第25講探究焦耳定律九年級物理上冊講義（滬粵版）

第25講探究焦耳定律目標導航目標導航課程標準課標解讀1．知道電流的熱效應；2．會用實驗探究通電導體放出的熱量跟哪些因素有關，在設計實驗的過程中運用控制變量法和轉換法；3．能用焦耳定律說明生產(chǎn)、生活中的一些現(xiàn)象。培養(yǎng)樂于探索日常生活中的物理學道理的熱情。知識精講知識精講知識點01通電導體放出的熱量與哪些因素有關1．電流通過燈泡的燈絲時，燈絲變得灼熱而發(fā)光，這種電能轉化為內能的現(xiàn)象叫做電流的熱效應。2．如圖所示，在探究電流的熱效應與哪些因素有關的實驗中：(1)通過觀察溫度計示數(shù)的變化來判斷電流產(chǎn)生的熱量的多少。(2)圖中甲、乙兩根電阻絲是串聯(lián)的，這是為了研究電流產(chǎn)生的熱量與電阻大小的關系?！炯磳W即練1】在做“電流通過導體時產(chǎn)生的熱量與什么因素有關”的實驗時，小于采用了如圖甲所示的實驗裝置。兩個透明的容器中密閉了等量的空氣，U型管中液面變化反映了密閉空氣溫度的變化。（1）若通電時間相同，發(fā)現(xiàn)B玻璃管內液面上升較高，這表明：在電流和通電時間相同的情況下，導體的___________越大，產(chǎn)生的熱量越多；（2）小剛采用了如圖乙所示的實驗裝置，通電相同時間，發(fā)現(xiàn)A玻璃管液面上升較高，這表明：在電阻和通電時間相同的情況下，通過導體的___________越大，產(chǎn)生的熱量越多；（3）該實驗中用到的研究物理問題的方法是___________法和___________法?！敬鸢浮侩娮桦娏骺刂谱兞哭D換【解析】[1]將容器中的電阻絲串聯(lián)起來接到電源兩端，通過它們的電流I與通電時間t相同，左邊容器中的電阻小于右邊容器中的電阻，右邊容器中的電阻產(chǎn)生的熱量多，溫度升得較快，根據(jù)控制變量法可得：在相同時間內，電流相同的情況下，電阻越大，電流通過導體時產(chǎn)生的熱量越多。[2]裝置中一個的電阻與兩個的電阻并聯(lián)后再串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)電路的電流特點可知，右端兩個電阻的總電流和左端的電阻電流相等，即，兩個的電阻并聯(lián)，根據(jù)并聯(lián)電路的電流特點知，兩電阻阻值相等，則支路中電流相等，即，所以右邊容器中的通過電阻的電流是左側通過電流的一半，由題意，左邊容器中的電阻產(chǎn)生的熱量多，溫度升得較快，根據(jù)控制變量法可得：在相同時間內，電阻相同，電流越大，通過導體時產(chǎn)生的熱量越多。[3]電流產(chǎn)生的熱量與電阻、電流及通電時間等多個因素有關，探究時每次只能選擇一個因素進行，其它因素相同，故這是控制變量法的應用。[4]熱量的多少不容易直接觀察，我們通過U型管液柱的高度差來間接反映，故這是轉換法的應用。知識點02焦耳定律焦耳定律：電流流過時導體的產(chǎn)生的熱量，跟電流的平方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。計算公式是Q＝I2Rt。【即學即練2】電動機是一種使用廣泛的動力機械，從能量轉化的角度看，它主要是把電能轉化為機械能，還有一部分能量在線圈中以熱量的形式散失掉。現(xiàn)有一臺線圈電阻是10Ω的電動機，當電動機兩端加220V電壓時，通過電動機線圈的電流為1A，電動機工作5分鐘所輸出的機械功是______J?！