18.4 焦耳定律 课件（内嵌视频）2026-2027学年人教版物理九年级全一册

第4节焦耳定律1.认识电流的热效应，了解焦耳定律，能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象，分析解决简单的实际问题。2.结合电功的表达式和欧姆定律推导焦耳定律的表达式，培养演推理能力。3.经历研究电热与电阻、电流关系的过程，体会实验中控制变量的方法，发展观察、分析、处理信息、得出结论的能力。4.通过学习电热的利用和防止，感悟辩证看待问题的方法，体会物理学对社会发展的推动作用。教学目标电炉工作时，电炉丝通过导线接到电路里，为什么电炉丝热得发红(右图)，而导线却几乎不发热?问题电炉工作时，触摸电炉丝会烫伤手，触摸导线会感觉微微有一点热。从上图可以看出导线（电源线）与电热丝是怎样连接在一起的？串联如图所示的电炉中，若电炉丝从中间断了，现将两个断头搭接在一起，重新接入家庭电路中，我们会发现，通电后电炉丝扔会发光、发热，且断头搭接在一起的那一段发光比别处更亮，但过了一会儿之后，接头处又被烧断了。根据这个实验现象，你能提出一个相关的问题吗?导线与电热丝是串联的，通过导线和电热丝的电流谁的更大？是不是电流通过什么导体都让导体发热呢？一样大导线与电热丝是串联在一个电路里的，通过导线和电热丝的电流一样大，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热?电流通过什么导体发热多少与导体的电阻是否有关？电流的热效应生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象产生。电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫作电流的热效应。电弧产生的主要是:气体(或空气)中含有少量正负离子，在外施电压的作用下，离子加速运动，在碰撞中离子数目大大增加，这些离子在电场中的定向运动就形成电流。电流通过气体时伴随着强烈的发热过程，以致电流通道内的中性气体分子全被电离而形成等离子体。这种有强烈的声、光和热效应的弧光放电，就是电弧的形成过程。铅酸电池在充电时会产生热量，因此需要在充电过程中定期检查电池的温度，并停止充电直至温度降低至安全水平。

电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关呢?电炉的电炉丝和导线中通过的电流相同，电炉丝热得发红，带线去不怎么热，由此我们可以作出怎样的猜想？电流通过导体产生的热量可能与导体的电阻有关电炉的电炉丝不是一通电就瞬间热得发红，而是慢慢变红，由此我们可以又作出怎样的猜想？电流通过导体产生的热量可能与通电时间有关这个电炉的额定电压是220V，如果把它接到电压为110V电源上，通过电热丝的电流比接在220V电压下时大小一样吗？它的电功率还是1100W吗？实际功率会比1100W大小？由此我们又可以作出怎样的猜想？电流通过导体产生的热量可以与通过导体电流的大小有关电热与电阻的关系演示如右图所示，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。空气空气电阻丝电阻丝两个密闭容器中都有一段电阻丝，右边容器中电阻丝的电阻比较大。两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两段电阻丝的电流相同。通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么?电流和通电时间相同时，导体的电阻越大，电流通过导体产生的热量越多。实验表明: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。因此通过两个容器中电阻丝的电流不同。演示电热与电流的关系如右图所示，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。两个密闭容器中电阻丝的电阻一样大，在右面容器的外部，将另一段电阻值跟另两个相同的电阻丝与容器内的电阻丝并联，闭合开关，在通电时间相同的情况下，观察两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么?导体的电阻和通电时间相同时，电流越大，电流通过导体产生的热量越多。