第4节 焦耳定律

第4节焦耳定律【教学目标】1.知道电流的热效应.2.理解焦耳定律的内容、公式、单位及其运用.3.知道等效替代法和控制变量法在本节实验中的运用.4.知道利用和防止电热的场合和方法;5.在学习的过程中，渗透辩证唯物主义的思想.【教学重点】电热与电阻、电热与电流的关系的探究.电热的利用和防止.【教学难点】关于焦耳定律的计算.【教具准备】学生电源、导线、开关、滑动变阻器、电阻丝、烧瓶、温度计、水、电炉、电熨斗、电饭锅、热得快等电热器、多媒体课件等.【教学课时】1.5课时【巩固复习】教师引导学生复习上一节内容，并讲解学生所做的课后作业（教师可针对性地挑选部分难题讲解），加强学生对知识的巩固.【新课引入】教师出示一些用电器的图片，让学生观察，并提出问题：（1）比较它们有何不同？（2）灯泡发光一段时间后，用手触摸灯泡，有什么感觉？为什么？（3）电风扇使用一段时间后，用手触摸电动机部分有什么感觉？为什么？学生讨论、回答：灯泡发热，电风扇的电动机发热.师这节课我们就来研究一下电与热的有关问题.【进行新课】知识点1电流的热效应师请大家观察教材P120图18.4-1，图中电炉丝通电时都会产生什么现象？说明电流在工作过程中消耗的电能转化成什么能了？生：会产生热现象，说明电能转化成内能了.板书：电流通过导体时电能转化成内能，我们把这种现象叫电流的热效应.教师总结：电热的实质是电能的转化.电热既是电能转化为内能的过程，同时也是电流做功的过程.但是对不同的用电器来说，在消耗相同的电能的情况下，电能转化为内能的多少是不同的.比如电炉子、电饭锅、电烙铁等用电器的主要作用就是把电能转化为内能，从而供人们利用，此时在不考虑能量损耗的情况下可以近似认为电能全部转化成了内能；但是对于像电风扇、电冰箱、电视机、洗衣机等用电器，它们的主要目的不是将电能转化为内能，而是转化为其他形式的能量，所以此时消耗的电能中，只有很少一部分电能转化成了内能，这时的热效应体现得不明显.1.探究电流产生的热量跟哪些因素有（1）猜想：（教师引导鼓励学生发言）生1：可能与电压有关，因为电压越大，电炉中产生的热越多；生2：可能与电阻有关，因为电炉丝发热，而跟电炉丝相连的铜导线却不太热；生3：可能跟电流有关，因为常听说，电流大容易引发火灾.教师总结：电流、电压和电阻三个量之间是有联系的，明确了两个量就可以再确定另外一个量，故我们研究电热与电阻、电热与电流的关系就可以了.（2）设计实验:(采用控制变量的方法)①如何控制电流一定时电阻的变化？②如何控制电阻一定时电流的变化？③如何比较电流产生热量的多少？（转换的思想）师请同学们观察通电的电炉和相连的导线.生：电阻丝很快发红，与之相连的导线却不太热.师电阻丝与导线是怎样连接的？请就此提出一个值得探究的课题——在电流相同时，电流通过导体产生的热量与电阻有什么关系？演示实验1：把两个电阻不同的金属丝串联起来，放入装有相同质量煤油的两个烧瓶中，通电，观察烧瓶中的温度计的示数.说明哪个烧瓶中产生的热量多？可得出产生热量的多少与什么因素有关？分析结论：在电流相同、通电时间相同的情况下，一段电阻丝的电阻越大，这段电阻丝产生的热量越多.演示实验2：用一个电阻来做，通过滑动变阻器改变通过电阻的电流，观察烧瓶中的温度计的示数.得出什么结论？分析结论：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一段电阻丝的电流越大，这段电阻丝产生的热量越多.演示实验3：用一个电阻来做，通过相同的电流，改变通电的时间，观察烧瓶中温度计的示数.得出什么结论？分析结论：在电阻、通过的电流相同的情况下，通电时间越长，产生的热量越多.说明：探究电热因素的方案较多，学生提到的，都可尽量鼓励学生大胆地去探究.（3）怎样理解实验所选器材的目的：①实验时，选用的烧瓶要完全相同，里面所盛的煤油质量也要相同，以使两瓶中的煤油吸收不同的热量时，升高不同的温度.