敬鸢浮?3000【解析】[1]電動機是將電能轉化為機械能和內能的一種機器。題目中告訴我們，通過電阻的電流、電阻以及通電時間，這部分產(chǎn)生的熱量通過焦耳定律得知道電動機的電壓、電流和通電時間，可知電動機消耗的電能為則動機工作5分鐘所輸出的機械功為知識點03電流熱效應的應用與控制1．電熱器是利用電流的熱效應來工作的，電熱器的主要組成部分是發(fā)熱盤，它是由電阻率大，熔點高的電阻絲制成的。生活中常見的電熱器有電熨斗、電熱水壺、電吹風等。2.長期不用的家電設備每隔一段時間需要通電一次，這是利用電熱；電視機的機殼上設計了網(wǎng)眼花格，這是防止電熱?！炯磳W即練3】電熱膜是一種新型的電熱器件，如圖甲所示是一種常見的電熱膜。電熱膜是在絕緣的聚酯薄膜表面，經(jīng)過特殊工藝加工形成的一條條薄的導電墨線，導電墨線兩端與金屬導線相連，形成網(wǎng)狀結構，其內部結構如圖乙所示。電熱膜通電工作時沒有發(fā)紅、熾熱或發(fā)光現(xiàn)象的產(chǎn)生。它與被加熱的物體直接接觸，產(chǎn)生的熱量很快傳給被加熱物體，所以電熱膜本身的溫度并不太高，不易氧化，使用壽命長。在制造電熱膜時，會出現(xiàn)不同區(qū)域的導電墨線厚度不均勻的現(xiàn)象，厚的導電墨線電阻小。導電墨線的電阻隨溫度變化的關系如圖丙所示，這種溫度特性的優(yōu)點是，它不會因厚度不均勻而出現(xiàn)嚴重的發(fā)熱不均、局部過熱的現(xiàn)象，這是電熱絲所不具備的，它保證了電熱膜各處的溫度均衡。(1)電熱膜取暖器工作時，室內空氣溫度升高是通過______方式增加空氣內能的。(2)某根導電墨線的局部導電材料脫落，如圖丁中A部分，這根導電墨線的電阻會______。A．變大B．變小C．不變D．以上三種情況均有可能(3)與傳統(tǒng)的電熱絲加熱器相比，電熱膜取暖器的發(fā)熱效率高，原因是______。(4)傳統(tǒng)的電熱絲發(fā)生接觸不良時，會引起火災，是因為______。(5)將圖戊中一塊電熱膜接入電路，正常工作時金屬導線中A、B處電流分別為IA和IB，則IA______IB（選填“＞”、“＜”或“=”）。(6)電熱膜不會因厚度不均而出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象，原因______。【答案】熱傳遞A電熱膜通電工作時，沒有發(fā)紅、熾熱現(xiàn)象電熱絲接觸不良，會導致接觸面積變小，電阻變大，會使局部過熱＜墨線溫度升高時電阻增大，所以發(fā)熱功率減小【解析】(1)[1]電熱膜取暖器工作時放出熱量，室內空氣吸收熱量，溫度升高，是通過熱傳遞的方式使得室內溫度升高。(2)[2]部分的凹形會導致橫截面積變小，電阻變大，故選A。(3)[3]此題可以從原文中獲取答案：電熱膜通電工作時，沒有發(fā)紅、熾熱現(xiàn)象。(4)[4]電阻的影響因素為：長短、橫截面積和材料，電熱絲接觸不良，會導致接觸面積變小，電阻變大，在局部產(chǎn)生的熱量過多。(5)[5]因為墨線是并聯(lián)的，如圖中，若通過每條墨線的電流為I，則IA=3I，IB=9I，因此IA＜IB。(6)[6]從丙圖可以看出隨溫度升高導電墨線電阻而增大，由，所以發(fā)熱功率減小。