1. 能通過生活實例，認識電流的熱效應。
2. 能在實驗的基礎上引出焦耳定律，會用焦耳定律進行計算。
3. 通過學習電熱的利用和防止，學會辯證地看待問題。
【學習重點】焦耳定律的理解及應用。
【學習難點】焦耳定律的理解及應用。
【自主預習】閱讀教材，完成以下問題：
1. 電流的熱效應
電流通過導體時將電能轉化為內(nèi)能的現(xiàn)象叫做電流的熱效應。只要有電流通過導體，因為導體有一定的電阻，就會發(fā)生電流的熱效應。
2. 焦耳定律
（1）焦耳定律的內(nèi)容：電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。
（2）用公式表示Q= I2Rt
3. 電熱的利用和防止
（1）電熱的利用：各種電熱器都是利用電熱的設備，例如電飯鍋、電熱水器、電熨斗等。
（2）電熱的防止：如果用電器聚集的電熱過多，溫度過高，有可能燒壞電器，甚至引發(fā)火災。電腦主機里裝有風扇、散熱器等，都是為了加快散熱。
【合作探究】
探究一、電流的熱效應
1. 電流的熱效應
【想一想】尋找以下用電器的共同特點：電熱毯、電水壺、電飯煲、烤箱等。
分析：這些用電器工作時都要消耗電能，都會發(fā)熱，在工作過程中，電能轉化為內(nèi)能。
【總結】 電流通過導體時電能轉化成內(nèi)能，這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應。
2. 探究影響電流熱效應的因素
【提出問題】電流通過導體時產(chǎn)生熱的多少跟什么因素有關?
【猜想及其依據(jù)】
①可能與通過導體的電流有關。因為導體在通入電流時才會發(fā)熱，所以電流通過導體時產(chǎn)生熱的多少跟電流有關；
②可能與導體的電阻有關。導線和電熨斗串聯(lián)接入電路，電流是相同的，電熨斗熱的溫度高，而導線幾乎不熱，電流產(chǎn)生的熱可能與電阻有關。
③可能與通電時間有關。由生活經(jīng)驗可知，通電時間越長，電流產(chǎn)生的熱量也會越多。
【設計實驗】
（1）實驗裝置介紹（焦耳定律演示器）
兩個透明的塑料容器內(nèi)部密閉著等量的空氣；容器內(nèi)部的空氣與U形管一端相連通。兩個容器中各有一段電阻絲，兩個容器里的電阻絲串聯(lián)在一起接入電路。
（2）實驗原理
如圖所示，兩個透明容器中密封著空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣的體積變化。同時使用兩個密閉容器時，哪一側U型管中液柱出現(xiàn)的高度差大，表明哪一側的電阻絲產(chǎn)生的熱量多。圖中，因為Δh右＞Δh左，所以電流通過右側的電阻絲產(chǎn)生的熱量多。
（3）研究方法
①控制變量法：在探究電流通過導體產(chǎn)生熱的多少跟電流、電阻、通電時間的關系時，每次實驗應該控制兩個物理量不變。
②轉換法：實驗中通過觀察U形管液面的高度差來比較電流產(chǎn)生熱量的多少，這種研究方法叫轉換法。
（4）實驗器材
學生電源、焦耳定律演示器、電流表、滑動變阻器等。
為了進行多次實驗，需要改變通過兩個電阻絲的電流，所以在電路中串聯(lián)一個滑動變阻器，通過移動滑片改變電流。
（5）實驗記錄表
實驗次數(shù)
電流關系
電阻大小/Ω
通電時間
關系
U形管液面
高度差⊿h
左
右
左
右
左
右
左
右
1
相等
5
10
相等
2
大
小
相等
相等
【進行實驗】
（1）探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電阻的關系
如圖所示，將兩根阻值不等的電阻絲串聯(lián)接入電路。閉合開關，通電一段時間后，觀察U形管液面高度差的變化。
（2）探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的關系