②瓶中阻值不同的电阻丝也可分别用镍铬合金丝和铜丝.③烧瓶中，为什么要装煤油？答：因为煤油的比热容小，吸收相同的热量，温度变化明显，从而使实验现象明显，另外煤油不导电，还能防止漏电.④在实验中，为什么要将两电阻丝串联？答：由于影响电热大小的因素有多个，所以必须采用控制变量法，才能探究某一因素对电热的具体影响.例如，探究电阻大小对电热的影响时，必须控制电流和通电时间相同，当两电阻丝串联时，可以绝对保证电流大小和通电时间相同.⑤由于实验中电流在导体上产生的热量无法直接观察，故采用转化法，把放出热量的多少转化为能直接观察的温度变化的多少.通电后电流在电阻丝上产生的热量越多，煤油上升的温度越高，观测温度的变化情况，就可以定性比较电流产生热量的多少了.（说明：当然本实验还有很多转化方案.例如，转化为烧瓶中煤油受热使煤油柱升高的高度；或转化为密闭空气受热膨胀使U形管中红色液柱出现高度差；或转化为导体上用蜡均匀黏住的火柴棒掉下的数目等.注意用心体会吧！）知识点2焦耳定律1.焦耳定律师英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840年最先确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系：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.这个规律叫焦耳定律.板书：公式：Q=I2Rt.单位：电流I——安培（A），电阻R——欧姆（Ω）,时间t——秒（s），热量Q——焦耳（J）.教师总结：运用焦耳定律计算电热时应注意：（1）焦耳定律公式Q=I2Rt,是由实验总结出来，只要有电流通过导体，都可以用它来计算所产生的热量.（2）公式中各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的，也是对应于同一状态的.师用导线把电炉接到电路中，为什么电炉丝很热，导线却不热？生导线的电阻很小，而电炉丝的电阻很大.师为什么电动机转动时消耗的电能都转化为机械能了吗？生大部分转化为机械能.2.纯电阻电路中利用求电热师像刚才接电炉的电路中，电流工作时将电能全部转化为内能，这样的电路叫纯电阻电路.初中我们所研究的电路，大部分是纯电阻电路，如电灯、电阻的电路.而电风扇所在的电路，电流工作时，消耗的电能只有一部分转化为内能，大部分转化为机械能，这样的电路为非纯电阻电路.3.消耗的电能W与产生的电热Q之间的关系：（1）纯电阻电路中，消耗的电能W等于产生的电热Q；（2）非纯电阻电路中，消耗的电能W大于产生的电热Q.板书：在纯电阻电路中，Q=W=Pt=I2Rt=.例题1（多媒体展示）冬天，王刚同学使用电热毯时发现电热毯有高温挡和低温挡，于是他设计了电热毯的模拟电路图甲和图乙（电热丝相当于电热毯内部发热电阻）.（1）图甲中有定值电阻R1（置于电热毯外部），电热丝R2，请说明要使电热毯处于低温挡，开关S1、S2应处于什么状态？并写出低温挡时电热毯发热电功率的表达式.（2）图乙中有两根电热丝R2、R3，请说明要使电热毯处于高温挡，开关S1、S2应处于什么状态？并写出高温挡时电热毯发热电功率的表达式.（3）请指出你认为其中较好的电路，并说明理由.分析：所谓“挡位”问题，通常是在电压不变的情况下，通过改变电路电阻，从而改变用电器的电功率，所以常用公式P=U2/R来判定，R越大，P越小，是低挡位；R越小，P越大，是高挡位.特别提醒：解答此类问题时要正确选用公式.在串联电路中，电流相等，一般选用公式P=I2R；在并联电路中，电压相等，一般选用公式P=U2/R.师请大家看教材P123《想想议议》，分析讨论.学生讨论后回答.