能力拓展能力拓展考法01串、并聯(lián)電路電熱與電阻的關系【典例1】有一種多功能蒸汽電熨斗，為了熨燙方便和使溫度不致上升得過高，在電熨斗的接線處加接了如圖所示的裝置。請思考后回答下列問題：(1)電熨斗主要是利用電流的________效應工作的；通電一段時間后電熨斗變得很燙，而連接電熨斗的導線卻不怎么熱，這主要是由于導線____________。(2)如果使用圖中的插頭，這樣做在________________________時可能會造成觸電事故。(3)若發(fā)現(xiàn)溫度過高，則應將開關S________。(4)如果將圖中的燈泡L換成額定電壓相同而額定功率更小的燈泡，則在開關S斷開的情況下電熨斗會熱得________(選填“更快”或“更慢”)?！敬鸢浮繜犭娮栊÷╇姇r接觸電熨斗的外殼斷開更慢【解析】(1)電熨斗主要是利用電流的熱效應工作的；通電一段時間后電熨斗變得很燙，而連接電熨斗的導線卻不怎么熱，這主要是由于導線電阻很小，導線與電熱絲串聯(lián)，在電流和通電時間相同時，根據(jù)Q＝I(2)如果使用圖中的兩線插頭，沒有使電熨斗的金屬外殼接地，這樣做如果發(fā)生漏電且在使用中接觸電熨斗的外殼時，就會造成觸電事故。(3)電熨斗需要溫度較高時，開關S應閉合；電熨斗需要溫度較低時，開關S應斷開；開關S斷開時，電熨斗與燈L串聯(lián)，電路中的電阻變大，導致電路中的電流變小，由公式P＝I(4)根據(jù)R=U2P可知，當將圖中的燈泡L換成額定電壓相同而額定功率更小的燈泡時，電路中的電阻變大，電流變小，由P＝【點睛】重點是電功率變形公式的應用，牢記P=U2R和考法02焦耳定律的綜合計算及多擋問題【典例2】如圖是多擋位電熱器的工作電路圖，電熱器內只有兩個阻值分別為R1＝50Ω和R2＝100Ω的電熱絲；旋鈕開關內有一塊絕緣圓盤，在圓盤的邊緣依次有“0、1、2……9”共10個金屬觸點；可以繞中心軸轉動的旋鈕開關兩端各有一個金屬滑片，轉動旋鈕開關可以將相鄰的觸點連接。如旋鈕上的箭頭指向圖中位置D時，金屬滑片將2、3觸點接通，同時另一端將7、8觸點接通。電源電壓為220V。用這個旋鈕開關可以實現(xiàn)電熱器有多擋位加熱功率的要求。請回答：(1)該電熱器可有幾個不同加熱擋位____？(2)將此電熱器接入家庭電路中，電熱器在正常工作時每個擋位的功率各是多大_____？分別指出旋鈕開關接在哪個擋位?！敬鸢浮克腁擋：R1、R2并聯(lián)接入電路，電路的總電阻最小，為最大功率擋1452W；B擋：只有R1接入電路，為較大功率擋968W；C擋：R1、R2串聯(lián)接入電路，電路的總電阻最大，為最小功率擋322.7W；D擋：只有R2接入電路，為較小功率擋484W【解析】(1)有四個加熱擋位。A擋：當旋鈕上的箭頭指向圖中位置A或F時。B擋：當旋鈕上的箭頭指向圖中位置B或G時。C擋：當旋鈕上的箭頭指向圖中位置C或H時。D擋：當旋鈕上的箭頭指向圖中位置D或I時。(2)A擋：R1、R2并聯(lián)接入電路，電路的總電阻最小，為最大功率擋，P1B擋：只有R1接入電路，為較大功率擋，P2C擋：R1、R2串聯(lián)接入電路，電路的總電阻最大，為最小功率擋，電路的總電阻：R＝RP3D擋：只有R2接入電路，為較小功率擋，P4【點睛】關鍵是讀懂電路圖，能看清各個檔位時兩個電阻的連接情況，另外注意公式P=U分層提分分層提分題組A基礎過關練1．甲圖是小燈泡L和電阻R的I?U圖象．將小燈泡L和電阻R接入乙圖所示電路中，只閉合開關S1時，小燈泡L的實際功率為1W．下列說法錯誤的是（

