第25讲探究焦耳定律九年级物理上册讲义（沪粤版）

第25讲探究焦耳定律目标导航目标导航课程标准课标解读1．知道电流的热效应；2．会用实验探究通电导体放出的热量跟哪些因素有关，在设计实验的过程中运用控制变量法和转换法；3．能用焦耳定律说明生产、生活中的一些现象。培养乐于探索日常生活中的物理学道理的热情。知识精讲知识精讲知识点01通电导体放出的热量与哪些因素有关1．电流通过灯泡的灯丝时，灯丝变得灼热而发光，这种电能转化为内能的现象叫做电流的热效应。2．如图所示，在探究电流的热效应与哪些因素有关的实验中：(1)通过观察温度计示数的变化来判断电流产生的热量的多少。(2)图中甲、乙两根电阻丝是串联的，这是为了研究电流产生的热量与电阻大小的关系。【即学即练1】在做“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验时，小于采用了如图甲所示的实验装置。两个透明的容器中密闭了等量的空气，U型管中液面变化反映了密闭空气温度的变化。（1）若通电时间相同，发现B玻璃管内液面上升较高，这表明：在电流和通电时间相同的情况下，导体的___________越大，产生的热量越多；（2）小刚采用了如图乙所示的实验装置，通电相同时间，发现A玻璃管液面上升较高，这表明：在电阻和通电时间相同的情况下，通过导体的___________越大，产生的热量越多；（3）该实验中用到的研究物理问题的方法是___________法和___________法。【答案】电阻电流控制变量转换【解析】[1]将容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过它们的电流I与通电时间t相同，左边容器中的电阻小于右边容器中的电阻，右边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快，根据控制变量法可得：在相同时间内，电流相同的情况下，电阻越大，电流通过导体时产生的热量越多。[2]装置中一个的电阻与两个的电阻并联后再串联，根据串联电路的电流特点可知，右端两个电阻的总电流和左端的电阻电流相等，即，两个的电阻并联，根据并联电路的电流特点知，两电阻阻值相等，则支路中电流相等，即，所以右边容器中的通过电阻的电流是左侧通过电流的一半，由题意，左边容器中的电阻产生的热量多，温度升得较快，根据控制变量法可得：在相同时间内，电阻相同，电流越大，通过导体时产生的热量越多。[3]电流产生的热量与电阻、电流及通电时间等多个因素有关，探究时每次只能选择一个因素进行，其它因素相同，故这是控制变量法的应用。[4]热量的多少不容易直接观察，我们通过U型管液柱的高度差来间接反映，故这是转换法的应用。知识点02焦耳定律焦耳定律：电流流过时导体的产生的热量，跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。计算公式是Q＝I2Rt。【即学即练2】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。现有一台线圈电阻是10Ω的电动机，当电动机两端加220V电压时，通过电动机线圈的电流为1A，电动机工作5分钟所输出的机械功是______J。【答案】63000【解析】[1]电动机是将电能转化为机械能和内能的一种机器。题目中告诉我们，通过电阻的电流、电阻以及通电时间，这部分产生的热量通过焦耳定律得知道电动机的电压、电流和通电时间，可知电动机消耗的电能为则动机工作5分钟所输出的机械功为知识点03电流热效应的应用与控制1．电热器是利用电流的热效应来工作的，电热器的主要组成部分是发热盘，它是由电阻率大，熔点高的电阻丝制成的。生活中常见的电热器有电熨斗、电热水壶、电吹风等。2.长期不用的家电设备每隔一段时间需要通电一次，这是利用电热；电视机的机壳上设计了网眼花格，这是防止电热。【即学即练3】电热膜是一种新型的电热器件，如图甲所示是一种常见的电热膜。电热膜是在绝缘的聚酯薄膜表面，经过特殊工艺加工形成的一条条薄的导电墨线，导电墨线两端与金属导线相连，形成网状结构，其内部结构如图乙所示。电热膜通电工作时没有发红、炽热或发光现象的产生。它与被加热的物体直接接触，产生的热量很快传给被加热物体，所以电热膜本身的温度并不太高，不易氧化，使用寿命长。在制造电热膜时，会出现不同区域的导电墨线厚度不均匀的现象，厚的导电墨线电阻小。导电墨线的电阻随温度变化的关系如图丙所示，这种温度特性的优点是，它不会因厚度不均匀而出现严重的发热不均、局部过热的现象，这是电热丝所不具备的，它保证了电热膜各处的温度均衡。(1)电热膜取暖器工作时，室内空气温度升高是通过______方式增加空气内能的。