实验表明: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。观看视频后，回答以下问题：⑴视频中一共做了几组实验？⑵做第一组实验时，右面容器的两个定值电阻是一内一外放置，还是都放在了容器的内部？做了三组实验都放在了容器的内部两个定值电阻是串联还是并联？串联右面容器的两个定值电阻与左面容器的定值电阻是串联还是并联？串联由第一组实验的现象可以得出什么结论？电流和通电时间相同时，导体的电阻越大，电流通过导体产生的热量越多。⑶做第二组实验时，左面容器的两个定值电阻是一内一外放置，还是都放在了容器的内部？一内一外放置右面容器使用了几个定值电阻？一个左面容器的两个定值电阻是串联还是并联？并联左面容器的两个定值电阻并联后，与右面容器中的定值电阻是串联还是并联？串联由第二组实验的现象可以得出什么结论？电流和通电时间相同时，导体的电阻越大，电流通过导体产生的热量越多。⑷做第三组实验时，使用了几个定值电阻？由第三组实验的现象可以得出什么结论？一个导体的电阻和电流相同时，通电时间越长，电流通过导体产生的热量越多。焦耳定律英国物理学家焦耳(右图)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。这个规律叫作焦耳定律(Joule'slaw)。如果热量用Q表示，电流用I表示，电阻用R表示，通电时间用t表示，那么焦耳定律为Q=I2Rt电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时转化为其他形式的能量，那么电流产生的热量Q就等于消耗的电能W，即Q=W=UIt。再根据欧姆定律得出U=IR，就得到Q=I2Rt。可见，在消耗的电能全部用来产生热量的情况下，根据电功的公式和欧姆定律的公式推导出来的结论与焦耳定律一致。如果用导线把电炉接到电路中，通过导线的电流全部通过电炉丝，导线中的电流跟电炉丝中的电流相等。通过前面的学习我们已经知道，导线的电阻很小，常见1m长的导线，电阻不过百分之几欧姆，而电炉丝的电阻为几十欧姆。所以，尽管通过的电流相等，电炉丝很热，而导线却不热。若电流通过用电器，电能没有全部用于产生热量，例如电动机转动时消耗的电能大部分转化为机械能，则消耗的电能大于电流所产生的热量。四个电阻器的电阻分别为R1、R2、R3、R4。例题如右图甲所示，电阻为R1、R2的电阻器串联后接在电压为U的电路中;如右图乙所示，电阻为R3、R4的电阻器并联后也接在电压为U的电路中。已知R1=R3，R2=R4，R1>R2。(1)电阻为R1和R2的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多?(2)电阻为R3和R4的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多?(1)在串联电路中，通过电阻为R1和R2的两个电阻器的电流相等。解：根据焦耳定律Q=I2Rt，当I、t相同时，Q与R成正比，由于R1>R2,因此相同时间内电阻为R1的电阻器放出的热量比电阻为R2的电阻器多。四个电阻器的电阻分别为R1、R2、R3、R4。例题如右图甲所示，电阻为R1、R2的电阻器串联后接在电压为U的电路中;如右图乙所示，电阻为R3、R4的电阻器并联后也接在电压为U的电路中。已知R1=R3，R2=R4，R1>R2。(1)电阻为R1和R2的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多?(2)电阻为R3和R4的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多?解：(2)在并联电路中，电阻为R3和R4的电阻器两端的电压相等。由公式可知，电压相同时，相同时间内导体放出的热量与它们的电阻成反比，且R3>R4，因此相同时间内电阻为R4的电阻器放出的热量比电阻为R3的电阻器多。额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。二者似乎有矛盾，这是怎么回事?想想议议焦耳定律中关于热量与电阻关系的阐述，有明确的前提条件，即电流和时间相同;而在讨论额定电压相同的灯泡时，其功率与电阻的关系是基于电压相同的条件，依据欧姆定律推导得出的。所以，二者看似矛盾，实则是因为前提条件不同。