）A．只閉合開關S1時，小燈泡L的電阻為4?B．再閉合開關S2時，電流表示數(shù)增加0.2AC．再閉合開關S2時，電路總功率為1.4WD．再閉合開關S2后，在1min內電阻R產(chǎn)生的熱量為240J【答案】D【解析】A．只閉合S1時，電路中只接入L，L的實際功率為1W，由P=UI得，在甲圖中找出L符合U、I乘積為1W的圖像，則U=2V，I=0.5A，則小燈泡L的電阻R==4?，故A錯誤；B．由A選項分析得電源電壓U=2V，再閉合S2后，R與L并聯(lián)接入電路，電壓為2V，在甲圖中找出R此時對應電流為0.2A，用并聯(lián)電路電流的特點可知電流表示數(shù)增大0.2A，故B錯誤；C．再閉合S2時，電源電壓為2V，R的電流為0.2A，L的電流為0.5A，電路中總電流為I總=0.2A+0.5A=0.7A，故總功率P=U總I總=2V×0.7A=1.4W，故C錯誤；D．再閉合S2時，電阻R的電壓為2V，電流為0.2A，通電1min即60s，產(chǎn)生熱量Q=W=UIt=2V×0.2A×60s=24J，故D正確．2．將規(guī)格都是“220V180W”的一臺電冰箱、一臺電腦和一床電熱毯，分別接入同一家庭電路中，若通電時間相同，則下列說法正確的是A．電冰箱產(chǎn)生的熱量最多 B．電腦產(chǎn)生的熱量最多C．電熱毯產(chǎn)生的熱量最多 D．三者產(chǎn)生的熱量一樣多【答案】C【解析】分析：由題意知，三種用電器的額定電壓都是220V，額定功率都是180W；家庭電路電壓是220V，把這三個用電器接入家庭電路，三個用電器都正常工作，實際功率相同都等于額定功率，通電時間相同，根據(jù)可知消耗的電能相同；通過分析三種用電器工作時的能量轉化情況，找出產(chǎn)生熱量最多的用電器．解答：∵接在家庭電路中，U=220V，∴三種用電器的實際功率：；又∵，用電器工作時間t相等，∴三種用電器消耗的電能相同；∵電冰箱與電風扇工作時，主要把電能轉化為機械能，產(chǎn)生的熱量很小，電熱毯工作時電熱絲產(chǎn)生熱量，把電能全部轉化為熱量；∴產(chǎn)生熱量最多的是電熱毯．故選C．【點睛】知道電流做功的實質：電流做功的過程就是消耗電能轉化為其它形式能的過程，能分析三種用電器的能量轉化是本題的關鍵．3．兩個定值電阻、并聯(lián)在電路中，如圖甲所示，它們的電流與其兩端的電壓關系如圖乙所示，閉合開關S，則，產(chǎn)生的熱量之比為