教师总结：额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，单位时间内产生的热量越多.因为灯泡的电路是纯电阻电路，所以有Q=W=Pt=，当电压一定时，电阻越小，相同时间内产生的热量越多.而用焦耳定律比较两个电阻在单位时间内产生的热量的多少时，其前提条件是流过两个电阻的电流相同.二者并不矛盾，是两者的前提条件不同.对于焦耳定律的理解，教师应注意强调公式适用的条件，而不能片面地利用数学知识去讨论.对于焦耳定律可从两点加深理解：①在时间、电压相同时，由Q=可知电阻越小，产生的热量越多；②在时间、电流相同时，由Q=I2Rt可知，电阻越大，产生的热量越多.4.有关电热的计算问题：电热的计算一般包括两种情况：纯电阻电器（电热器电路）的电热计算和非纯电阻电路（电动机电路）的电热计算.解题时，先要判断电路是纯电阻电路还是非纯电阻电路.（1）对于纯电阻电路，由于电流通过导体做的功全部转化为内能（电能等于电热），计算电热和计算电能是一样的，可以采用计算电能的任何公式和方法来计算电热.（2）对于非纯电阻电路，电流做的功转化为其他形式的能和内能，内能只是其中的一小部分，电热功率只能用公式P=I2R来计算，电热只能用Q=I2Rt计算.此时，运用公式P=UI算出的是电路的总功率，用“UI-I2R”得到的是除内能外的其他形式的能.知识点3电热的利用和防止1.电热的利用和防止师日常生活中，利用电热工作的用电器有很多，请同学们举出例子.生：电烙铁、电熨斗、电饭锅、电烤箱、电炉……师本节课我们除了学习电热的利用，还需了解电热有害时怎样防止电热.师电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用电流的热效应，这类用电器称为电热器，而电热器的主要部分是发热体.教师出示电炉，引导学生观察后说出电炉的结构.生：电炉的结构主要是炉丝即电阻丝.还必须有炉盘，电炉盘是绝缘材料制成的.教师提问：从实际考虑，电炉丝应该有什么要求？生1：电炉就是要靠电炉丝发热的，所以炉丝的电阻应该很大.生2：炉丝还应有较高的熔点，这样它在发热时才不容易烧断.师请同学们以电炉为例说明发热体是用什么材料制成的？生：发热体是由电阻（率）大，熔点高的电阻丝绕在绝缘材料上制成的.教师出示热得快、电饭锅、电熨斗等电热器，并将电饭锅、电熨斗的发热板取出让学生观察，向学生说明，其他的电热器也都需要用电阻大、熔点高的金属导体作为发热体.师我们了解了电热器，大家能不能说说使用电热有什么好处？生1：电热清洁卫生，没有环境污染.生2：热效率高，使用方便.生3：能方便地调节，如控制温度，操作简单.师同学们知道了利用电热的好处.但有些时候，有些地方的电热我们是不需要的，还要设法防止.有关的内容，大家了解的有哪些呢？生1：电机使用过程中会发热，如果连续使用时间过长，就会烧坏电机.生2：有些导体上的绝缘材料会因温度过高，使绝缘材料迅速老化，甚至烧坏.生3：电视机开的时间长了会发热.电视机后盖上有许多孔，就是为了能通风散热.生4：电脑中还装有风扇，也是为了散热，减少电热的危害.生5：农村抽水、磨面用的电动机连续工作一段时间后要休息一会，等凉了再用，是为了防止电热可能造成的危害.师同学们对电热的危害及防止了解的还真不少，老师这儿有一份用电器的说明书，请大家仔细阅读，并分析说明其中的道理.（用多媒体播放）教师引导学生着重注意以下内容：工作时将电器置于通风良好处；勿使电器淋雨或受潮；长期不用的电器隔一段时间应该通电一次.生1：电器工作时，置于通风良好的地方，是为了能使电器更好地散热、防止电热产生的危害.生2：电器淋雨或潮湿会降低绝缘性能，使电路工作失常，影响用电器的使用.长期不用的电器隔一段时间要通电，是为了利用电热来驱潮，是电热的利用.例题教师用多媒体展示练习册中对应题目，并讲解.5.