在右方密封盒外并聯(lián)一個5Ω的電阻R3，目的是改變通過盒內(nèi)電阻的電流大小，由于R3的分流作用，因此通過兩個容器中電阻的電流不同，I1=2I2。從而研究電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的關系。
閉合開關，通電一段時間后，觀察U形管液面高度差的變化。
（3）探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟時間的關系
閉合開關，通電一段時間后，觀察同一個密封盒內(nèi)U形管液面高度差的變化大小。
【收集證據(jù)】
甲 乙
【分析論證】
（1）分析實驗步驟（1）發(fā)現(xiàn)：在電流和通電時間相等時，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。
（2）分析實驗步驟（2）發(fā)現(xiàn)：在電阻和通電時間相等時，電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。
（3）分析實驗步驟（3）發(fā)現(xiàn)，在電流和電阻相等時，通電時間越長，電流產(chǎn)生的熱量越多。
歸納實驗結論
（1）在電流相同、通電時間相同時，電阻越大，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多。
（2）在電阻相同、通電時間相同時，通過一個電阻的電流越大，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多。
（3）在電流相同、電阻相同時，通電時間越長，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多。
【交流討論】
實驗結束后，小紅說她在一本書上看到用如圖所示的裝置也可以探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟哪些因素有關。請你對該裝置進行評價。
【評價】該裝置中，兩個相同的燒瓶盛有質量相同、溫度相同的同種液體；燒瓶內(nèi)插有溫度計，可以測量液體的溫度。
燒瓶內(nèi)有兩個阻值不同的電阻絲，組成串聯(lián)電路接入電路中。所以通過比較燒瓶內(nèi)液體的溫度可以探究影響電流通過導體產(chǎn)生熱量的因素。
（1）當電阻絲通電后，電流產(chǎn)生熱量使煤油溫度升高，從而使溫度計示數(shù)上升，因此根據(jù)溫度計示數(shù)的變化可知電流產(chǎn)生熱量的多少。
（2）甲圖中R1、R2兩電阻串聯(lián)，通過兩電阻的電流相等，但兩電阻的阻值不同，所以可探究電流產(chǎn)生熱量的多少與電阻的關系。
（3）乙圖中R1、R2兩電阻并聯(lián)，甲、乙兩裝置中，電源電壓相同，乙圖中電阻R1兩端的電壓大于甲圖中電阻R1兩端的電壓，則乙實驗裝置中通過電阻R1的電流大。所以由a、c（或b、d）可以探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量與電流的關系。
【例題1】如圖所示，在研究電熱與哪些因素有關的驗中，同學們猜想電熱可能與電流大小、電阻大小以及通電時間長短有關。
（1）左側密閉容器內(nèi)電阻絲阻值為5Ω，右側密閉容器外部，將一個阻值為5Ω的電阻與這個容器內(nèi)的電阻絲并聯(lián)，目的是使通過左右兩密閉容器內(nèi)電阻絲的______不同，右側容器內(nèi)電阻絲的阻值應為______Ω，才能符合實驗研究的要求；
（2）本實驗是研究電流的____效應；實驗中通過U形管中液面的高度差反映密閉空氣溫度的變化，左側U形管中液面高度差大于右側U形管中液面高度差，說明：______。
【答案】（1）電流，5；（2）熱，見解析.
