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第六节 电流的热效应
1.了解电流的热效应跟哪些因素有关． 2.了解焦耳定律的内容、公式、单位，能够用焦耳定律解决一些实际问题．(重点＋难点) 3.了解白炽灯的发光原理．
, [学生用书P17])
一、电阻与电流的热效应
1．电流的热效应： 电流通过导体时能使导体的温度升高，电能变成内能．
2．影响电流热效应的因素：通过研究导体通电时的发热规律这一实验可知电流热效应与导体中的电流、导体电阻、通电时间有关．
3．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量，跟电流的二次方、导体的电阻、通电时间成正比．
(2)公式：Q＝I2Rt，单位：焦耳，符号：J.
(3)应用：制成各种电热器，如电热水器、电熨斗、电热毯、保险丝等．
4．热功率：在物理学中，把电热器在单位时间内消耗的电能叫做热功率．公式：P＝Q/t＝I2R，单位：瓦，符号：W.
5．额定功率：额定功率是指用电器正常工作时的功率，这时加在用电器两端的电压叫额定电压，通过用电器的电流叫额定电流，电动机、电灯泡的铭牌上都标有它们的额定功率．
1．电流通过电动机和白炽灯时的电功率和热功率相同吗？
提示：不一定．电流通过电动机时，电能主要转化成机械能，只有一部分转化成内能，这时电功率大于热功率．电流通过白炽灯时，电能全部转化成内能，这时电功率等于热功率．
二、白炽灯
1．白炽灯的工作原理：白炽灯利用的是电流的热效应，使通电的金属丝温度升高，达到白热，从而发光．
2．电灯的发明：以美国发明家爱迪生为代表的一批发明家，发明和改进了电灯．
2．20 W的白炽灯和100 W的白炽灯正常工作时谁的电阻大？
提示：普通白炽灯的额定电压是一样的，它们工作时的电功率等于热功率，即P＝UI＝I2R＝.由电压相同可知，100 W的白炽灯灯丝电阻小．
对焦耳定律和热功率的理解[学生用书P18]
1．焦耳定律是一个实验定律，它是经过大量实验总结出来的，它适用于任何电路中的电流产生热量的计算．
2．对焦耳定律公式Q＝I2Rt的理解．在电流和电阻一定时，热量与时间成正比；在电阻和时间一定时，热量与电流的平方成正比；在电流和时间一定时，热量与电阻成正比．
3．应用时不论什么电路，其热量都可以用Q＝I2Rt来计算，热功率都可用P＝I2R来计算．只有在纯电阻电路中计算热量时才能使用Q＝IUt和Q＝，热功率才能使用P＝IU和P＝.
(1)焦耳定律是计算电热的定律，由此可以求解热功率， 而非电功率．
(2)只要有电阻，电流通过导体时就会产生电热，其电热的多少都可以用焦耳定律求解．
电炉通电后，电炉丝热得发红，而跟电炉连接的铜导线却不那么热，这是因为( )
A．通过铜导线的电流小，所以它消耗的电能也较少
B．电炉丝和铜导线消耗的电能相同，但铜导线散热快，所以就不那么热
C．通过电炉丝的电流大，所以它消耗的电能较多
D．铜导线电阻较小，所以它消耗的电能较少
[审题指导] 解答本题应从以下两点思考：
(1)发热的多少取决于什么因素；
(2)电炉丝和铜导线决定发热的因素中相同的是什么，不同的是什么．
[解析] 电炉丝和铜导线是串联关系，故通过电炉丝的电流与通过铜导线的电流大小相等，电炉丝和铜导线在电学性能上的差别在于：前者的电阻大，后者的电阻很小，根据电流通过电阻发热的公式Q＝I2Rt，在电流相同条件下，相同的时间内，电炉丝的发热量比铜导线上的发热量大得多．因此我们看到电炉通电后，电炉丝热得发红而与之相连的铜导线却不那么热．
[答案] D
1．通过电阻R的电流强度为I时，在t时间内产生的热量为Q；若电阻为2R，电流强度为，则在t时间内产生的热量为( )
A．4Q B．2Q
C． D．
解析：选C.根据焦耳定律Q＝I2Rt，Q′＝·2Rt＝Q，选项C正确．
纯电阻电路和非纯电阻电路[学生用书P19]
1．所谓纯电阻电路，就是电路消耗的电能全部转化为内能的电路，则有：W＝Q，即有IUt＝I2Rt，进而得出U＝IR.所以欧姆定律适用于纯电阻电路．计算该电路消耗电能的公式和计算在相同时间内产热的公式是相同的，可为：W＝UIt＝I2Rt＝t.同理可得，电功率和电热功率关系为：P＝UI＝I2R＝.
