18.4-焦耳定律(导学案)-2024-2025学年九年级物理全一册同步备课系列(人教版).docx

18.4 焦耳定律（导学案）
【学习目标】
1. 能通过生活实例，认识电流的热效应。
2. 能在实验的基础上引出焦耳定律，会用焦耳定律进行计算。
3. 通过学习电热的利用和防止，学会辩证地看待问题。
【学习重点】焦耳定律的理解及应用。
【学习难点】焦耳定律的理解及应用。
【自主预习】阅读教材，完成以下问题：
1. 电流的热效应
电流通过导体时将电能转化为内能的现象叫做电流的热效应。只要有电流通过导体，因为导体有一定的电阻，就会发生电流的热效应。
2. 焦耳定律
（1）焦耳定律的内容：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。
（2）用公式表示Q= I2Rt 
3. 电热的利用和防止
（1）电热的利用：各种电热器都是利用电热的设备，例如电饭锅、电热水器、电熨斗等。
（2）电热的防止：如果用电器聚集的电热过多，温度过高，有可能烧坏电器，甚至引发火灾。电脑主机里装有风扇、散热器等，都是为了加快散热。
【合作探究】
探究一、电流的热效应
1. 电流的热效应
【想一想】寻找以下用电器的共同特点：电热毯、电水壶、电饭煲、烤箱等。
分析：这些用电器工作时都要消耗电能，都会发热，在工作过程中，电能转化为内能。
【总结】 电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应。
2. 探究影响电流热效应的因素
【提出问题】电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关?
【猜想及其依据】
①可能与通过导体的电流有关。因为导体在通入电流时才会发热，所以电流通过导体时产生热的多少跟电流有关；
②可能与导体的电阻有关。导线和电熨斗串联接入电路，电流是相同的，电熨斗热的温度高，而导线几乎不热，电流产生的热可能与电阻有关。
③可能与通电时间有关。由生活经验可知，通电时间越长，电流产生的热量也会越多。
【设计实验】
（1）实验装置介绍（焦耳定律演示器）
两个透明的塑料容器内部密闭着等量的空气；容器内部的空气与U形管一端相连通。两个容器中各有一段电阻丝，两个容器里的电阻丝串联在一起接入电路。

（2）实验原理
如图所示，两个透明容器中密封着空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气的体积变化。同时使用两个密闭容器时，哪一侧U型管中液柱出现的高度差大，表明哪一侧的电阻丝产生的热量多。图中，因为Δh右＞Δh左，所以电流通过右侧的电阻丝产生的热量多。

（3）研究方法
①控制变量法：在探究电流通过导体产生热的多少跟电流、电阻、通电时间的关系时，每次实验应该控制两个物理量不变。
②转换法：实验中通过观察U形管液面的高度差来比较电流产生热量的多少，这种研究方法叫转换法。
（4）实验器材
学生电源、焦耳定律演示器、电流表、滑动变阻器等。
为了进行多次实验，需要改变通过两个电阻丝的电流，所以在电路中串联一个滑动变阻器，通过移动滑片改变电流。
（5）实验记录表
实验次数
电流关系
电阻大小/Ω
通电时间
关系
U形管液面
高度差⊿h
左
右
左
右
左
右
左
右
1
相等
5
10
相等

2
大
小
相等
相等

【进行实验】
（1）探究电流通过导体产生的热量跟电阻的关系
如图所示，将两根阻值不等的电阻丝串联接入电路。闭合开关，通电一段时间后，观察U形管液面高度差的变化。

（2）探究电流通过导体产生的热量跟电流的关系
在右方密封盒外并联一个5Ω的电阻R3，目的是改变通过盒内电阻的电流大小，由于R3的分流作用，因此通过两个容器中电阻的电流不同，I1=2I2。从而研究电流通过导体产生的热量跟电流的关系。
闭合开关，通电一段时间后，观察U形管液面高度差的变化。

（3）探究电流通过导体产生的热量跟时间的关系
闭合开关，通电一段时间后，观察同一个密封盒内U形管液面高度差的变化大小。
【收集证据】

甲 乙

【分析论证】
（1）分析实验步骤（1）发现：在电流和通电时间相等时，电阻越大，电流产生的热量越多。
（2）分析实验步骤（2）发现：在电阻和通电时间相等时，电流越大，电流产生的热量越多。
（3）分析实验步骤（3）发现，在电流和电阻相等时，通电时间越长，电流产生的热量越多。
归纳实验结论
（1）在电流相同、通电时间相同时，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。
（2）在电阻相同、通电时间相同时，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。
（3）在电流相同、电阻相同时，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。
【交流讨论】
实验结束后，小红说她在一本书上看到用如图所示的装置也可以探究电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关。请你对该装置进行评价。

