專題10探究影響電熱的因素焦耳定律（原卷版）

專題10探究影響電熱的因素——焦耳定律考點考點透視焦耳定律是繼電功、電功率后的一節(jié)內(nèi)容，是對電學(xué)的一個深入學(xué)習(xí)，通過焦耳定律的學(xué)習(xí)使電學(xué)和日常生活中電熱的利用和防止結(jié)合起來，體現(xiàn)了物理的實用價值，同時也為后面學(xué)習(xí)安安全用電奠定了基礎(chǔ)。焦耳定律是電學(xué)中重要的物理定律，它是能量守恒定律在電能和內(nèi)能轉(zhuǎn)換中的體現(xiàn)。迷津點撥與點迷津點撥與點對點講一、實驗探究過程：1、實驗裝置及原理：實驗裝置原理通過U型管液面高度來顯示產(chǎn)生熱量的多少通過氣球膨脹程度的大小來顯示產(chǎn)生熱量的多少通過煤油里溫度計示數(shù)升高的多少來顯示產(chǎn)生熱量的多少通過火柴點燃的先后順序來顯示產(chǎn)生熱量的多少使用煤油的原因：煤油比熱容小，吸收相同熱量時溫度升高得多，現(xiàn)象明顯；煤油是絕緣體，不導(dǎo)電。2、探究方法：控制變量法、轉(zhuǎn)換法。3、設(shè)計實驗：①探究“電熱與電阻關(guān)系”時，應(yīng)控制電流、通電時間相同，將阻值不同的兩電阻串聯(lián)；②探究“電熱與電流關(guān)系”時，應(yīng)控制電阻、通電時間相同，可將相同阻值的兩電阻分別放在并聯(lián)電路的干路和支路上；③探究“電熱與通電時間的關(guān)系”時，應(yīng)控制電流、電阻相同，觀察一個電阻電熱與通電時間的關(guān)系。4、結(jié)論:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時間成正比。公式：Q=I2Rt。例題1（2021江蘇常州）小組同學(xué)選擇阻值不變的電阻絲，探究“電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量（簡稱電熱）與通電時間、電流、電阻的關(guān)系”。（1）為探究電熱與通電時間、電流的關(guān)系，在錐形瓶內(nèi)裝入適量煤油，設(shè)計電路如圖甲所示，開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片P應(yīng)置于______（選填“A”或“B”）端；（a）閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P，直至電流表示數(shù)為0.5A，通電5分鐘、溫度計的示數(shù)升高了5℃；（b）保持滑動變阻器滑片P的位置不變，通電10分鐘、溫度計的示數(shù)升高了9℃，（a）、（b）對比可得結(jié)論：______；（c）向______移動滑動變阻器的滑片P，直至電流表示數(shù)為1A，通電10分鐘、溫度計的示數(shù)升高了33℃，（b）、（c）對比可得結(jié)論：______；（d）實驗只能得到定性結(jié)論，主要原因是______；（2）為探究電熱與電阻的關(guān)系，并測出標(biāo)簽污損的電阻絲R2的阻值，在兩個相同的錐形瓶內(nèi)裝入等質(zhì)量的煤油，設(shè)計如圖乙所示電路。開關(guān)閉合后，電壓表有示數(shù)，但電流表無示數(shù)，電路故障是______，排除故障后，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片P得到電表示數(shù)如圖丙所示，則電壓表示數(shù)為______V，電流表示數(shù)為______A，R2阻值為______Ω。一段時間后，觀察到電阻絲______所在錐形瓶中的溫度計示數(shù)升高的比較多；【答案】（1）B見解析左見解析實驗中存在熱量損失（2）R2斷路80.516R2?！窘馕觥浚?）開關(guān)閉合前，為保護(hù)電路，變阻器滑片在最大處，即B端；其他條件不變，通電10分鐘比通電5分鐘升溫多，說明電流電阻一定時，電熱和通電時間有關(guān)，時間越長放熱越多；要增大電流，需要減小電阻，所以滑片左移；電阻和通電時間一樣，電流大，升溫多，說明當(dāng)電阻和通電時間一樣時，電熱和電流有關(guān)，電流越大，放熱越多；因為用電熱加熱液體過程中存在熱量損失，無法精確定量。（2）電流表無示數(shù)，可能斷路，電壓表有示數(shù)，電壓表和電源相連，可能R2斷路；電壓表用大量程，分度值0.5V，示數(shù)為8V，電流表小量程，分度值0.02A，示數(shù)0.5A，R2阻值為；根據(jù)Q=I2Rt，串聯(lián)電流和通電時間相同，R2阻值大，放熱多，所以R2所在錐形瓶中的溫度計示數(shù)升高的比較多?！