(2)某根导电墨线的局部导电材料脱落，如图丁中A部分，这根导电墨线的电阻会______。A．变大B．变小C．不变D．以上三种情况均有可能(3)与传统的电热丝加热器相比，电热膜取暖器的发热效率高，原因是______。(4)传统的电热丝发生接触不良时，会引起火灾，是因为______。(5)将图戊中一块电热膜接入电路，正常工作时金属导线中A、B处电流分别为IA和IB，则IA______IB（选填“＞”、“＜”或“=”）。(6)电热膜不会因厚度不均而出现局部过热的现象，原因______。【答案】热传递A电热膜通电工作时，没有发红、炽热现象电热丝接触不良，会导致接触面积变小，电阻变大，会使局部过热＜墨线温度升高时电阻增大，所以发热功率减小【解析】(1)[1]电热膜取暖器工作时放出热量，室内空气吸收热量，温度升高，是通过热传递的方式使得室内温度升高。(2)[2]部分的凹形会导致横截面积变小，电阻变大，故选A。(3)[3]此题可以从原文中获取答案：电热膜通电工作时，没有发红、炽热现象。(4)[4]电阻的影响因素为：长短、横截面积和材料，电热丝接触不良，会导致接触面积变小，电阻变大，在局部产生的热量过多。(5)[5]因为墨线是并联的，如图中，若通过每条墨线的电流为I，则IA=3I，IB=9I，因此IA＜IB。(6)[6]从丙图可以看出随温度升高导电墨线电阻而增大，由，所以发热功率减小。能力拓展能力拓展考法01串、并联电路电热与电阻的关系【典例1】有一种多功能蒸汽电熨斗，为了熨烫方便和使温度不致上升得过高，在电熨斗的接线处加接了如图所示的装置。请思考后回答下列问题：(1)电熨斗主要是利用电流的________效应工作的；通电一段时间后电熨斗变得很烫，而连接电熨斗的导线却不怎么热，这主要是由于导线____________。(2)如果使用图中的插头，这样做在________________________时可能会造成触电事故。(3)若发现温度过高，则应将开关S________。(4)如果将图中的灯泡L换成额定电压相同而额定功率更小的灯泡，则在开关S断开的情况下电熨斗会热得________(选填“更快”或“更慢”)。【答案】热电阻小漏电时接触电熨斗的外壳断开更慢【解析】(1)电熨斗主要是利用电流的热效应工作的；通电一段时间后电熨斗变得很烫，而连接电熨斗的导线却不怎么热，这主要是由于导线电阻很小，导线与电热丝串联，在电流和通电时间相同时，根据Q＝I(2)如果使用图中的两线插头，没有使电熨斗的金属外壳接地，这样做如果发生漏电且在使用中接触电熨斗的外壳时，就会造成触电事故。(3)电熨斗需要温度较高时，开关S应闭合；电熨斗需要温度较低时，开关S应断开；开关S断开时，电熨斗与灯L串联，电路中的电阻变大，导致电路中的电流变小，由公式P＝I(4)根据R=U2P可知，当将图中的灯泡L换成额定电压相同而额定功率更小的灯泡时，电路中的电阻变大，电流变小，由P＝【点睛】重点是电功率变形公式的应用，牢记P=U2R和考法02焦耳定律的综合计算及多挡问题【典例2】如图是多挡位电热器的工作电路图，电热器内只有两个阻值分别为R1＝50Ω和R2＝100Ω的电热丝；旋钮开关内有一块绝缘圆盘，在圆盘的边缘依次有“0、1、2……9”共10个金属触点；可以绕中心轴转动的旋钮开关两端各有一个金属滑片，转动旋钮开关可以将相邻的触点连接。如旋钮上的箭头指向图中位置D时，金属滑片将2、3触点接通，同时另一端将7、8触点接通。电源电压为220V。用这个旋钮开关可以实现电热器有多挡位加热功率的要求。请回答：(1)该电热器可有几个不同加热挡位____？(2)将此电热器接入家庭电路中，电热器在正常工作时每个挡位的功率各是多大_____？分别指出旋钮开关接在哪个挡位。【答案】四A挡：R1、R2并联接入电路，电路的总电阻最小，为最大功率挡1452W；B挡：只有R1接入电路，为较大功率挡968W；C挡：R1、R2串联接入电路，电路的总电阻最大，为最小功率挡322.7W；D挡：只有R2接入电路，为较小功率挡484W【解析】(1)有四个加热挡位。A挡：当旋钮上的箭头指向图中位置A或F时。B挡：当旋钮上的箭头指向图中位置B或G时。C挡：当旋钮上的箭头指向图中位置C或H时。D挡：当旋钮上的箭头指向图中位置D或I时。(2)A挡：R1、R2并联接入电路，电路的总电阻最小，为最大功率挡，P1B挡：只有R1接入电路，为较大功率挡，P2C挡：R1、R2串联接入电路，电路的总电阻最大，为最小功率挡，电路的总电阻：R＝RP3D挡：只有R2接入电路，为较小功率挡，P4【点睛】关键是读懂电路图，能看清各个档位时两个电阻的连接情况，另外注意公式P=U分层提分分层提分题组A基础过关练1．甲图是小灯泡L和电阻R的I−U图象．将小灯泡L和电阻R接入乙图所示电路中，只闭合开关S1时，小灯泡L的实际功率为1W．下列说法错误的是（