A．2：1 B．1：2 C．4：1 D．1：4【答案】A【解析】由并聯(lián)電路的特點知道，R1、R2的電壓是相同的，由圖乙知道，在電壓相同時，通過R1、R2的電流之比是2：1；由I=U/R知道，R1、R2的電阻之比為1：2；由圖甲知道，閉合開關S，則通電時間相同，由知道，產(chǎn)生的熱量與電阻成反比，故R1、R2產(chǎn)生的熱量之比是2：1，故選A．4．某電池容量為4200mAh，，電池電壓為3.7V。用一個標有“輸出5V

4A”的快速充電器，將電池從零電量充滿。充電效率為84%，需要______min?？斐涑潆娋€比普通充電線要粗一些，這是因為正常工作時，通過快充充電線的______較大。【答案】

55.5

電流【解析】[1]電池充滿電需要的電能為設需要充電時間為t1，則代入數(shù)據(jù)解得[2]快充充電線的電流比普通電流要大，所以充電線要粗一些，使得導線電阻要小一些，可以減小電流熱效應產(chǎn)生的熱量。題組B能力提升練1．圖是探究“影響電流熱效應因素”的實驗裝置，將R1、R2兩電阻絲密封在兩只完全相同的燒瓶內，且R1＞R2，瓶內裝入等質量的煤油，下列說法錯誤的是（）A．燒瓶內選用比熱容較小的液體，可以使實驗現(xiàn)象更明顯B．該裝置可以探究電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量與電阻大小的關系C．實驗中通過溫度計示數(shù)的變化來比較電阻絲產(chǎn)生熱量的多少D．若要比較水和煤油的比熱容大小，只需將一個燒瓶內的煤油換成等質量的水即可【答案】D【解析】A．在液體質量相同、吸收熱量相同的情況下，比熱容小的物質溫度要升高的多，所以用比熱容小的液體可以使實驗現(xiàn)象更明顯，故A正確，不符合題意；B．由圖可知，該電路為串聯(lián)電路，通過兩個電阻的電流和通電時間是相同的，電阻不同，所以該裝置可以探究電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量與電阻大小的關系，故B正確，不符合題意；C．通電后電流通過電阻絲做功，產(chǎn)生熱量使煤油的溫度升高，通過觀察溫度計的示數(shù)大小來判斷電流產(chǎn)生的熱量的多少，這個研究方法為轉換法，故C正確，不符合題意；D．比較水和煤油的比熱容大小時，需要用相同的加熱器加熱質量相同的不同液體，使它們在相同的時間內吸收相同的熱量，所以需要控制兩個電阻的裝置相同，故D錯誤，符合題意。故選D。2．已知定值電阻R1∶R2=2∶3，若把它們并聯(lián)在同一電路中，通電后，它們的電流之比I1∶I2=___；若把它們串聯(lián)在同一電路中，通電1分鐘，R1、R2產(chǎn)生的熱量之比Q1∶Q2=___?！敬鸢浮?/p>

3∶2

2∶3【分析】兩電阻并聯(lián)時它們兩端的電壓相等，根據(jù)歐姆定律求出通過的電流之比；兩電阻串聯(lián)時通過它們的電流相等，根據(jù)求出通電1分鐘R1、R2產(chǎn)生的熱量之比。【解析】[1]因并聯(lián)電路中各支路兩端的電壓相等，則兩電阻并聯(lián)時通過的電流之比[2]因串聯(lián)電路中各處的電流相等，所以，通電1分鐘R1、R2產(chǎn)生的熱量之比3．額定電壓為220V的家用電暖器正常工作時，通過內部電熱絲的電流為5A，則電熱絲正常工作時的電阻為_____Ω，工作10min產(chǎn)生的熱量為_____J。電熱絲通電后變得很燙，而連接的導線卻不怎么熱，這是由于導線電阻遠_____（選填“大于”或“小于）電熱絲電阻的緣故?【答案】