军c撥】（1）由實驗得出結(jié)論時，一定要把控制的變量寫在前面，否則結(jié)論就是錯誤的；在探究電熱與電流關(guān)系時，一定控制電阻相同，即實驗中使用一個電阻，而改變通過它的電流，常常采用并聯(lián)方式；在探究電熱與電阻關(guān)系時，一定控制電流相同，即實驗中使用不同電阻，而控制通過它的電流，因此常常用于兩個電阻串聯(lián)的方式；（2）焦耳定律一定要注意：導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，而不是與電流成正比。對點練：（2021山東青島）探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量的多少與什么因素有關(guān)，實驗小組同學(xué)猜想：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量可能與通過導(dǎo)體的電流、導(dǎo)體的電阻和通電時間有關(guān)。于是他們利用如圖器材進(jìn)行了探究實驗：甲、乙、丙三個裝置的透明容器中各有一段電阻絲，容器中密封著等量的空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣溫度的變化。（1）選用________組合，并將它們________聯(lián)接到電源兩端進(jìn)行實驗，可以探究電熱與電阻的關(guān)系。（2）選用乙、丙組合，串聯(lián)接到電源兩端進(jìn)行實驗，可以探究電熱與________的關(guān)系，其中15Ω電阻的作用是________。（3）選用乙、丙組合，串聯(lián)接到電源兩端進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)乙裝置U形管中液面無高度差，丙裝置U形管中液面有高度差，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是乙裝置________。二、利用焦耳定律進(jìn)行計算：1、純電阻電路電熱的計算：例題2（2021遼寧大連）如圖是某家用電燉鍋的簡化電路圖。電源電壓為220V，R1和R2均為加熱電阻。當(dāng)開關(guān)S接1時為加熱狀態(tài)，功率為880W；開關(guān)S接2時為保溫狀態(tài)，功率為220W。試求：（1）電燉鍋保溫狀態(tài)下電路中的電流是多少？（2）電阻R1的阻值是多少？（3）電燉鍋保溫狀態(tài)下工作10min，電阻R2產(chǎn)生熱量是多少？【答案】（1）1A；（2）55Ω；（3）9.9×104J?！窘馕觥浚?）由P=UI得，電燉鍋保溫狀態(tài)下電路中的電流是；（2）當(dāng)開關(guān)S接1時為加熱狀態(tài)，此時電路中只有電阻R1工作，電阻R1的阻值是；（3）開關(guān)S接2時為保溫狀態(tài)，此時電阻R1與電阻R2串聯(lián)。由歐姆定律得，電路總電阻，電阻R2阻值R2=RR1=220Ω55Ω=165Ω，電燉鍋保溫狀態(tài)下工作10min，電阻R2產(chǎn)生熱量是Q=I2R2t=（1A）2×165Ω×10×60s=9.9×104J?！军c撥】對于白熾燈、電爐、電飯鍋、電烙鐵、電熱毯、電熨斗、電熱水器等電熱類用電器，它們在工作時把電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，其所在的電路我們稱之為純電阻電路，在這樣的電路中，由導(dǎo)體產(chǎn)生的電熱公式Q=I2Rt可以推導(dǎo)出：Q=UIt、、Q=Pt，利用它們也可以計算電熱，即Q=W=UIt==I2Rt=Pt。對點練：（2021黑龍江牡丹江）如圖所示，小燈泡標(biāo)有“6V3W”字樣（設(shè)燈絲電阻不受溫度影響），R1為定值電阻，R2為滑動變阻器，其最大阻值為40Ω。求：（1）小燈泡正常發(fā)光時的電阻；（2）當(dāng)開關(guān)S、S1、S2都閉合時，小燈泡恰好正常發(fā)光，電流表示數(shù)為0.6A，電路工作50s，求R1的阻值和電流通過R1產(chǎn)生的熱量。2、非純電阻電路中的電熱計算：例題3（2020山東鄒城市第四中學(xué)模擬預(yù)測）某同學(xué)組裝了一臺直流電動機(jī)模型，他將電動機(jī)模型接入如圖甲所示的電路中，已知電源電壓U=6V，并保持不變，接通電路后，電動機(jī)沒轉(zhuǎn)動時，電流表讀數(shù)為2A；電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動時，電流表讀數(shù)為0.5A。