）A．只闭合开关S1时，小灯泡L的电阻为4ΩB．再闭合开关S2时，电流表示数增加0.2AC．再闭合开关S2时，电路总功率为1.4WD．再闭合开关S2后，在1min内电阻R产生的热量为240J【答案】D【解析】A．只闭合S1时，电路中只接入L，L的实际功率为1W，由P=UI得，在甲图中找出L符合U、I乘积为1W的图像，则U=2V，I=0.5A，则小灯泡L的电阻R==4Ω，故A错误；B．由A选项分析得电源电压U=2V，再闭合S2后，R与L并联接入电路，电压为2V，在甲图中找出R此时对应电流为0.2A，用并联电路电流的特点可知电流表示数增大0.2A，故B错误；C．再闭合S2时，电源电压为2V，R的电流为0.2A，L的电流为0.5A，电路中总电流为I总=0.2A+0.5A=0.7A，故总功率P=U总I总=2V×0.7A=1.4W，故C错误；D．再闭合S2时，电阻R的电压为2V，电流为0.2A，通电1min即60s，产生热量Q=W=UIt=2V×0.2A×60s=24J，故D正确．2．将规格都是“220V180W”的一台电冰箱、一台电脑和一床电热毯，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．电脑产生的热量最多C．电热毯产生的热量最多 D．三者产生的热量一样多【答案】C【解析】分析：由题意知，三种用电器的额定电压都是220V，额定功率都是180W；家庭电路电压是220V，把这三个用电器接入家庭电路，三个用电器都正常工作，实际功率相同都等于额定功率，通电时间相同，根据可知消耗的电能相同；通过分析三种用电器工作时的能量转化情况，找出产生热量最多的用电器．解答：∵接在家庭电路中，U=220V，∴三种用电器的实际功率：；又∵，用电器工作时间t相等，∴三种用电器消耗的电能相同；∵电冰箱与电风扇工作时，主要把电能转化为机械能，产生的热量很小，电热毯工作时电热丝产生热量，把电能全部转化为热量；∴产生热量最多的是电热毯．故选C．【点睛】知道电流做功的实质：电流做功的过程就是消耗电能转化为其它形式能的过程，能分析三种用电器的能量转化是本题的关键．3．两个定值电阻、并联在电路中，如图甲所示，它们的电流与其两端的电压关系如图乙所示，闭合开关S，则，产生的热量之比为

