物理九年级全册第4节 焦耳定律学案设计

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焦耳定律


1．对焦耳定律内容的理解　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2．利用焦耳定律计算电热　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　


一、焦耳定律
1．探究电流的热效应
【实验器材】（如下图）烧瓶（三个烧瓶中放入等量的煤油）、温度计、铜丝、镍铬合金丝、电源。
【实验步骤】
① 如下图中的左图，在两瓶中分别浸泡铜丝、镍铬合金丝。
② 将两瓶中的金属丝串联起来接到电源上。
③ 通电一段时间后，比较两瓶中煤油的温度变化。
（1）在通电时间相同的情况下，分别给一个烧瓶中的镍铬合金丝通入大小不同的电流（下图中的右图），观察什么情况下产生的热量多。
【实验结论】（1）在电流、通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多。
（2）在通电时间一定、电阻相同的情况下，通过电流大时，镍镉合金丝产生的热量多。
　　　　　

2．焦耳定律：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。

Q——热量——焦耳（J）；I——电流——安培（A）；
R——电阻——欧姆（Ω）；t——通电时间——秒（s）
3．有关焦耳定律的注意事项
（1）Q不与I成正比，而是与I2成正比。往公式里代数时要注意电流的代入：
Q＝I2Rt＝(1A)2×2Ω×5s＝10J
（2）对于纯电阻电路，电流做功消耗的电能全部转化为内能（Q＝W），这时以下公式均成立
（3）对于非纯电阻电路，电能除了转化为内能，还要转化为其他形式的能量。求Q时只能用Q＝I2Rt。
（4）利用电热的例子：热水器、电饭锅、电熨斗、电热孵化器等。
防止电热的例子：电视机外壳的散热窗；计算机内的散热风扇、电动机外壳的散热片等。
5．串并联电路中电功、电功率、电热与电阻的关系
物理量
串联
并联
电功

电功率

电热

比例关系
在串联电路中，电压分配、电功、电功率、电热都与电阻成正比

在并联电路中，电流分配、电功、电功率、电热都与电阻成反比






题型：焦耳定律
例1．甲、乙两个电热器的电阻之比为5：4，通过的电流之比为2：1，通电时间之比为1：2，则电流通过甲、乙两个电热器产生的热量之比为（　　）
　
A．
5：2
B．
5：4
C．
2：5
D．
10：1
解答：电热器产生的热量之比：===．
答案：A

例2 热熔胶在室温下为固体，加热变为较强粘性的液体，冷却后，将物体牢牢地粘在一起，如图是热熔胶枪的外形，在枪嘴内有电热丝．电热丝的电阻是1000Ω，通过的电流是0.2A时，1min产生的热量是 J．

解答：t=1min=60s，Q=I2Rt =（0.2A）2×1000Ω×60s=600J
答案：600
例3．如图所示的电路中，电源电压保持6V不变，电阻R1=10Ω，R2=20Ω，闭合开关S，则R1消耗的电功率为 W；若通电30s，电阻R2产生的热量为 J．

解析：（1）∵串联电路中总阻值等于串联的各电阻之和，　　　∴R=R1+R2=10Ω+20Ω=30Ω，
根据欧姆定律可得，电路中的电流：I===0.2A；
（2）由P=UI=I2R得：R1的电功率P1=I2R1=（0.2A）2×10Ω=0.4W；
串联电路中总电压等于各分电压之和，电阻R2产生的热量Q2=I2R2t═（0.2A）2×20Ω×30s=24J．
答案： 0.4；24．

例4．当前城镇化建设进程中，在一些场馆和楼房建设工地上，常见一种“塔吊”的起重设备，其主要组成为电动机和机械两部分，如图所示．假设某“塔吊”配置的电动机铭牌上标有：额定电压380V，额定功率38kW，线圈电阻0.5Ω．在一次起吊中，该“塔吊”电动机正常工作25s，把质量为3t的重物吊起22m（g取10N/kg）．求：
（1）电动机吊起重物的过程中消耗的电能．
（2）电动机正常工作过程中线圈产生的热量．
（3）该次起吊过程中“塔吊”机械部分的机械效率．