已知電動機(jī)能量轉(zhuǎn)化如圖乙所示，求：（1）電路的總功率P；（2）電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動1min消耗的電能W線圈產(chǎn)生的熱量Q；（3）電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率η?！敬鸢浮浚?）3W（2）180J45J（3）75%?！窘馕觥浚?）電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動時，電路總功率為P=UI=6V×0.5A=3W；（2）電動機(jī)沒轉(zhuǎn)動時，電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，為純電阻電路，由歐姆定律可知電阻為,電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能,此時電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動1min消耗的電能為W=Pt=3W×60s=180J，線圈產(chǎn)生的熱量為Q=I2Rt=（0.5A）2×3Ω×60s=45J。（3）1min電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能為W機(jī)=W電Q=180J45J=125J，電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率。【點撥】（1）在含有電動機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、電磁爐、電解槽、給蓄電池充電、日光燈等用電器的電路，電能不能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，還要轉(zhuǎn)化成機(jī)械能（如電動機(jī)）或化學(xué)能（如電解槽）等其他形式的能，所以我們把這類電路稱為非純電阻電路。在含電動機(jī)的電路中，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能兩種形式，因消耗電能W電與轉(zhuǎn)化為機(jī)械能W機(jī)和內(nèi)能Q之間存在W電=W機(jī)+Q，而電能公式W電=UIt，線圈產(chǎn)生的熱量Q=I2Rt，故此時UIt≠I2Rt，可得，即非純電阻電路中歐姆定律不在適用。含電動機(jī)電路的計算：功（熱）的計算功率的計算消耗電能W電=UIt消耗電功率P電=UI產(chǎn)生熱量Q=I2Rt產(chǎn)生熱功率P熱=I2R輸出的機(jī)械功W機(jī)=W電Q輸出的機(jī)械功率P機(jī)=P電P熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率（2）在含電動機(jī)的電路中，當(dāng)電動機(jī)不轉(zhuǎn)動時，電路可看作是純電阻電路；電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動時，電路看成是非純電阻電路。不管電動機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)，它的線圈電阻是不改變的。對點練：（2021湖南隆回二模）如圖所示是一直流電動機(jī)提升重物的裝置。電源電壓U=24V保持不變，已知電動機(jī)線圈電阻為2Ω，開關(guān)閉合后，電動機(jī)勻速提升重物的重力為40N，此時，電流表讀數(shù)為2A，電壓表讀數(shù)為6V，不計任何摩擦，求：（1）1分鐘內(nèi)電動機(jī)產(chǎn)生的熱量；（2）該裝置消耗電能的總功率；（3）該裝置在2s鐘內(nèi)提升重物的高度。三、利用焦耳定律解釋現(xiàn)象：例題4（2021山西模擬預(yù)測）小琨使用電飯煲做飯時，發(fā)現(xiàn)插頭有些松動且較熱，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，插座已被燒焦，如圖所示，他查閱資料后得知，插頭松動后，會使插頭與插座間的接觸電阻變大請你從物理學(xué)角度分析插座燒焦的原理?！敬鸢浮恳娊馕?。【解析】插頭松動后，插頭與電飯鍋插孔間的接觸面積變小，插頭與插孔接觸處的接觸電阻變大，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，在電流I一定的情況下，相同時間t內(nèi)產(chǎn)生熱量增多，所以插座溫度升高，容易將插座燒焦?！