44

6.6105

小于【解析】[1][2]額定電壓為220V的家用電暖器正常工作時，通過內部電熱絲的電流為5A，根據(jù)歐姆定律可知電熱絲正常工作時的電阻為工作10min產(chǎn)生的熱量為[3]根據(jù)焦耳定律：電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。電熱絲與連接的導線串聯(lián)，電流大小和通電時間相同，電熱絲通電后變得很燙，而連接的導線卻不怎么熱，這是由于導線電阻遠小于電熱絲電阻的緣故?4．某物理學習小組進行“探究電流相同時通電導體產(chǎn)生熱量的多少跟電阻的關系”時，可供選用的器材有：6V電源，5Ω的發(fā)熱電阻兩只，10Ω的發(fā)熱電阻兩只，量程適合的溫度計兩只，規(guī)格相同的燒瓶兩只，水，酒精，煤油，開關，導線若干。（1）他們設計了圖甲和圖乙所示的兩個方案，本實驗應該選用圖___________所示方案。（2）所選方案中兩發(fā)熱電阻的阻值應________，兩個燒瓶內的液體應為質量_________的_______種類的液體。（均填“相同”或“不同”）（3）已知比熱容的大小為c水>c酒精>c煤油，為了縮短實驗時間，應選用的液體是_______。完成上述實驗后，實驗小組利用以上器材，又添加了天平、燒杯、停表等器材，設計了“測定酒精的比熱容”的實驗。已知在本次實驗條件下，水的沸點為100℃，酒精的沸點為78℃，忽略熱量散失。（4）實驗小組認為圖甲和圖乙所示兩個方案均可行，為了讓兩種液體相同時間內吸收的熱量相同，不論選擇哪種方案，兩發(fā)熱電阻的阻值應___________（填“相同”或“不同”）。（5）方案選定后，實驗過程如下：①將天平放在水平實驗臺上，把游碼撥到標尺左端的零刻度線處，觀察到指針偏向分度盤的左側，向右調節(jié)___________，直至天平平衡。用燒杯和天平測量出質量相等的水和酒精，分別裝入兩個燒瓶里。②記下兩種液體的初始溫度，接通電路，加熱一段時間后，記下液體的末態(tài)溫度。該實驗過程中應保證酒精的溫度低于___________。③根據(jù)表中數(shù)據(jù)可得酒精的比熱容為___________J/（kg·℃）。液體加熱時間/s質量/g初始溫度/℃末態(tài)溫度/℃比熱容/J/（kg·℃）水4206020324.2×103酒精420602041（6）結合表中數(shù)據(jù)進一步分析，可知實驗過程中選擇的是圖___________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]電流通過導體產(chǎn)生的熱量與通過的電流、導體的電阻和通電時間有關，研究與其中一個因素的關系時，要控制另外兩個因素不變。探究電流相同時通電導體產(chǎn)生熱量的多少跟電阻的關系時，要控制通電時間相同，只改變電阻的大小，根據(jù)串聯(lián)電路各處的電流都相等（甲乙方案中通電時間都相等），本實驗應該選用圖甲所示方案。（2）[2]根據(jù)[1]可知，所選方案中兩發(fā)熱電阻的阻值應不同。[3][4]實驗中電流產(chǎn)生的熱量不易直接測量，可給質量相等的同種液體（比熱容相同）加熱，根據(jù)通過溫度計示數(shù)變化的多少反映產(chǎn)生熱量的多少，采用了轉換法。故兩個燒瓶內的液體應為質量相同的相同種類的液體。（3）[5]已知比熱容的大小為c水>c酒精>c煤油，根據(jù)，質量相同的液體升高相同的溫度，比熱容越小，吸熱越少，故為了縮短實驗時間，應選用的液體是煤油。（4）[6]實驗小組認為圖甲和圖乙所示兩個方案均可行，為了讓兩種液體相同時間內吸收的熱量相同，根據(jù)Q=I2Rt，對甲圖而言，兩發(fā)熱電阻要相同；對乙圖而言，兩電阻并聯(lián)，由并聯(lián)電路各支路電壓相等，根據(jù)可知，兩發(fā)熱電阻的阻值也應相同，即無論選擇哪種方案，兩發(fā)熱電阻的阻值應相同。（5）①[7]將天平放在水平實驗臺上，把游碼撥到標尺左端的零刻度線處，根據(jù)指針偏轉的方向，平衡螺母調節(jié)的原則是：左偏右調，右偏左調。故觀察到指針偏向分度盤的左側，即向右調節(jié)平衡螺母，直至天平平衡。②[8]因酒精的沸點為78℃，故該實驗過程中應保證酒精的溫度低于78℃。③[9]電阻絲相同，相同時間放出的熱量相同，因忽略熱量散失，水吸收的熱量等于酒精吸收的熱量，根據(jù)有即故酒精的比熱容為（6）結合表中數(shù)據(jù)，實驗過程中，電阻絲放出的熱量為若用甲方案，用兩個5Ω的發(fā)熱電阻，根據(jù)串聯(lián)電阻的規(guī)律及歐姆定律，電路的電流為根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，產(chǎn)生的熱量為Q1=I12Rt=(0.6A)2×5Ω×420s=756J若選用兩個10Ω的發(fā)熱