电热的综合应用电功与电热的区别与联系（教师可用多媒体展示说明）（1）电功与电热的区别：电功是指电流通过一段电路所做的功，它的大小表示电路消耗电能的多少，也表示有多少电能转化为其他形式的能.电热是指电流通过一段电路做功，电能转化为内能的那一部分.两者表示的意义不同，是两个不同的概念.（2）电功与电热的联系：①在纯电阻电器（电路中只有电阻的电路）中，电流所做的功没有转化为别的形式的能，只转化为内能，电路消耗的电能和生成的内能在数值上是相等的，即W=Q，此时计算电功的各个公式,如W=UIt=I2Rt=U2Rt=Pt都适用于计算电热.初中阶段所研究的电路一般仅限于纯电阻电路，如电灯、电炉、电热器、电熨斗等.②若电路中除有电阻外，还含有电动机、电解槽等，这种电路就是非纯电阻电路.从能量转化的角度看，这种电路消耗的电能除部分转化为内能外，还转化为机械能和化学能等.如在电动机工作的电路中，加在电动机两端的电压为U，通过它的电流为I，电动机的线圈也有一定的电阻R，此时电流做的功为W=UIt,而电流做的功并没有全部转化为内能，绝大部分转化为机械能了，通过线圈电阻R的电流仍使线圈发热，产生的热量Q=I2Rt，但此时Q≠W,而是Q＜W,即W=Q+机械能.（3）计算公式及其适用范围例题2（多媒体展示）一电动机的线圈电阻为1Ω,线圈两端所加电压为2V时，电流为0.8A，此时电动机正常工作.（1）在求电动机正常工作1min所消耗的电能时，有以下两种不同的解法：小明的解法：W=UIt=2V×0.8A×60s=96J;小华的解法：W=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J.你认为哪位同学做得好，请作出判断并说明理由.（2）求电动机正常工作1min所转化的机械能是多少.分析：电动机正常工作的过程是将电能转化为机械能和内能的过程，所以电动机工作时消耗的电能大于产生的电热.电动机获得的机械能是所消耗的电能与所转化成的热量的差值.解：（1）小明的解法正确.因为电动机为非纯电阻电路，其电流与电压、电阻之间的关系不满足欧姆定律，故含电动机的电路不能用含欧姆定律的推出公式求电功.（2）1min内电动机产生的电热为：Q=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J;则在1min内，这台电动机所转化的机械能是：W机=W-Q=96J-38.4J=57.6J.例题3（多媒体展示）小明家买了一台电烤箱，有低、中、高三个挡位的发热功率，如图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=48.4Ω，R2=96.8Ω，电源电压保持不变.请分析和解答以下问题：（1）当开关S1置于b端、S2断开时，电烤箱处于什么挡位？简述理由.（2）电烤箱在中挡位工作时，消耗的电功率是多少？（3）电烤箱在高挡位工作时，对食物加热6min，消耗的电能为多少？例题4（多媒体展示）如图所示是电饭锅的实物图，图甲是它的内部电路图，图乙是电路简图.它有“高温烧煮”和“焖饭、保温”两挡，由温控开关自动控制.煮饭时，先要按下温控开关按钮；到达设定温度（饭已煮熟），按钮会自动弹起.（1）对照观察图（甲）和图（乙），温控开关按钮未按下时，“烧煮电路部分”与“保温电路部分”是关系（选填“串联”或“并联”）；按下温控开关按钮，“烧煮电路部分”的电压为V，“保温电路部分”将（选填“工作”或“不工作”）；温控开关按钮弹起后，电路中的电流比原来（选填“大”或“小”）.（2）当温控开关按钮按下时，电饭锅电路的总功率为1100W.求：“烧煮电路部分”的电阻R1.（3）温控开关按钮弹起后，电饭锅电路的总功率为44W.求：①电路中的电流；②“保温电路部分”的电阻R2.（4）已知只有当指示灯和限流器两端的电压与电源相差不大时，指示灯才会发光.请通过相关计算分析说明为什么温控开关按钮弹起时，红灯熄灭而黄灯亮.