军c撥】（1）電流通過導(dǎo)體時將電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的現(xiàn)象，我們稱之為電流的熱效應(yīng)。用電器有電流通過時，就是利用了電流的熱效應(yīng)。要想利用電熱，就要使用電阻率大、熔點高的合金絲做發(fā)熱體；要防止電熱，就需要利用散熱窗、散熱片、風(fēng)扇等方法加快散熱。（2）在解釋有關(guān)現(xiàn)象時，通常從影響電熱的三個因素——電流大小、電阻大小和通電時間的長短三個因素入手，看哪些量相同，哪個量不同，根據(jù)焦耳定律解釋。對點練：（2020黑龍江齊齊哈爾）初春時節(jié)，新冠疫情來襲，小征的爸爸是一名志愿者，每天結(jié)束忙碌的工作后，為了小區(qū)的群眾安全，義務(wù)到小區(qū)門衛(wèi)崗?fù)ぶ狄拱?，崗?fù)だ餂]有暖氣，為了給爸爸取暖，小征把家里的電取暖器送到崗?fù)な褂谩＝油娫垂ぷ饕欢螘r間后，小征發(fā)現(xiàn)電阻絲熱的發(fā)紅，而連接電阻絲的導(dǎo)線卻不怎么熱。請你根據(jù)學(xué)過的物理知識，幫助小征解釋產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。點對點提高訓(xùn)練1、（2021河南孟津二模）已知一電動機(jī)的內(nèi)阻（轉(zhuǎn)子線圈的電阻）為R，兩端電壓為U時，電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動，此時通過電動機(jī)的電流為I，電動機(jī)的電功率為P，當(dāng)工作時間為t，電動機(jī)內(nèi)阻因為電熱產(chǎn)生的熱量可以表示為（）A．UIt B．I2Rt C． D．Pt2、（2021遼寧鐵東一模）如圖所示，小明用迷你電動機(jī)制成了升降機(jī)模型，用它提升重為10N的物體。當(dāng)電源電壓為2V時，閉合開關(guān)，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，電流表示數(shù)為0.8A；當(dāng)電源電壓為12V時，閉合開關(guān)。電動機(jī)正常工作，電流表示數(shù)為0.4A，同時5s內(nèi)物體被勻速提升2m。若忽略溫度對電阻的影響，下列說法正確的是（）A．電動機(jī)線圈的電阻是2.5ΩB．正常工作5s電動機(jī)線圈產(chǎn)生的熱量是2JC．電動機(jī)正常工作時消耗的電功率是1.6WD．電動機(jī)的效率是90%3、（2020四川成都）小彬用圖所示的實驗裝置探究“電流的熱效應(yīng)跟電阻大小的關(guān)系”，電源電壓為3V，電阻絲R1=10Ω，R2=20Ω，兩氣球相同。閉合開關(guān)后，密閉燒瓶內(nèi)的空氣被加熱，他觀察到________氣球先鼓起來。甲氣球乙氣球通電1min，R2產(chǎn)生的熱量為______J。4、在炎熱的夏天，電視機(jī)連續(xù)使用較長時間后，要停一會兒，但如果長期停止使用，隔一段時間要通電一次。這是因為_____在起作用，前者是_________________，后者是______。5、據(jù)《生活報》訊，2017年4月14日起，插線板新國家標(biāo)準(zhǔn)正式實施，要求插線板的插孔須設(shè)置“保護(hù)門”，“保護(hù)門”可有效防止兒童將手指插入插孔而造成觸電事故，同時可避免灰塵長期沉積而造成的內(nèi)部______（選填“斷路”或“短路”）。在線材方面要求：如果最大工作電流16A的延長線插座，導(dǎo)線的最小橫截面積由原來的1mm2增加到1.5mm2。選擇橫截面積較大的導(dǎo)線，目的是______（減小、增大）導(dǎo)線電阻，進(jìn)而使導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量少，避免絕緣皮過熱而引起火災(zāi)。6、（2020廣西賀州）現(xiàn)有兩個定值電阻R1和R2，分別標(biāo)有“10V0.5A”和“5V1A”的字樣，將它們串聯(lián)接在同一電路中，則電路兩端允許接入的最大電壓是______V，當(dāng)它們工作時間相同時，電阻R1和R2上產(chǎn)生的熱量之比Q1︰Q2=______。7、（2021安徽合肥實驗學(xué)校二模）如圖所示電路，閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)電動機(jī)不能轉(zhuǎn)動，此時電壓表示數(shù)為0.2V，電流表示數(shù)為0.5A，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使得電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動，此時電壓表示數(shù)為2V，電流表示數(shù)為1A，則該電動機(jī)正常轉(zhuǎn)動時效率是______。