解析：（1）由于电动机正常工作，消耗的功率等于额定功率，即P=38kW=3.8×104W，工作时间t=25s，所以电动机消耗的电能为：W=Pt=3.8×104W×25s=9.5×105J
（2）电动机正常工作时的电流：I===100A
线圈产生的热量：Q=I2Rt=（100A）2×0.5Ω×25s=1.25×105J
（3）线圈电流产生热量即该“塔吊”本身消耗的电能为W1=Q=1.25×105J，
所以“塔吊”电能转化为机械能的总量，即机械部分所做的总功为：
W总=W﹣W1=9.5×105J﹣1.25×105J=8.25×105J
该次起吊过程中“塔吊”机械部分的机械效率：
η=×100%=×100%=×100%=80%
答案：（1）电动机吊起重物的过程中消耗的电能9.5×105J．
（2）电动机正常工作过程中线圈产生的热量1.25×105J．
（3）该次起吊过程中“塔吊”机械部分的机械效率80%．
例5． “吃火锅”是人们喜爱的一种饮食方法。火锅里装有2L、60℃的水，要把这些水加热到100℃，求：
（1）水吸收了多少J的热量？[c水=4.2×103J/(kg·℃)]
（2）若由阻值为24.2Ω的电热丝接入家庭电路来加热，使锅内的水由60℃加热到100℃，且电热丝产生热量的80%被水吸收，则电热丝需正常工作多长时间？
解析： （1）锅中水的体积V=2L=2×10﹣3m3，
由ρ=得，水的质量：m=ρV=1.0×103kg/m3×2×10﹣3m3=2kg，
水吸收的热量：Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（k•g℃）×2kg×（100℃﹣60℃）=3.36×105J，
（2）由η=得，电热丝产生的热量：Q放===4.2×105J，
电热丝消耗的电能：W电=Q放=4.2×105J，
电热丝的功率：P===2000W，
由P=得，工作时间：t===210s．
答案：（1）水吸收的热量是3.36×105J；（2）电热丝需正常工作210s．
例6．为了探究电流产生的热量跟什么因素有关，王军设计了如图所示的甲、乙两种装置，他将两根阻值不同的电阻丝（R1＜R2）分别密封在两个完全相同的烧瓶中，并通过短玻璃管与相同的气球相连，两次实验电源电压不变．
（1）实验中通过　 　的变化来比较电流通过电阻丝产生的热量的多少．
（2）甲装置可探究电流产生的热量与　 　的关系．
（3）在装置甲、乙的两次实验中，通过比较相同时间里气球B与D的变化情况，可探究电流产生的热量与　 的关系．
（4）甲、乙两装置同时实验，在相同的通电时间里，与　 　气球（填气球字母标号）相通的电阻丝产生的热量最多．

解析：（1）当电阻丝通电后，电流产生热量使瓶内温度升高，从而使气球膨胀，根据气球膨胀的程度大小可知电流通过电阻丝产生的热量的多少．这种方法叫转换法；
（2）甲中阻值不相等两电阻串联，则两电阻中的电流相等，通电时间也相等，所以可探究电流产生热量与电阻大小的关系；
（3）由乙图可知两电阻并联，而B瓶与D瓶电阻相等，电压不相等，则可知两瓶中的电流不同，可探究电流产生的热量与通过电流的关系；
（4）甲图中两电阻串联，则通过两电阻的电流相等，由焦耳定律可得，电阻大的电阻丝发热较多，即B中发热量要多；
乙图中两电阻并联，则电压相等，由Q=W=t可得，电阻小的发热量要多，故C比D发热量要多；
而B、D电阻相等，由欧姆定律可得，B中电流小于D中电流，故D中热量要比B中热量多，故C中热量最多．
答案为：（1）气球膨胀的程度大小；（2）电阻；（3）电流；（4）C．