A．2：1 B．1：2 C．4：1 D．1：4【答案】A【解析】由并联电路的特点知道，R1、R2的电压是相同的，由图乙知道，在电压相同时，通过R1、R2的电流之比是2：1；由I=U/R知道，R1、R2的电阻之比为1：2；由图甲知道，闭合开关S，则通电时间相同，由知道，产生的热量与电阻成反比，故R1、R2产生的热量之比是2：1，故选A．4．某电池容量为4200mAh，，电池电压为3.7V。用一个标有“输出5V

4A”的快速充电器，将电池从零电量充满。充电效率为84%，需要______min。快充充电线比普通充电线要粗一些，这是因为正常工作时，通过快充充电线的______较大。【答案】

55.5

电流【解析】[1]电池充满电需要的电能为设需要充电时间为t1，则代入数据解得[2]快充充电线的电流比普通电流要大，所以充电线要粗一些，使得导线电阻要小一些，可以减小电流热效应产生的热量。题组B能力提升练1．图是探究“影响电流热效应因素”的实验装置，将R1、R2两电阻丝密封在两只完全相同的烧瓶内，且R1＞R2，瓶内装入等质量的煤油，下列说法错误的是（）A．烧瓶内选用比热容较小的液体，可以使实验现象更明显B．该装置可以探究电流通过电阻丝产生的热量与电阻大小的关系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．若要比较水和煤油的比热容大小，只需将一个烧瓶内的煤油换成等质量的水即可【答案】D【解析】A．在液体质量相同、吸收热量相同的情况下，比热容小的物质温度要升高的多，所以用比热容小的液体可以使实验现象更明显，故A正确，不符合题意；B．由图可知，该电路为串联电路，通过两个电阻的电流和通电时间是相同的，电阻不同，所以该装置可以探究电流通过电阻丝产生的热量与电阻大小的关系，故B正确，不符合题意；C．通电后电流通过电阻丝做功，产生热量使煤油的温度升高，通过观察温度计的示数大小来判断电流产生的热量的多少，这个研究方法为转换法，故C正确，不符合题意；D．比较水和煤油的比热容大小时，需要用相同的加热器加热质量相同的不同液体，使它们在相同的时间内吸收相同的热量，所以需要控制两个电阻的装置相同，故D错误，符合题意。故选D。2．已知定值电阻R1∶R2=2∶3，若把它们并联在同一电路中，通电后，它们的电流之比I1∶I2=___；若把它们串联在同一电路中，通电1分钟，R1、R2产生的热量之比Q1∶Q2=___。【答案】

3∶2

2∶3【分析】两电阻并联时它们两端的电压相等，根据欧姆定律求出通过的电流之比；两电阻串联时通过它们的电流相等，根据求出通电1分钟R1、R2产生的热量之比。【解析】[1]因并联电路中各支路两端的电压相等，则两电阻并联时通过的电流之比[2]因串联电路中各处的电流相等，所以，通电1分钟R1、R2产生的热量之比3．额定电压为220V的家用电暖器正常工作时，通过内部电热丝的电流为5A，则电热丝正常工作时的电阻为_____Ω，工作10min产生的热量为_____J。电热丝通电后变得很烫，而连接的导线却不怎么热，这是由于导线电阻远_____（选填“大于”或“小于）电热丝电阻的缘故｡【答案】