分析：（1）由图乙电路简图可发现，温控开关按钮未按下时，电路中只有“烧煮电路部分”与“保温电路部分”串联，按下温控开关按钮，“保温电路部分”被短路不能工作，电路中只有“烧煮电路部分”，所以“烧煮电路部分”的电源为220V，温控开关弹起时，R1、R2串联，电路中电阻变大，根据I=U/R知，电压不变，电阻变大，故电流将变小；（2）当温控开关按钮按下时，电路中只有R1，则R1=U2/P;（3）温控开关弹起，R1、R2串联时，电路中的电流I=P/U，R总=U/I，则R2=R总-R1;（4）当温控开关按钮弹起时，R1、R2串联，则U1=I1R1=0.2A×44Ω=8.8V,远小于220V，而U2=U-U1=220V-8.8V=211.2V,接近220V，所以红灯不亮黄灯亮.课堂演练完成本课时对应课堂练习.【教师结束语】本节课我们学习了电热产生的原因，影响电热产生多少的因素，焦耳定律，以及纯电阻电路中电热的计算，电热的利用和防止等知识.实验设计时我们一定要有控制变量的思想，在说明一个物理量与另一个物理量之间关系时，一定要强调其条件，是在什么量不变的情况下才有这样的关系，使自己的叙述更加严密.电热在生产、生活中广泛存在，要从应用和危害两个方面认识电热，注意辩证地分析问题.课后作业完成本课时对应课后练习.1.实验的猜想既要注意挖掘学生的不同观点，又要将这些观点注意引导到我们所要探究的因素上.对实验的设计要放开让学生自己做，实践发现学生的思路有局限于课本上那个实验的倾向，所以要设计一个良好的实验情景，注意让学生的思维散开，发挥其主动性.实验中物理思维方法——控制变量法、转换法，要很好地引导学生去运用，加以培养.2.电热与电流的二次方成正比是初中学生第一次接触，有一定的难度，教师只作交待，留在高中再进一步探究验证.3.对于纯电阻电路的理解，先从电炉和电风扇工作时能的转化入手，再讲述概念，不空洞，学生易接受.4.电热的利用与防止，让学生认识事物总有两重性,在教学中渗透辩证唯物主义的思想.知能演练提升能力提升1.将规格都是“220V150W”的一台电风扇、一台电视机和一只电烙铁分别接入家庭电路中,正常工作相同时间,以下说法正确的是()A.三个用电器均能将电能全部转化为内能B.根据R=U2C.三个用电器消耗的电能一样多D.三个用电器产生的热量相等2.陈师傅在检修一只1000W的电炉时,发现电炉丝断了一小截,他用一段较细一些但由同种材料制成的电炉丝将残缺部分补接至原长,这样再接入原电路中时,其实际发热功率将()A.小于1000WB.等于1000WC.大于1000W D.无法判断3.当温度下降到很低时,部分导体电阻会突然消失,这种现象称为超导现象,假如白炽灯灯丝、电动机内线圈、电饭锅的发热板、电熨斗发热电阻都是用超导材料制作的,则通电后下列说法正确的是()A.灯仍发光B.电动机运转且效率比原来更高C.电饭锅仍能煮饭D.电熨斗仍能熨衣服4.关于电热和电热器有以下几种说法,正确的是()A.电热只有积极作用而无消极作用B.电热器的电阻越大,电流通过它时产生的热量就越多C.电炉、电烤箱、电吹风、电熨斗、电风扇等都是电热器D.500W的电热器连续正常工作2h就消耗1kW·h的电能5.下图是探究电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关的实验装置。两个透明容器中密封着等量的空气,通电一段时间后,右侧U形管中液面高度差比左侧的大。下列说法正确的是()A.左侧容器中电阻丝的阻值比右侧容器中的大B.该装置用来探究电流通过导体产生的热量跟电流大小的关系C.该装置可以用来探究电流通过导体产生热量跟电阻大小的关系D.U形管中液面高度发生变化是由U形管中液体的热胀冷缩造成的6.电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫,而连接的导线却不怎么热,主要原因是()A.通过导线的电流小于通过电阻丝的电流B.导线的绝热皮隔热C.导线的电阻远小于电阻丝的电阻D.导线散热比电阻丝快7.如图甲所示,把电阻R与灯L接在3V的电源上,电阻R与灯L的U-I图像如图乙所示,当S闭合时,电路消耗的功率为W,通电2min电阻R产生的热量为J。