基础演练
1．焦耳定律内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成　　　　，跟导体的电阻成____　__，跟通电时间成　　　　　　　。
2．焦耳定律公式：
(1)数学表达式：__ ______(适用于所有电路)。
(2)对于纯电阻电路可推导出：Q＝ 　　　＝ 　　　　＝ 　　　。
3．一只标有“220V 44W”字样的电热器，在额定电压下使用时，通过它的电流为 A，通电50min可以产生 J的热量。
4．一个电热器接在3V的电源上，5min内产生的热量是90J，则这个用电器的电阻是 Ω，
通过的电流是 A。如果通过这个电热器的电流是原来的2倍，则5min内产生的热量是 J。
5．下列情况中防止电热危害的是（ ）
A．供取暖用的电热毯　 B．电热器的发热体
C．电熨斗的金属外壳　 D．电视机上的散热窗
6．把两条电阻丝串联后接到电源上，发出热量较多的一定是 （　　）21
A．电流较强的 B．电压较大的 C．电阻较小的 D．、以上三个都对
7．将规格都是“220V 100W”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，下列有关说法中，错误的是 （　　）
A．三个电器产生的热量一样多 B．电流通过三个电器做功一样多
C．三个电器消耗的电能一样多 D．电烙铁产生的热量最多
8．如图所示，ab和bc是两根电阻丝，若将a、b端接入某一恒定电压的电路时，1min产生的电热是360J；若将b、c端接入同一电路中时，1min产生的电热是180J，则a、c端接入该电路时，1min产生的电热是（　　）
A．540J B．180J
C．120J D．30J
9．如图所示，电源电压U保持不变，当滑动变阻器的滑片P 由b端滑向a端的过程中，下列说法中正确的是（　　）
A．电压表V1示数不变，电压表V2示数变大，R1的电功率变小
B．电压表V1示数变大，电压表V2示数不变，1s通过R1的电流做功变大
C．电压表V1示数变小，电压表V2示数变大，1s通过电路的电流做的总功变大
D．电压表V1示数不变，电压表V2示数变大，1s通过R1的电流产生的热量变多
10．如图所示电路，电源电压为6V，R1=10Ω，R2=20Ω，R3=5Ω，当闭合开关S1后，下列说法正确的是（　　）
A．闭合开关S2、S3，通过R2的电流是0.24A
B．断开S2、S3，电路消耗的功率是2.4W
C．断开S2、闭合S3，R1两端的电压是4V
D．在相等的时间内，闭合S2、S3时和断开S2、S3时，电流通过R1产生的热量之比是9：4

参考答案：
1．正比；正比；正比 　　　2．Q=I2Rt；U2t/R；UIt；Pt 　　　　　3．0.2；1.32×105
4．30；0.1；360 　　　5．D　　　　6．B　　　7．A　　　8．C　　　9．D　　　10．B


巩固提高
1．如图所示为“iPad”的充电器，参数标有5V 2.1A，表示充电电压是5V，最大输出电流2.1A，电板充满电所储存的电能是113400J。充电时的能量转换是电能转化为　　　　　　　　化学/内）能。若“iPad”充电时以最大输出电流充电，要将空电板充满电需要__　　　____h，小明觉得充电时间太长了，他想为什么苹果公司在设计时不把最大输出电流提高呢？这样可以实现快速充电，于是他请教了物理老师，老师告诉了他一个信息，影响锂电池寿命的最大杀手是电板发热，小明恍然大悟，请你解释其中的原因　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
2．电热毯是冬季北方常用的取暖设备，它是利用　　　　　　　　　　　　来工作的。而计算机内都装有小风扇，它工作时把热空气驱走，这是为了　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
3．如图是某家用电器内部电路结构图,其中R1R2为加热电阻丝(R1>R2)，下列电阻丝的四种连接方式,可使电热器提供不同的发热功率,关于其大小说法正确的是　　　（　　）

A．甲的连接方式,发热功率最小              　　B．乙的连接方式,发热功率最大
C．丙的连接方式,发热功率最小              　　D．丁的连接方式,发热功率最大
4．一只“220V 45W”的电烙铁，在额定电压下使用，每分钟产生的热量是(  )
A．45J  　   　　 B．220J     　　　  C．2700J        　　 D．9900J
5．某学生想通过如图所示的电路图来进行下列四个实验（电源电压保持不变，R1为定值电阻，你认为不可行的实验是（　　）
A．验证欧姆定律 　　B．验证焦耳定律
C．测定电阻R1消耗的功率 　D．验证电路两端总电压等于各部分电阻两端电压之和
6．一个大功率的用电器，用铝线接入电源后，工作过程中发现导线太热，为了不使导线过热，下列措施中可行的是（　　）
A．改用长短，粗细都相同的铜导线 B．将铝导线加长些21cnjy
C．改用长短相同，更细些的铝导线 D．将铝导线减短些
7．如图是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻间关系”的实验装置，电阻丝浸在质量相同、初温相同的煤油中，在闭合开关进行实验的过程中（　　）
A．用温度计示数的变化来反映电阻丝产生热量的多少
B．B瓶电阻丝中的电流比A瓶电阻丝中的大
C．要保持电阻R1、R2两端的电压相同
D．在时间相同时，两瓶中煤油吸收的热量相同