2．所谓非纯电阻电路，就是电路消耗的电能只有一部分转化为内能，另一部分转化为其他形式的能，则有：W>Q.即有UIt>I2Rt，进而得出：U>IR，所以欧姆定律不适用于非纯电阻电路．所以计算该电路消耗电能的公式只能是W＝UIt；计算在相同时间内产热的公式只能用Q＝I2Rt.而公式W＝UIt＝I2Rt＝t不再成立．
3．分析非纯电阻电路时，要特别注意从能量角度出发去分析，只有能量关系清楚了，再代入计算各能量的公式，才能解决问题．
例如：电动机电路其能量转化关系为：电能(W)＝内能(Q)＋机械能(E)；
电解槽电路其能量转化关系为：电能(W)＝内能(Q)＋化学能(E)．
电功等于一段电路中电能转化为其他形式能过程中的总能量，电热是这段电路中电能转化为其他形式能中转化为内能的部分．
如图所示，灯L上标有200 W，电动机上标有2 000 W，在A、B两端加上220 V电压时，灯和电动机均正常工作，求电灯正常工作时的电阻．
[思路点拨] 解答本题的关键是判断各部分是纯电阻电路还是非纯电阻电路．
[解析] A、B间总电流为I，A、B间总电压U＝220 V，
A、B间消耗的总功率
P＝200 W＋2 000 W＝2 200 W
由P＝UI
得I＝＝ A＝10 A
由IL＝I，PL＝IR
得R＝eq \f(PL,I)＝ Ω＝2 Ω.
[答案] 2 Ω
eq \a\vs4\al()
从能量守恒的角度分析，对于任何一个电路，各部分消耗功率之和等于该电路消耗的总功率，本题应用了该结论和串联电路上电流相等的特点解答．注意电动机是非纯电阻，和电灯串联后，电压分配和功率分配与电阻无正比关系，不能用比例法解答．
2．下列对焦耳定律的理解，正确的是( )
A．任何情况下都可以用电功W＝UIt代替电热Q＝I2Rt
B．任何情况下都不可以用电功W＝UIt代替电热Q＝I2Rt
C．计算纯电阻产生的热量时，可以用电功W＝UIt代替电热Q＝I2Rt
D．计算电动机产生的热量时，不可以使用公式Q＝I2Rt
解析：选C.用电功W＝UIt代替电热Q＝I2Rt的前提是对于由白炽灯、电炉等组成的纯电阻电路，对于含电动机、电风扇等电器的非纯电阻电路，电功W＝UIt大于电热Q＝I2Rt，对于任何电路都可以用Q＝I2Rt计算电热．故选项A、B、D错误，C正确．
电功、电功率、电热的综合应用[学生用书P20]
下表所示为某品牌电热水器的铭牌信息，由表中信息可计算出该热水器正常工作时的电流约为多少安？利用该热水器将一满桶水由25 ℃加热到65 ℃需要多长时间？(已知水的密度是ρ＝1×103 kg/m3，比热容是c＝4 200 J/(kg·℃)，设加热效率为80%)
型号 FCD－JTHQ860?Ⅲ 额定电压 220 V
容积 60 L 额定频率 50 Hz
额定最高温度 75 ℃ 额定功率 1 500 W
防水等级 IP×4 额定内压 0.75 MPa
加热效率等级 A 容器强度等级 A
24 h能耗等级 A
出厂编号/ 制造日期 GADTZ000000GB81A1022
[审题指导] 提取表格中的有效信息是解题的关键，由P＝UI能求电流；由Q吸＝cmΔt结合能量守恒能求加热时间．
[解析] 由表中信息可以读出，该热水器额定功率P＝1 500 W，额定电压U＝220 V，所以正常工作时的电流I＝＝ A＝6.8 A．由能量关系知Pt×80%＝cmΔt
其中P＝1 500 W，c＝4 200 J/(kg·℃)，m＝ρV＝1×103×60×10－3 kg＝60 kg，Δt＝65 ℃－25 ℃＝40 ℃.
代入数据解得：t＝8 400 s.