其额定功率与电阻成反比，即电阻越小，额定功率越大，根据Q=W=Pt可知，正常工作时单位时间内产生的热量也就越多。电热的利用和防止生活中和许多产业中都要用到电热。家里的电热水器、电饭锅、电熨斗、电热取暖器、电饼铛、电烙铁、电热毯，养鸡场的鸡苗孵化器，都是利用电热的例子。但是，很多情况下我们并不希望用电器的温度过高。过多的电热如果不能及时散失，会产生许多安全隐患。电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性，要保证其稳定工作，就必须要有效地散热。例如，笔记本电脑通过安装风扇散热，一些手机利用铜片、石墨散热片、热管等散热,大数据服务器会产生大量电热，可通过多种方式进行散热(右图)，电脑通过外壳设置散热窗，内部安装风扇、散热片散热，电动机把外壳做成翼状、外部安装电扇来散热。焦耳是英国物理学家，英国皇家学会会员。1818年12月24日生于英国曼彻斯特附近的索尔福德的一个啤酒厂厂主家庭，1889年10月11日在英国塞尔逝世。科普阅读焦耳在对电流的热效应研究的基础上，焦耳还研究并测定了热和机械功之间的当量关系。他采用各种测量方法对多种物质(如水、水银、鲸脑油、铸铁等)进行测量，测得了热功当量的数值。这一工作为能量守恒定律的建立作出了重要贡献。他明确指出:自然的能量是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相当的热量。焦耳早期研究电机(当时叫磁电机)，并于1838年发表了第一篇学术论文。1838年至1842年，焦耳进行了大量电学和磁学的实验，他在实验中注意到了电机和电路中的发热现象，并提出了电流通过导体产生热量的定律，也就是后来的焦耳定律。1852年焦耳和W·汤姆孙合作发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳—汤姆孙效应。这种效应在低温和气体液化方面有广泛的应用。焦耳最大的贡献是对热功当量的精确测定以及对能量守恒的实验验证，他因此成为能量守恒定律的发现者之一。人们为了纪念他对科学发展的贡献，将能量和功的单位命名为焦耳。1.小洁家购买了一台电饭锅，在使用时闻到橡胶的焦煳味，用手摸其电源线发现很热，而其他用电器仍正常工作。请你用所学的物理知识帮小洁分析发生这一现象的原因是()A.电压太高 B.导线太短C.导线太粗D.导线太细电饭锅与电源线串联,流过它们的电流相等，电源线很热，说明电源线产生的热量多，可见电源线的电阻比较大。导体的电阻与导体的材料、长度和横截面积均有关，电饭锅电源线的材料、长度一定，电阻较大，可见是电源线横截面积太小所致，即电源线太细。D2.下列用电器正常工作时，要防止电流的热效应的是() 白炽灯、电饭锅、电熨斗主要是利用电流的热效应来工作的;而电视机主要是把电能转化为声能和光能，要尽量防止因电流的热效应而产生过多的热量。A.白炽灯 B.电视机C.电饭锅 D.电熨斗B3.某校师生自制了一台多功率电烤箱，电路结构如右图所示，所选两根电热丝R1、R2的阻值分别为75Ω、150Ω。由于电路电压不足，实际工作电压为200V。I=I1+I2=——+——=——+——=。(1)这台电烤箱以最大功率工作时，通过电烤箱的电流是多少?(2)这台电烤箱以最大功率工作5min，电热丝产生的热量是多少?(3)这台电烤箱以最大功率工作5h，消耗的电能是多少?解：(1)两电热丝并联，同时工作时，电烤箱的功率最大，因并联电路中各支路两端的电压相等，且干路电流等于各支路电流之和，所以，通过电烤箱的电流UR1R2U200V200V75Ω150Ω4A(1)这台电烤箱以最大功率工作时，通过电烤箱的电流是多少?(2)这台电烤箱以最大功率工作5min，电热丝产生的热量是多少?(3)这台电烤箱以最大功率工作5h，消耗的电能是多少?(2)这台电烤箱以最大功率工作5min，电热丝产生的热量解：Q=I2Rt=UIt=200VX4AX5X60s=2.4X105

J(3)电烤箱的最大功率P=UI=200VX4A=800W这台电烤箱以最大功率工作5h电流做的功W=Pt'=800WX5X3600s=1.44X107

J这台电烤箱以最大功率工作5h消耗的电能为1.44X107

