15－3－11
(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30 min内电饭锅产生的热量．
考| 题| 展| 示
13．2019·宿迁 某电器厂设计了一种具有高、中、低温三挡的家用电火锅，该火锅产品铭牌和电路图如图15－3－12所示：
额定电压
220 V
额定功率
高温挡
中温挡
低温挡
880 W
440 W
220 W
(1)当开关S1断开，S2接a时，该电火锅选用________(选填“高温”“中温”或“低温”)挡工作。
(2)当电火锅使用中温挡正常工作时，电路中电流是多大？接入电路的电热丝的阻值是多少？
(3)用电火锅高温挡在额定电压下烧水7 min，电流做了多少功？若电热丝产生的热量全部被水吸收，在1个标准大气压下，能使1 kg初温为20 ℃的水升高多少摄氏度？[c水＝4.2×103 J/( kg·℃)]
图15－3－12
详解详析
1．2∶1
2．1∶3 1∶3
3．C [解析] 根据电阻的串、并联知识可知，串联后的总电阻等于各分电阻之和，比任何一个分电阻都大；而并联后的总电阻比任何一个分电阻都小．根据Q＝可知，R越小，产生的热量就越多．
4．0.2 110
5．(1)S闭合、 S1断开．
(2)当 S、 S1闭合时，只有电热丝R0工作，处于高温挡，此时电功率为40 W，故电流I＝＝≈0.18 A.
(3)电热丝R0的阻值：R0＝＝＝1210 Ω，当电热毯处于低温挡时，根据P＝可知，加在电热丝两端的电压：U0＝＝＝121 V，通过它的电流：I0＝＝＝0.1 A，此时加在电阻R1两端的电压：U1＝U－U0＝220 V－121 V＝99 V，则电阻R1＝＝＝＝990 Ω.
(4)电热丝产生的热量：Q＝W＝P0t＝12.1 W×20×60 s＝14520 J.
6．D [解析] 电视机的后盖有许多孔、电脑机箱内有小风扇、电动机外壳有许多散热片，这三种都是为了散热，都是为了防止电热所产生的危害，A、B、C错误；家电长时间停用，隔一段时间应通电一次，是利用电热除湿，D正确．
7．A [解析] 并联一根阻值相等的电阻丝，总电阻变为原来的，由Q＝可知，热量增加一倍，A正确；串联一根阻值相等的电阻丝，总电阻变为原来的2倍，由Q＝可知，热量变为原来的，B错误；使电热器两端的电压增加一倍，由Q＝可知，热量将变为原来的4倍，C错误；将电阻丝从中间剪成两段，然后将它们并联起来使用，总电阻变为原来的，由Q＝可知，热量将变为原来的4倍，D错误．
8．D [解析] D图中当S1、S2都闭合时电路短路．
9．48.4 5.6 [解析] 本题考查电功率和热量的计算．电热水壶的发热电阻为：R＝＝＝48.4 Ω；水吸收的热量：Q吸＝c水m(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃－20 ℃)＝3.36×105 J；不考虑热量损失，加热时间为t＝＝＝＝336 s＝5.6 min.
10．(1)低 (2)800 (3)3.6×105
[解析] (1)当开关S1置于触点b、S2断开时，电阻R1、R2串联，电路的总电阻最大，电源电压一定，此时电路的总功率最小，为低挡位．(2)当开关S2闭合、S1置于触点b或空置时，仅有电阻R1接入电路，电路的总电阻处于中等水平，电路的总功率也处于中等水平，此时为中挡位，电功率P中挡＝＝＝800 W．(3)当开关S2闭合、S1置于触点a时，电阻R1、R2并联接入电路，电路的总电阻最小，电源电压一定，总电阻最小，电路的总功率最大，此时为高挡位，电功率P高挡＝＋＝＋＝1200 W．工作5 min，电烤箱消耗的电能为W＝Pt＝1200 W×5×60 s＝3.6×105 J.
11．(1)当开关S闭合时，电路为R1的简单电路，总电阻较小，根据P＝可知，电饭锅处于高温挡，高温挡功率为P高温＝＝＝1100 W．(2)当开关S断开时，电路为R1和R2串联，总电阻较大，根据P＝可知，电饭锅处于焖饭、保温挡．由题意知，焖饭、保温挡功率为P保温＝0.02P高温＝0.02×1100 W＝22 W；由P＝UI可得，电路中的电流为I＝＝＝0.1 A.
(3)由I＝可得，焖饭、保温时电路的总电阻为R总＝＝＝2200 Ω，电阻R2的阻值为R2＝R总－R1＝2200 Ω－44 Ω＝2156 Ω.
12．(1)S和S1都闭合时，电阻R1与R2并联；由图丙可知此时电流Imax＝3 A，
则电功率Pmax＝UImax＝220 V×3 A＝660 W.
(2)开关S1断开时，电路中只有R1工作，由图丙可知通过R1的电流I1＝2 A，
则根据并联电路的电流特点可知：电阻R1与R2并联时，I2＝Imax－I1＝3 A－2 A＝1 A，
根据欧姆定律得：R2＝＝＝220 Ω.
(3)只有R1工作时电功率：P1＝UI1＝220 V×2 A＝440 W，
由图丙可知：t′＝10 min＋(20 min－15 min)＝15 min＝900 s，
t″＝(15 min－10 min)＋(30 min－20 min)＝15 min＝900 s，
则Q′＝W′＝Pmaxt′＝660 W×900 s＝5.94×105 J，
Q″＝W″＝P1t″＝440 W×900 s＝3.96×105 J，
故Q＝Q′＋Q″＝5.94×105 J＋3.96×105 J＝9.9×105 J.
13．(1)低温
(2)当开关S1断开，S2接b时，电阻R2单独接入电路，为中温挡，此时电路中的电流：
I中温＝＝＝2 A，由欧姆定律可得，接入电路的电热丝的阻值：
R2＝＝＝110 Ω.
(3)用电火锅高温挡在额定电压下烧水7 min，电流做的功：
W＝P高温t＝880 W×7×60 s＝3.696×105 J，
因电热丝产生的热量全部被水吸收，由Q吸＝cmΔt可得水升高的温度：Δt＝＝
＝＝88 ℃，
因为在标准大气压下，水的沸点是100 ℃，且水的初温为20 ℃，所以只能使水升高80 ℃。