【解析】（1）右側密閉容器內(nèi)外兩段電阻絲并聯(lián)，左側電阻絲在干路上，根據(jù)并聯(lián)電路電流特點可知，通過左側密閉容器內(nèi)電阻絲的電流大于右側密閉容器內(nèi)電阻絲的電流，即二者電流大小不相同；兩密閉容器內(nèi)電阻絲的電流不同，目的是探究電熱與電流的關系，要控制兩電阻絲的阻值相同，左側容器內(nèi)電阻絲阻值為5Ω，那么右側容器內(nèi)電阻絲的阻值應為5Ω，才能符合實驗研究的要求。
（2）電流通過電阻絲時，電能轉化為內(nèi)能，這種現(xiàn)象叫電流的熱效應。
實驗中通過U形管中液面的高度差反映密閉空氣溫度的變化，高度差越大，說明電阻絲產(chǎn)生熱量越多。左側U形管中液面高度差大于右側U形管中液面高度差，說明左側電阻絲產(chǎn)生的熱量大于右側電阻絲產(chǎn)生的熱量，可以得出結論：當電阻和通電時間一定時，電流越大，產(chǎn)生的熱量越多。
探究二、焦耳定律
1. 焦耳定律
英國物理學家焦耳用近40年的時間做了400多次實驗，發(fā)現(xiàn)了電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟導體電阻、通過導體的電流及通電時間之間的關系，即焦耳定律。
（1）內(nèi)容：
電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。
（2）公式： Q = I2Rt
（3）公式中Q = I2Rt 各量及其單位：
I表示電流，單位是安培（A）；R表示電阻，單位是歐姆（Ω）；t表示時間，單位是秒（s）；
Q表示熱量，單位是焦耳（J）
1焦耳=1安2×1歐×1秒
2. 推導焦耳定律
若電流做的功全部用來產(chǎn)生熱量，即Q = W
因為電功 W = UIt，根據(jù)歐姆定律U = IR，所以 Q = W = UIt = I2Rt
可見，在消耗的電能全部用來產(chǎn)生熱量時，根據(jù)電功公式和歐姆定律推導出的結論與焦耳定律一致。
3. 電功與電熱
（1）電功與電熱的區(qū)別
電功是指電流通過一段電路所做的功，它的大小表示電路消耗電能的多少，或表示有多少電能轉化為其他形式的能。電熱是指電流通過一段電路做功時，電能轉化為內(nèi)能的那一部分。
兩者表示的意義不同，是兩個不同的概念。
（2）電功與電熱的聯(lián)系
①純電阻電路（如電爐、電熱器、電熨斗等電路）
該類電路中，電流通過用電器時，電能全部轉化為內(nèi)能，電流產(chǎn)生的熱量就等于電流做的功（消耗的電能），即Q=W，所以Q放= W總=Pt=UIt= U2t/R=I2Rt
上述公式適用于純電阻電路。
②非純電阻電路
在該類電路中，當電流通過用電器時，電能主要轉化為其它形式的能量，只有一部分轉化為內(nèi)能。此時電能=內(nèi)能+機械能，所以內(nèi)能小于電能（選填“大于”、“小于”或“等于”）。。
例如，當電扇工作時，消耗的電能主要轉化為電機的機械能，有少部分轉化為內(nèi)能發(fā)熱。
W總＝UIt =W機械能＋Q熱量，電熱小于電功（選填“大于”、“小于”或“等于”）。
4. 電功、電功率、焦耳定律計算公式及其適用范圍
電功
電功率
焦耳定律
適用條件
基本公式
W=UIt
P=UI
Q=I2Rt
普遍適用
推導公式
W=U2Rt=I2Rt
P=U2R=I2R
Q=U2Rt=UIt
純電阻電路
Q=W
5. 想想議議
（1）你現(xiàn)在明白了嗎？電爐絲通電時，為什么電爐絲熱得發(fā)紅，而導線卻幾乎不發(fā)熱？
【分析】因為電爐絲與導線串聯(lián)，電流與通電時間相等，但是電爐絲的電阻遠大于電線的電阻，根據(jù)焦耳定律Q=I 2Rt可知，在相同時間內(nèi)，電爐絲產(chǎn)生的熱量遠大于導線產(chǎn)生的熱量，所以電爐絲熱得發(fā)紅，而導線卻幾乎不發(fā)熱。
（2）額定電壓相同的燈泡，額定功率越大，電阻越小，正常工作時單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。可是按照焦耳定律，電阻越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。二者似乎有矛盾，這是怎么回事?