J=4kW·h焦耳定律├─电流的热效应│  电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫作电流的热效应├─探究实验│  ├─实验方法│  │  ├─控制变量法│  │  └─转换法│  └─结论│    ├─电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多│    ├─电阻和通电时间相同时，电流越大，产生的热量越多│    └─电流和电阻相同时，通电时间越长，产生的热量越多├─公式│  ├─普适公式│  │  Q=I²Rt│  └─只适用于纯电阻电路的公式│    Q=W│     ├─Q=Pt│     ├─Q=UIt│     └─Q=——└─应用  ├─电热的利用  │  电炉、电热水壶、电熨斗、电饭锅  └─电热的防止    电脑安装电扇、设散热窗，手机用铜片、石墨散热片小结U2tR练习与应用1.通过某电阻丝的电流为2A时，测得阻是2Ω，该电阻丝1min产生多少?解：Q=I2Rt=(2A)2X2ΩX60s=480J2.一台额定功率是450W的电饭锅，在额定电压下使用，1min产生多少热量?解：电饭锅的额定电压是220VQ=I2Rt=Pt=450WX60s=27000JU23.一个电烙铁的额定电压是220V，在额定电压下工作时的电阻是1210Ω，它的额定功率有多大?在额定电压下通电10min产生多少热量?解：P=UI=—R=——（220V）21210Ω=40WQ=I2Rt=Pt=40WX600s=24000J4.某校师生自制了一台电烤箱。电烤箱的电阻丝通过5A的电流，1min可产生6.6x104J的热量。求这台电烤箱的电功率和电阻丝工作时的电阻。解：根据Q=I2Rt=Pt可知P=——=————Qt6.6x104J60s=1100W可知R=——=————根据Q=I2RtQI2t6.6x104J(5A)2x60s=44Ω5.一个电热水壶的容量为1L，电功率为1000W，在标准大气压下按上述容量烧开一壶初温为20°C的水，至少需要多长时间?解：在标准大气压下，水的沸点是100°C。Q吸=cm(t末-t初)=cρV(t末-t初)=4.2X103J/（kg·℃）X10-3kg/m3X10-3m3X(100°C-20°C)=3.36X105J=3.36X105JQ放=Q吸根据Q放=I2Rt=Pt可知t=——=————PQ放3.36X105J1000W=336s6.电流的热效应有时对我们有益，我们利用它;有时对我们有害，需要减少电流导致的发热，或者尽快把发出的热散失掉。(1)列举两个生活或生产中利用电流热效应的实例。(2)列举两个生活或生产中为防止电流热效应产生危害而采取的措施。解：(1)电暖气电热毯电烙铁电热水壶电熨斗电炉电饼铛(2)电动机利用翼状散热片增大散热面积电动机利用电扇加快空气流动来提高散热效果电脑通过外壳设置散热窗，内部安装小风扇把热空气驱散，利用散热片加快散热。7.在家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根导线连接起来。有人把导线简单地拧在一起，这样会使得连接处电阻增大，导致连接处比别处容易发热，甚至引起火灾。这是为什么?导线连接的位置接触电阻较大，根据焦耳定律Q=I2Rt，可知当I、t相同时，此处比别处产生更多热量，容易引起火灾。解：复习与提高1.某电动机铭牌上标有额定电压380V、额定电流2.1A。电动机正常工作1min消耗的电能是多少?这些电能主要转化为什么形式的能?解：额定电压380V、额定电流2.1A的电动机正常工作1min电流做的功额定电压380V、额定电流2.1A的电动机正常工作1min消耗的电能是47880JW=UIt=380VX2.1AX60s=47880J这些电能主要转化为机械能2.现在广泛使用的LED灯比荧光灯更节能。一盏与亮度相同的某LED灯，功率只有18W。把一盏40W的荧光灯换成该LED灯，日均正常工作4h，一年可以节约多少电能?