8．某实验中学物理兴趣小组的同学利用电烙铁焊接电器元件时，发现电烙铁通电一定时间后热得发烫，而跟电烙铁连接的铜导线却不怎么热．这是因为　　（　　　）
A．电烙铁比铜导线粗
B．通过电烙铁的电流大，而通过铜导线的电流小
C．电烙铁内电热丝的电阻比铜导线的电阻要大得多
D．电烙铁内电热丝的通电时间比铜导线的通电时间长[来
9．小华准备参加玩具赛车比赛，他运用如图所示的电路来挑选一只能量转换效率较高的电动机，设电池的电压为6V恒定不变，他先用手捏住电动机的转轴，使其不转动，闭合开关后读出电流表的读数为2A，则电动机线圈电阻为　__　__Ω，电动机的功率为　_____W；然后放手，当电动机正常转动时，又读出电流表的读数为0.6A，则该玩具电动机正常转动时1min产生的热量为　_ __J，将电能转化为机械能的效率为　 　　　　　．
10．家用电器的使用日益广泛，好学的瑞瑞突发奇想，想检验电热水壶和电饭煲谁的热效率高。如图所示是瑞瑞家两种电器及其铭牌，下表是瑞瑞在使用这两种电器(正常工作)烧水时所记录的数据.

电热水壶
电饭煲
装水质量/kg
1.8
1.8
水的初温/℃
20
20
水烧开时间/s
480
840


(1)在1标准大气压下，把电热水壶中的水烧开，水需要吸收多少热量？
(2)试通过计算说明电热水壶和电饭煲的热效率谁高。[c水＝4.2×103J/(kg·℃)]




11．如图所示为某种家用电热水器工作电路图的简化图，表中为三种加热模式的相关参数。
加热
模式
工作状态
额定功率
P/kW
1
发热电阻R1单独工作
2
2
发热电阻R2单独工作
3
3
发热电阻R1与R2交替工作







(1)该电热水器的插头应接入________孔插座。
(2)若该热水器按“加热模式1”连续正常工作10 min，通过发热电阻的电流是多少？产生的热量是多少？(计算结果保留2位小数)
(3)若该电热水器连续正常工作15 min，消耗电能0.55 kW·h，通过计算说明该电热水器采用了哪种加热模式。


参考答案：
1．化学    3     由于电流热效应，充电电流越大，单位时间电池产生的热越多，容易损坏电板
2．电流的热效应（或电流通过用电器产生热量）  散热（或防止电热带来的危害、给计算机降温） 
3．D　　　　4．C　　　5．B答答　6．A　　　　7．A　　　8．C源9．3；12；64.8；91%
10．（1）6.048×105 J （2）电饭煲的热效率高 [来源:学科网]
11．（1）三 (2)9.09 A；　1.2×106 J (3)采用“加热模式3”


1．标有“220V 40W”电热器安装在220V的电路中，工作100s后，所消耗的电能是 J，通过电热器的电流是 A，产生的热量是 J。
2．下列电器中，不属于电热器的是 （ ）
A．电饭锅 　　 B．电熨斗　　　　　C．电风扇 　　 D．电烤炉
3．家庭电路使用的电炉，电炉丝与导线是串联的，当电炉丝发热发红时，连接导线却不热，因为（ ）
A．通过电炉丝电流比通过连接导线的电流大
B．通过电炉丝电流比通过连接导线的电流小
C．电炉丝两端电压比连接导线两端电压小　
D．电炉丝的电阻比连接导线的电阻大
4．下列情况中防止电热危害的是 （ ）
A．电视机背后有散热窗　　 B．家电长时期不使用，隔一段时间要通电一次
C．家庭电路一般安装的漏电保护器　　 D．大型爆破工程用电热引爆炸药
5．如图8所示，在四个相同水槽中盛有质量和温度都相同的纯水，现将阻值为R1、R2的电阻丝(R1