44

6.6105

小于【解析】[1][2]额定电压为220V的家用电暖器正常工作时，通过内部电热丝的电流为5A，根据欧姆定律可知电热丝正常工作时的电阻为工作10min产生的热量为[3]根据焦耳定律：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，跟通电的时间成正比。电热丝与连接的导线串联，电流大小和通电时间相同，电热丝通电后变得很烫，而连接的导线却不怎么热，这是由于导线电阻远小于电热丝电阻的缘故｡4．某物理学习小组进行“探究电流相同时通电导体产生热量的多少跟电阻的关系”时，可供选用的器材有：6V电源，5Ω的发热电阻两只，10Ω的发热电阻两只，量程适合的温度计两只，规格相同的烧瓶两只，水，酒精，煤油，开关，导线若干。（1）他们设计了图甲和图乙所示的两个方案，本实验应该选用图___________所示方案。（2）所选方案中两发热电阻的阻值应________，两个烧瓶内的液体应为质量_________的_______种类的液体。（均填“相同”或“不同”）（3）已知比热容的大小为c水>c酒精>c煤油，为了缩短实验时间，应选用的液体是_______。完成上述实验后，实验小组利用以上器材，又添加了天平、烧杯、停表等器材，设计了“测定酒精的比热容”的实验。已知在本次实验条件下，水的沸点为100℃，酒精的沸点为78℃，忽略热量散失。（4）实验小组认为图甲和图乙所示两个方案均可行，为了让两种液体相同时间内吸收的热量相同，不论选择哪种方案，两发热电阻的阻值应___________（填“相同”或“不同”）。（5）方案选定后，实验过程如下：①将天平放在水平实验台上，把游码拨到标尺左端的零刻度线处，观察到指针偏向分度盘的左侧，向右调节___________，直至天平平衡。用烧杯和天平测量出质量相等的水和酒精，分别装入两个烧瓶里。②记下两种液体的初始温度，接通电路，加热一段时间后，记下液体的末态温度。该实验过程中应保证酒精的温度低于___________。③根据表中数据可得酒精的比热容为___________J/（kg·℃）。液体加热时间/s质量/g初始温度/℃末态温度/℃比热容/J/（kg·℃）水4206020324.2×103酒精420602041（6）结合表中数据进一步分析，可知实验过程中选择的是图___________所示方案。【答案】

甲

不同

相同

相同

煤油

相同

右

78℃

2.4×103

乙【解析】（1）[1]电流通过导体产生的热量与通过的电流、导体的电阻和通电时间有关，研究与其中一个因素的关系时，要控制另外两个因素不变。探究电流相同时通电导体产生热量的多少跟电阻的关系时，要控制通电时间相同，只改变电阻的大小，根据串联电路各处的电流都相等（甲乙方案中通电时间都相等），本实验应该选用图甲所示方案。（2）[2]根据[1]可知，所选方案中两发热电阻的阻值应不同。[3][4]实验中电流产生的热量不易直接测量，可给质量相等的同种液体（比热容相同）加热，根据通过温度计示数变化的多少反映产生热量的多少，采用了转换法。故两个烧瓶内的液体应为质量相同的相同种类的液体。（3）[5]已知比热容的大小为c水>c酒精>c煤油，根据，质量相同的液体升高相同的温度，比热容越小，吸热越少，故为了缩短实验时间，应选用的液体是煤油。（4）[6]实验小组认为图甲和图乙所示两个方案均可行，为了让两种液体相同时间内吸收的热量相同，根据Q=I2Rt，对甲图而言，两发热电阻要相同；对乙图而言，两电阻并联，由并联电路各支路电压相等，根据可知，两发热电阻的阻值也应相同，即无论选择哪种方案，两发热电阻的阻值应相同。（5）①[7]将天平放在水平实验台上，把游码拨到标尺左端的零刻度线处，根据指针偏转的方向，平衡螺母调节的原则是：左偏右调，右偏左调。故观察到指针偏向分度盘的左侧，即向右调节平衡螺母，直至天平平衡。②[8]因酒精的沸点为78℃，故该实验过程中应保证酒精的温度低于78℃。③[9]电阻丝相同，相同时间放出的热量相同，因忽略热量散失，水吸收的热量等于酒精吸收的热量，根据有即故酒精的比热容为（6）结合表中数据，实验过程中，电阻丝放出的热量为若用甲方案，用两个5Ω的发热电阻，根据串联电阻的规律及欧姆定律，电路的电流为根据焦耳定律Q=I2Rt，产生的热量为Q1=I12Rt=(0.6A)2×5Ω×420s=756J若选用两个10Ω的发热