[答案] 6.8 A 8 400 s
eq \a\vs4\al()
(1)电流的热效应：电流通过导体时能使导体的温度升高，电能转化成内能，这就是电流的热效应．
(2)额定电压和额定功率
①用电器的额定功率是指用电器在额定电压下的功率，这时用电器能安全有效地工作．当电压不符合规定条件时，用电器的功率按实际的电压和电流来计算．
②用电器上常标有“××V ××W”，指的是用电器的额定电压和额定功率．当电压未达到额定值时用电器一般不能正常工作，电压大于额定值时会烧毁用电器．有些电路元件上标有“××W ××A”，指的是这个元件的额定功率和允许通过的最大电流．
(3)对于电流通过时电能全部转化为内能的用电器，电能转化成内能的多少也可表示为Q＝，这个关系式表明，在电压相同的条件下，电能转化为内能跟导体的电阻成反比．也就是说，在电压相同时，电阻较大的导体在一定时间内产生的热量较少．
[随堂检测] [学生用书P20]
1．通电导体发热的规律是由下列哪位物理学家得出的( )
A．欧姆 B．焦耳
C．安培 D．法拉第
解析：选B.导体发热的规律是焦耳通过大量的实验总结得出的实验定律．
2．对于电热的计算式适用于所有电路的是( )
A．Q＝UIt B．Q＝I2Rt
C．Q＝Pt D．Q＝U2t/R
解析：选B.焦耳定律Q＝I2Rt是一个实验定律，是适用于所有电路的计算电热的公式，所以B正确．
3．甲、乙两个完全相同的电炉分别接入两个电路中，工作时甲的电流是乙的2倍，下列说法正确的是( )
A．甲的热功率是乙的2倍
B．甲的热功率是乙的4倍
C．若乙通电时间是甲的2倍，则它们产生的热量相同
D．因为甲、乙两个电炉完全相同，所以功率也相同
解析：选B.由题知，甲、乙两个电炉的电阻相同，甲的电流是乙的2倍，由P＝I2R得，P甲＝4P乙．
4．两根材料和长度都相同的均匀电阻丝R1和R2，R1的横截面积较大，在它们上面用少许凡士林粘几根火柴棒，当它们串联在电源上后，若不计散热，则( )
A．R1上的火柴棒先掉下来
B．R2上的火柴棒先掉下来
C．R1和R2上的火柴棒同时掉下来
D．无法判断哪根电阻丝上的火柴棒先掉下来
解析：选B.两根电阻丝的材料和长度均相同，R1的横截面积较大，故R1的电阻较小，即R2>R1；而两电阻丝串联在电源上，通过它们的电流相等，由焦耳定律Q＝I2Rt知，电流相等，在时间一定的情况下，Q2>Q1，又因不计散热，故R2上的火柴棒先掉下来．
5．一只规格为“220 V 1 000 W”的电炉，求：
(1)它在正常工作时，通过电阻丝的电流；
(2)如果实际电压为110 V，则电炉工作时的实际功率为多大？
解析：(1)由P＝UI得电炉正常工作时，通过电阻丝的电流
I＝＝ A＝4.55 A.
(2)由P＝知电炉电阻丝的电阻值
R＝＝ Ω＝48.4 Ω.
所以电压为110 V时，电炉工作时的实际功率
P′＝＝ W＝250 W.
答案：(1)4.55 A (2)250 W
[课时作业] [学生用书P79(单独成册)]
一、单项选择题
1．某电阻的阻值为5 Ω，通过的电流为2 A，则它在10 s的时间内产生的热量为( )
A．100 J B．200 J
C．20 J D．2 J
解析：选B.电阻在10 s的时间内产生的热量Q＝I2Rt＝22×5×10 J＝200 J，B正确．
2．一台电动机输出功率是10 kW，这表明这台电动机正常工作时( )
A．每秒钟消耗电能10 kJ
B．每秒钟对外做功10 kJ
C．每秒钟对外做功10 J
D．每秒钟对外做功1 000 J
解析：选B.电动机的输出功率10 kW为机械功率，每秒钟对外做功10 kJ，故B对，C、D错．它的电功率将大于10 kW，所以每秒消耗电能大于10 kJ，故A错．
3．把有一定长度的电炉丝的两端接到220 V的电路中，用它来煮沸一壶水，若把此电炉丝剪掉一部分后再接到同样的电路中，仍用它来煮沸一壶同样的水，则( )
A．前者快 B．后者快
C．二者一样快 D．无法确定
解析：选B.电源电压不变，炉丝剪掉一部分后电阻变小，由P＝知电功率增大．如不考虑热损失，煮沸同一壶水所需热量Q不变，由t＝可知，电功率增大时间变短，所以B正确．
4．把四个完全相同的电阻A、B、C、D串联后接入电路，消耗的总功率为P，把它们并联后接入该电路，则消耗的总功率为( )
A．P B．4P
C．8P D．16P
解析：选D.设电源电压为U，每个电阻阻值为R，串联时，R总＝4R，并联时R总′＝，由P＝得：P并∶P串＝16∶1，所以P并＝16P，D对．