8、（2021甘肅蘭州）在探究“電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少與哪些因素有關(guān)”的實驗中，采用了如圖電路。

（1）為了在短時間內(nèi)達(dá)到明顯的實驗效果，兩燒瓶中應(yīng)裝入質(zhì)量和初溫都相同的_______（選填“水”或“煤油”），實驗中通過觀察________來比較電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少；（2）如圖甲所示，兩燒瓶中裝有阻值不同的電熱絲，以探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與_____的關(guān)系；（3）如圖乙所示，兩燒瓶中裝有阻值相同的電熱絲，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使兩電流表示數(shù)_______（選填“相同”或“不同”），可以探究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與_______的關(guān)系。9、（2021貴州安順）小明在探究“電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)”的實驗中，提出了下列猜想：A．與通電時間有關(guān)B．與電阻大小有關(guān)C．與電壓大小有關(guān)D．與電流大小有關(guān)實驗器材有：阻值不同的電阻絲若干、蓄電池、火柴、開關(guān)和導(dǎo)線若干。請回答下列問題（1）探究猜想A時，將某一電阻絲接入電路，保證安全的情況下使火柴頭充分接觸電阻絲，閉合開關(guān)一段時間后火柴頭才燃燒，這一現(xiàn)象說明：①電阻絲產(chǎn)生的熱量通過______的方式傳遞給火柴頭；②電阻絲產(chǎn)生的熱量與通電時間______（選填“有關(guān)”或“無關(guān)”）；（2）探究猜想B時，如圖所示，將10Ω和20Ω的電阻絲串聯(lián)接入電路，把兩根相同的火柴頭分別接觸電阻絲（設(shè)火柴頭與整根電阻絲接觸）；①小明思考，若相同時間內(nèi)僅有一根電阻絲上的火柴頭燃燒，據(jù)此能否判斷該電阻絲產(chǎn)生的熱量多？______（選填“能”或“不能”）；②閉合開關(guān)較長時間后，發(fā)現(xiàn)兩電阻絲均發(fā)熱，但火柴頭都沒有燃燒。在不改變電源電壓的情況下，選擇下列哪組電阻絲進(jìn)行實驗更可行?______（填字母序號）A．20Ω30ΩB．15Ω15ΩC．5Ω25Ω（3）小明通過上述實驗發(fā)現(xiàn)：電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。評估該實驗時小明認(rèn)為：串聯(lián)電路中不同阻值的電阻兩端所分電壓不同，那么電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小有關(guān)的結(jié)論似乎不可靠。如果改變兩電阻絲的連接方式，能否合理完成對猜想B的方案設(shè)計______？請你說明理由______。10、（2021廣西貴港）在“探究電流產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)”的實驗中，實驗電路如圖1所示，其中R1>R2。實驗一：探究電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小的關(guān)系；（1）請按照圖1中的電路圖將圖2實物圖連接完整；（2）實驗電路按照圖1中的電路圖連接是為了控制通電時間相同和控制_______；電阻絲放出熱量的多少，通過_______來進(jìn)行判斷。（3）為了便于比較兩根電阻絲通過電流后產(chǎn)生熱量的多少，a、b兩瓶中要裝入_______相等、初溫相同的同種液體。為了在較短時間內(nèi)達(dá)到明顯的實驗效果，實驗時選用煤油而不選水，是因為煤油的比熱容_______水的比熱容（選填“大于”“等于”或“小于”）；實驗二：探究電流產(chǎn)生的熱量與電流大小的關(guān)系（4）閉合開關(guān)，移動滑動變阻