【分析】第一種說法，在通電時間和電壓相同的情況下，根據(jù)Q=U2t/R可知，電阻越小，產(chǎn)生的熱量越多；第二種說法，在通電時間和電流相同的情況下，根據(jù)Q=I 2Rt可知，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。兩種說法在各自前提下都是正確的，所以二者不矛盾。
【例題2】一根60 Ω的電阻絲接在36 V的電源兩端，在5 min內(nèi)共產(chǎn)生多少熱量？
【解析】先利用歐姆定律計算出通過電阻絲的電流。
I=U/R=36V/60 Ω=0.6A
再用焦耳定律公式計算電流產(chǎn)生的熱量：
Q=I2Rt=(0.6A)2×60 ?×5×60s=6480J
【例題3】將規(guī)格都是“220V 100W”的一臺電風扇和一床電熱毯，接入家庭電路中，通電時間相同，下列說法正確的是（ B ）
A. 電風扇產(chǎn)生的熱量多 B. 電熱毯產(chǎn)生的熱量多
C. 二者產(chǎn)生的熱量一樣多 D. 無法比較二者產(chǎn)生的熱量
【解析】接在家庭電路中，電壓U=220V，二個用電器的實際功率：P實= P額= 100W 相同；
電風扇工作時，主要把電能轉化為機械能，產(chǎn)生的熱量很??；電熱毯工作時電熱絲把電能全部轉化為內(nèi)能，所以產(chǎn)生熱量最多的是電熱毯。
故選B。
【例題4】某電動機上標有“220V 2A”，它的線圈電阻為5?，當它正常工作1min后，消耗的電能為多少？線圈中產(chǎn)生的熱量為多少？如沒有其他能量的損失，則得到多少的機械能？
【解析】消耗的電能為：W總=UIt=220V×2A×60s=26400J
線圈中產(chǎn)生的熱量為：Q=I2Rt=(2A)2×5 ?×60s=120J
得到的機械能為：W機=W總－Q=26400J－120J=25200J
探究三、電熱的利用和防止
1. 電熱的利用
生活中和許多產(chǎn)業(yè)中都要用到電熱。家里的電熱水器、電飯鍋、電熨斗，養(yǎng)雞場的電熱孵化器，都是利用電熱的例子。電熱器的優(yōu)點: 清潔衛(wèi)生，沒有環(huán)境污染，熱效率高，還可以方便地控制和調節(jié)溫度。
2. 電熱的防止
電流的熱量有時是有害的，應該及時解決。
①例如我們的電腦在工作時，電路元件發(fā)熱，溫度升高，會影響到電腦的穩(wěn)定性，甚至燒壞電腦CPU。人們常常采用安裝散熱窗、使用微型風扇等方法及時散熱。
②電視機散熱方法：在后蓋開有很多孔，為了通風散熱。
③投影儀的散熱方法：除在側壁開孔外，內(nèi)部還裝有電風扇，工作時電風扇轉動把熱量吹到機器外面，可以降低燈泡、機器內(nèi)部元件的溫度。
【例題5】電流具有熱效應，學習了電流的熱效應后，關于電熱的下列幾個說法錯誤的是（A）
A．電熱會燒毀電器元件，引發(fā)火災，有百害而無一利
B．電流通過任何用電器都或多或少地會產(chǎn)生熱量
C．因為電流過大產(chǎn)生電熱而燒壞局部電路，可用于整體電路的保護
D．為防止電熱帶來的危害，要盡量減少電熱的產(chǎn)生并考慮如何加快散熱
【解析】A. 電流的熱效應有不利的因素，如電熱會燒毀電器元器件，引發(fā)火災。但在我們生活中和許多產(chǎn)業(yè)中都要用到電熱．如家里的電飯鍋、電熨斗，養(yǎng)雞場的電熱孵化器等都是利用電熱的，故選項A錯誤；