解：一盏40W的荧光灯一天工作4h，电流通过它做的功W荧=UI荧t=P荧t=40WX4X3600s=576000J一盏40W的荧光灯工作一年，电流通过它做的功W荧总=365W荧=365X576000J=210240000J一盏40W的荧光灯工作一年，消耗的电能是210240000J=58.4kW·h一盏18W的LED灯一天工作4h，电流通过它做的功WL=UILt=PLt=18WX4X3600s=259200J一盏18W的LED灯工作一年，电流通过它做的功WL总=365WL=365X259200J=94608000J一盏18W的荧光灯工作一年，消耗的电能是94608000J=26.28kW·h一年可以节约的电能W=W荧总-WL总=58.4kW·h-26.28kW·h=32.12kW·h另一种解法W=W荧-WL节约的电能=32.12kW·h=P荧t-PLt=(P荧-PL)t=(40x10-3kW-18x10-3kW)x4h/dx365d3.某手机电池的容量为4000mA·h，可以理解为充满电的手机以4000mA的电流放电1h，其电量显示将由100%下降为0。若该手机电量显示从80%降到70%的过程中，电池电压保持3.7V不变，这个过程中消耗了多少电能?如果这些电能可以持续通话0.8h或待机48h，那么手机在通话和待机状态下的电功率之比是多少?持续通话和待机的时间之比t1:t2=0.8h:48h=1:60电池总电能W=UIt=3.7Vx4Ax3600s=53280J解：手机电量显示从80%降到70%的过程中消耗的电能手机在通话和待机状态下的电功率之比P1:P2=t2:t1=60:1W'=(80%-70%)x53280J=5328J4.右图是一种手持小风扇的铭牌。小风扇吹强风时以额定功率工作，它1.5h消耗的电能是多少?如果这些电能可以让小风扇吹中等强度的风工作2.5h，小风扇吹中等强度的风时电功率是多少?解：小风扇吹强风时，1.5h消耗的电能小风扇吹中等强度的风时，电功率W=Pt=4x10-3kWx1.5h=6x10-3kW·h4.右图是一种手持小风扇的铭牌。小风扇吹强风时以额定功率工作，它1.5h消耗的电能是多少?如果这些电能可以让小风扇吹中等强度的风工作2.5h，小风扇吹中等强度的风时电功率是多少?解：小风扇吹强风时，1.5h消耗的电能小风扇吹中等强度的风时，电功率W=Pt=4Wx5400s=21600J另一种解法5.右图模拟简易调光灯的调节过程。已知小灯泡的规格为“6V0.5A”，电源电压为6V。滑动变阻器滑片由最左端向右滑动时小灯泡逐渐变暗，当滑到最右端时电流表的示数为0.2A。如果灯丝电阻不变，小灯泡实际电功率的范围是什么?当滑片在最左端时，滑动变阻器连入电路的电阻为0，滑动变阻器两端的电压也是0，小灯泡两端的实际电压就等于额定电压6V，通过小灯泡的实际电流就等于额定电流0.5A，此时小灯泡的实际电功率解：P实1=P额=U额I额=6Vx0.5A=3W5.右图模拟简易调光灯的调节过程。已知小灯泡的规格为“6V0.5A”，电源电压为6V。滑动变阻器滑片由最左端向右滑动时小灯泡逐渐变暗，当滑到最右端时电流表的示数为0.2A。如果灯丝电阻不变，小灯泡实际电功率的范围是什么?解：小灯泡的电阻RL=——=——=当滑片在最右端时，小灯泡与滑动变阻器串联，则此时小灯泡的电功率U额I额6V0.5A12Ω所以小灯泡实际电功率的范围是0.48W~3WP实2=I实22RL=(0.2A)2x12Ω=0.48W6.右图是一种电热水壶工作电路的示意图，其中电阻为R1和R2的电阻器都是用来加热的，S1是总开关，S2是挡位开关。当S2接1时，电热水壶处于加热状态，电功率为1100W。当S2接2时，电热水壶处于保温状态，此时电阻为R1的电阻器的电功率为2.75W。(1)电阻R1是多少?(2)开关S2接2时，电路中的电流是多少?(3)电热水壶处于保温状态时的电功率是多少?解：(1)当S2接1时，电路中只有电阻为R1的电阻器。电阻为R1的电阻器两端的电压等于电源的电压U=220V。根据P加=——，U2R1可知R1=——=——=U2P加(220V)21100W44Ω6.右图是一种电热水壶工作电路的示意图，其中电阻为R1和R2的电阻器都是用来加热的，S1是总开关，S2是挡位开关。当S2接1时，电热水壶处于加热状态，电功率为1100W。当S2接2时，电热水壶处于保温状态，此时电阻为R1的电阻器的电功率为2.75W。解：(1)电阻R1是多少?(2)开关S2接2时，电路中的电流是多少?(3)电热水壶处于保温状态时的电功率是多少?当S2接2时，电阻为R1和R2的电阻器串联。根据P1'=I2R1可知I===0.25A6.右图是一种电热水壶工作电路的示意图，其中电阻为R1和R2的电阻器都是用来加热的，S1是总开关，S2是挡位开关。当S2接1时，电热水壶处于加热状态，电功率为1100W。当S2接2时，电热水壶处于