8.甲、乙两只电炉分别标有“220V500W”和“220V1000W”字样,把它们串联在220V的电路中。在相同时间内产生热量较多的是,将它们并联在电路中,产生热量较多的是(选填“甲”或“乙”)。串联时甲电炉消耗的电功率与并联时甲电炉消耗的电功率的比为。

★9.探究电流通过导体时产生的热量与什么因素有关的实验中。如图甲和乙所示,两透明容器中密封着等质量的空气,两容器中的电阻丝串联起来连接到电源两端,通电一定时间后,比较两个U形管中液面高度差的变化。(1)在图甲中,通过两电热丝的电流;该实验是探究电流通过导体产生的热量与导体的的关系。

(2)图乙所示实验是探究电流通过导体产生的热量与通过导体的的关系。

(3)在该实验中,我们是通过观察U形管中液面的来比较各容器中电热丝产生热量的多少的。

(4)英国物理学家焦耳通过大量实验,最先精确地确定了电流通过导体时产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的成正比,跟成正比这个规律,即焦耳定律,其表达式为。

探究创新★10.电吹风是现代家庭常用的电器,右图是小华家中使用的电吹风。使用过程中,她发现电吹风既可以吹热风,又可以吹冷风。根据这个现象她断定:在电吹风中有带有风扇的电动机和可以发热的电热丝。根据电吹风能够单独输出冷风的现象,她认为电动机和电热丝是并联的。图甲、乙是她根据现象分析画出的两个电路图。(1)你认为上述两个电路,哪一个更符合实际情况?(2)小华查看说明书得知,该型号电吹风的正常工作电压为220V,且吹热风时的功率为460W,吹冷风时的功率为20W,求电吹风正常工作且吹热风时,电热丝的功率、电阻及1min内电流通过电热丝所产生的热量。知能演练·提升1.C电烙铁工作时,能将电能全部转化为内能;电风扇、电视机工作时,其消耗的电能不只是转化为内能,还会转化为其他能量,故A错误。虽然三个用电器的规格相同,但公式R=U2P只适用于纯电阻用电器,即利用该公式能计算电烙铁的电阻,不能计算电风扇和电视机的电阻,事实上它们的电阻也是不相同的,故B错误。三个用电器都在额定电压下工作,实际功率相同,都是150W,由W=Pt可知,相同时间内三个用电器消耗的电能一样多,故C正确。电烙铁工作时,电能全部转化为内能,因此正常工作相同时间,电烙铁产生的热量最多,故2.A由题意可知,修补电路所用的电炉丝与原来的电炉丝长度、材料相同,但横截面积较小,因此电炉丝修补后的电阻比原来增大了,根据公式P=U2R可知,在U不变,R增大时,P将减小,因此选项3.B白炽灯发光、电饭锅煮饭、电熨斗熨衣服都是利用电流热效应来工作的,假如它们用超导材料制作,由于电阻为0,根据焦耳定律Q=I2Rt,可知它们都不能工作。而电动机工作时电能主要转化为机械能,由于电流热效应,同时线圈发热,如果线圈电阻为0,则电能全部转化为机械能,减少了能量损耗。4.D电热既有利也有害,选项A错误;根据Q=I2Rt,电流通过电热器产生的热量由电流I、电阻R和通电时间t共同决定,电阻越大,产生的热量不一定越多,选项B错误;电吹风、电风扇不是电热器,选项C错误;500W的电热器连续正常工作2h,消耗的电能W=Pt=0.5kW×2h=1kW·h,故选项D正确。5.C容器中的两个电阻丝串联,通过它们的电流I与通电时间t相同,由焦耳定律Q=I2Rt可知,左边容器中的电阻小于右边容器中的电阻,故A错误;在装置中,容器中的两个电阻丝串联,通过它们的电流I与通电时间t相同,