B. 任何用電器中都有導線，導線都有電阻，當電流經(jīng)過電阻時，就會產(chǎn)生熱量，所以選項B的說法是正確的；
C. 保險絲是用電阻率大而熔點低的材料制成的，當電流過大時，它由于溫度升高而熔斷，切斷電路，起保護作用，所以選項C正確；
D. 為防止電熱帶來的危害，要盡量減少電熱的產(chǎn)生并考慮如何加快散熱，目的是為了防止由于溫度過高而損壞用電器，選項D正確． 故選A.
【歸納整理】
第4節(jié) 焦耳定律
【精講點撥】
1. 焦耳定律公式Q = I2Rt 具有普遍意義，適用于任何電路電流所產(chǎn)生的熱量的計算。而推導公式Q=Pt=UIt= U2t/R只適用于純電阻電路（即電功等于電熱）。
2. 電流的熱效應有不利的因素，如電熱會燒毀電器元器件，引發(fā)火災。但在我們生活中和許多產(chǎn)業(yè)中都要用到電熱。如家里的電飯鍋、電熨斗，養(yǎng)雞場的電熱孵化器等都是利用電熱的。
【課堂練習】
1．將電能輸送到幾百千米之外的用戶，在輸電線上會有能量的損耗，這主要是由于電流的____效應引起的。某段輸電線路的總電阻為0.5Ω，輸送電流為100A，每輸電1min，這段線路便會損耗______J的電能。
【答案】熱，3×105.
【解析】由于輸電線有電阻，電流通過導體一部分電能轉化為內(nèi)能，造成電能的損耗，這種現(xiàn)象叫電流的熱效應。
根據(jù)焦耳定律可得，這段電路損耗的電能為
Q=I2Rt=（100A）2×0.5?×1×60s=3×105J
2．如圖是探究電流通過導體時產(chǎn)生熱量的多少跟什么因素有關的實驗裝置，兩個透明容器中密封著等量的空氣，U形管中液面的高度的變化反應密閉空氣溫度的變化，下列說法正確的是（ ）
A．該實驗裝置是為了探究導體產(chǎn)生的熱量與電阻的關系
B．將左邊容器中的電阻絲換成10Ω的電阻絲后，就可以探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻的關系
C．通電一段時間后，左側U形管中液面的高度差比右側的大
D．該實驗裝置是利用U形管中液體的熱脹冷縮來反映電阻絲放出熱量的多少的
【答案】C。
【解析】A．圖中容器中的電阻阻值相同，通過兩個電阻的電流不同，所以該實驗裝置是為了探究導體產(chǎn)生的熱量與電流的關系，故A錯誤；
B．將左邊容器中的電阻絲換成10Ω的電阻絲后，則兩個容器中的電阻阻值不同，通過兩個電阻的電流也不同，所以不能探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻的關系，故B錯誤；
C．圖中容器中的電阻阻值相同，通過左邊容器中電阻的電流大于通過右邊容器中電阻的電流，由Q=I2Rt可知，通電一段時間后，左邊容器中電阻產(chǎn)生的熱量大于右邊容器中電阻產(chǎn)生的熱量，所以左側U形管中液面的高度差比右側的大，故C正確；
D．該實驗裝置中U形管中液體的的高度差反映電阻絲放出熱量的多少的，故D錯誤。
所以選C.