5．有三个用电器，其中一个为“220 V 60 W”的电风扇，一个为“220 V 60 W”的白炽灯，另一个是“220 V 60 W”的电热器，都在额定电压下工作相同的时间，比较这三个用电器产生的热量是( )
A．电风扇最多 B．白炽灯最多
C．电热器最多 D．都一样
解析：选C.三个用电器的电功率相同，工作相同的时间消耗的电能相同．电风扇把电能大部分转化为机械能，只有一小部分转化为内能；白炽灯把电能全部转化为内能，再有部分的内能转化为光能；电热器把电能全部转化为内能并全部以热量的形式放出．所以A、B、D项错，只有C项对．
6．电子产品制作车间里常常使用电烙铁焊接电阻器和电容器等零件，技术工人常将电烙铁和一个灯泡串联使用，灯泡还和一只开关并联，然后再接到市电上(如图所示)，下列说法正确的是( )
A．开关接通时比开关断开时消耗的总电功率大
B．开关接通时，灯泡熄灭，只有电烙铁通电，可使消耗的电功率减小
C．开关断开时，灯泡发光，电烙铁也通电，消耗的总功率增大，但电烙铁发热较少
D．开关断开时，灯泡发光，可供在焊接时照明使用，消耗的总功率不变
解析：选A.开关接通时，灯泡被短路，灯泡熄灭，电路的总电阻变小，电路的总功率P＝变大，电烙铁的功率变大，A正确，B、C、D错误．
二、多项选择题
7．下列用电器的工作原理是直接利用电流的热效应的是( )
A．电烙铁 B．电炉子
C．电磁炉 D．微波炉
解析：选AB.电烙铁、电炉子是电流通过电热丝而发热，是利用了电流的热效应，故A、B正确；电磁炉是利用交变电流产生交变的磁场，从而在锅体中产生涡流而发热；微波炉的工作原理是电流在微波管中产生了电磁波(微波)，微波使水分子高速振荡而加热食物，所以C、D错．
8．对计算任何类型的用电器的电功率都适用的公式是( )
A．P＝I2R B．P＝U2/R
C．P＝UI D．P＝W/t
解析：选CD.D是定义式，C是通过定义式推导而得，而A、B都是通过欧姆定律推导，所以A、B只适用于纯电阻电路，而不适用于非纯电阻电路．
9．不考虑温度对电阻的影响，对一个“220 V 40 W”的灯泡，下列说法正确的是( )
A．接在110 V电路上时功率为20 W
B．接在110 V电路上时功率为10 W
C．接在440 V的电路上时的功率为160 W
D．接在220 V的电路上时的功率为40 W
解析：选BD.灯泡标有“220 V 40 W”，说明当灯泡两端加上额定电压220 V时，功率将达到额定功率40 W，所以D正确．
由P额＝eq \f(U,R)得R＝eq \f(U,P额)＝ Ω＝1 210 Ω
当电压U＝110 V时，P＝＝ W＝10 W
当电压U＝440 V时，超过额定电压一倍，所以灯泡会烧坏．
10．一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同的时间内( )
A．电炉放热和电动机放热相等
B．电炉两端电压大于电动机两端电压
C．电炉两端电压等于电动机两端电压
D．电动机消耗的功率大于电炉的功率
解析：选AD.由于电炉与电动机电阻相等，电流也相等，由Q＝I2Rt得，相同时间内放热相等，A正确；由于电动机消耗的电能有一部分要对外做功，所以电动机消耗的功率大于电炉的功率，由P机＝U机I，P炉＝U炉I知，U机I＞U炉I，所以电动机两端的电压大于电炉两端的电压，因此B、C错，D正确．
三、非选择题
11．已知一个定值电阻标有“6 V 9 W”字样，求：
(1)定值电阻的阻值；
(2)定值电阻在电压为2 V时的实际功率．
解析：由P＝U2/R可知R＝U2/P＝4 Ω，由于电阻是一定的，在2 V时P＝ W＝1 W.
答案：(1)4 Ω (2)1 W
12. 在如图所示的电路中，R1＝2 Ω，R2＝4 Ω，电压表示数为3 V．求：
(1)电阻R2上每分钟放出的热量；
(2)电路上每分钟消耗的电能．
解析：(1)电路电流I＝U1/R1＝3/2 A＝1.5 A
Q＝I2R2t＝1.52×4×60 J＝540 J.
(2)消耗的电能：
W＝I2Rt＝1.52×(2＋4)×60 J＝810 J.
答案：(1)540 J (2)810 J
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第一章 电场 电流
第一章 电场 电流
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生动
突破疑难·讲练提升