3．某同學用如圖甲所示的實驗裝置探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關，兩個透明容器中封閉著等量的空氣。
（1）實驗中通過觀察_____________來比較電流通過導體所產(chǎn)生熱量的多少；
（2）采用圖乙中的實驗裝置探究“電流產(chǎn)生的熱量跟電流是否有關”時，右邊透明容器中應該選用阻值為____Ω的電爐絲；
（3）電爐絲通過導線接到電路里，電爐絲熱得發(fā)紅，而導線幾乎不發(fā)熱的現(xiàn)象可以用圖_____（填“甲”或“乙”）的實驗結論來解釋。
【答案】（1）U形管兩液面高度差；（2）5；（3）甲。
【解析】（1）電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量的多少不能直接看出來。可以觀察兩個U形管中液面的高度差，液面的高度差越大，說明空氣體積膨脹的越多，吸收的熱量越多，電阻產(chǎn)生的熱量越多。因此實驗中通過觀察U形管液面高度差來比較電流通過導體所產(chǎn)生熱量的多少。
（2）探究“電流產(chǎn)生的熱量跟電流是否有關”時，應控制電阻、通電時間相同，電流不同，故右邊透明容器中應選用阻值為5Ω的電阻絲。
（3）圖甲中的實驗結論為電流產(chǎn)生的熱量的多少與電阻大小有關，電流、通電時間相同時，電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。電爐絲通過導線連接到電路里，電阻絲與導線串聯(lián)，電流是相同的，電阻絲的電阻比導線的電阻大，所以電阻絲產(chǎn)生熱量多發(fā)紅，導線產(chǎn)生熱量少不發(fā)熱。
4．在探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量與電流的關系的實驗中，實驗器材如圖所示。請：①選擇合適的電阻，并標在虛線方框內(nèi)；（供選擇電阻：R1=5Ω，R2=10Ω，R3=10Ω）②用筆畫線代替導線補充完整電路的連接。
【答案】右圖.
【解析】探究電流通過導體產(chǎn)生的熱量與電流的關系，根據(jù)控制變量法可知：需要控制電流不同，電阻相同，通過比較相同阻值的電阻產(chǎn)生熱量的多少來進行實驗，故參與比較的電阻的阻值應該相等，通過R1和R3并聯(lián)，以此來改變通過R3的電流大小，實驗圖如右。
5. 一只電烙鐵的額定電壓是220V，在額定電壓下工作時的電阻是1210Ω，求：
（1）電烙鐵的額定功率有多大？
（2）電烙鐵在額定電壓下通電10min產(chǎn)生多少熱量？
（3）當實際電壓只有額定電壓的80%時，電烙鐵的電阻保持不變，此時電烙鐵的實際功率是多少？
【解析】（1）電烙鐵的額定功率
P=UI= U2R = （220V）21210Ω=40W
（2）電烙鐵在額定電壓下通電10min產(chǎn)生的熱量
Q=W=Pt=40W×10×60s=2.4×104J
（3）實際電壓U實=80%U=80%×220V=176V
電烙鐵的實際功率
P實= U實2R = 176V21210Ω=25.6W
6. 如圖所示電路是某電飯鍋的內(nèi)部簡化電路圖，有1000W加熱和40W保溫兩擋功率可切換。
（1）若開關S接a，電飯鍋處于_________擋；
（2）開關S接b，電飯鍋工作5min時產(chǎn)生的熱量是_________J；
（3）電水壺在加熱擋正常工作3min，標有3000r/kW·h的電能表的轉盤轉過________。
【答案】（1）加熱；（2）1.2×104；（3）150.
【解析】（1）由電路圖知，當開關S接到b時，電阻R1、R2串聯(lián)，電路中的電阻較大，根據(jù)
P= U2R可知電路的總功率較小，處于保溫擋；開關接a時，電阻R1單獨工作，電路中的電阻較小，根據(jù)P= U2R可知電路的總功率較大，處于加熱擋。
（2）開關S接b，處于保溫擋，電飯鍋工作5min時產(chǎn)生的熱量
Q保=W保=P保t=40W×5×60s=1.2×104J
（3）電水壺在加熱擋正常工作3min產(chǎn)生的熱量
Q加=W加=P加t=1000W×3×60s=1.8×105J=0.05kW·h
電能表轉盤轉的轉數(shù) n=0.05kW·h×3000r/(kW·h)=150r
【課后反思】
本節(jié)課學習中，你有哪些收獲，還有哪些問題？

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物理九年級全冊第十八章 電功率第4節(jié) 焦耳定律導學案

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人教版第4節(jié) 焦耳定律導學案及答案

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初中物理人教版九年級全冊電子課本

第4節(jié) 焦耳定律

版本： 人教版

年級： 九年級全冊

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