【评价】该装置中，两个相同的烧瓶盛有质量相同、温度相同的同种液体；烧瓶内插有温度计，可以测量液体的温度。
烧瓶内有两个阻值不同的电阻丝，组成串联电路接入电路中。所以通过比较烧瓶内液体的温度可以探究影响电流通过导体产生热量的因素。
（1）当电阻丝通电后，电流产生热量使煤油温度升高，从而使温度计示数上升，因此根据温度计示数的变化可知电流产生热量的多少。

（2）甲图中R1、R2两电阻串联，通过两电阻的电流相等，但两电阻的阻值不同，所以可探究电流产生热量的多少与电阻的关系。
（3）乙图中R1、R2两电阻并联，甲、乙两装置中，电源电压相同，乙图中电阻R1两端的电压大于甲图中电阻R1两端的电压，则乙实验装置中通过电阻R1的电流大。所以由a、c（或b、d）可以探究电流通过导体产生的热量与电流的关系。

【例题1】如图所示，在研究电热与哪些因素有关的验中，同学们猜想电热可能与电流大小、电阻大小以及通电时间长短有关。

（1）左侧密闭容器内电阻丝阻值为5Ω，右侧密闭容器外部，将一个阻值为5Ω的电阻与这个容器内的电阻丝并联，目的是使通过左右两密闭容器内电阻丝的______不同，右侧容器内电阻丝的阻值应为______Ω，才能符合实验研究的要求；
（2）本实验是研究电流的____效应；实验中通过U形管中液面的高度差反映密闭空气温度的变化，左侧U形管中液面高度差大于右侧U形管中液面高度差，说明：______。
【答案】（1）电流，5；（2）热，见解析.
【解析】（1）右侧密闭容器内外两段电阻丝并联，左侧电阻丝在干路上，根据并联电路电流特点可知，通过左侧密闭容器内电阻丝的电流大于右侧密闭容器内电阻丝的电流，即二者电流大小不相同；两密闭容器内电阻丝的电流不同，目的是探究电热与电流的关系，要控制两电阻丝的阻值相同，左侧容器内电阻丝阻值为5Ω，那么右侧容器内电阻丝的阻值应为5Ω，才能符合实验研究的要求。
（2）电流通过电阻丝时，电能转化为内能，这种现象叫电流的热效应。
实验中通过U形管中液面的高度差反映密闭空气温度的变化，高度差越大，说明电阻丝产生热量越多。左侧U形管中液面高度差大于右侧U形管中液面高度差，说明左侧电阻丝产生的热量大于右侧电阻丝产生的热量，可以得出结论：当电阻和通电时间一定时，电流越大，产生的热量越多。
探究二、焦耳定律
1. 焦耳定律
英国物理学家焦耳用近40年的时间做了400多次实验，发现了电流通过导体产生的热量跟导体电阻、通过导体的电流及通电时间之间的关系，即焦耳定律。
（1）内容：
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。
（2）公式： Q = I2Rt 
（3）公式中Q = I2Rt 各量及其单位：
I表示电流，单位是安培（A）；R表示电阻，单位是欧姆（Ω）；t表示时间，单位是秒（s）；
Q表示热量，单位是焦耳（J）
1焦耳=1安2×1欧×1秒
2. 推导焦耳定律  
若电流做的功全部用来产生热量，即Q = W 
因为电功 W = UIt，根据欧姆定律U = IR，所以 Q = W = UIt = I2Rt
可见，在消耗的电能全部用来产生热量时，根据电功公式和欧姆定律推导出的结论与焦耳定律一致。
3. 电功与电热
（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，或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时，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纯电阻电路（如电炉、电热器、电熨斗等电路）
该类电路中，电流通过用电器时，电能全部转化为内能，电流产生的热量就等于电流做的功（消耗的电能），即Q=W，所以Q放= W总=Pt=UIt= U2t/R=I2Rt
上述公式适用于纯电阻电路。
②非纯电阻电路
在该类电路中，当电流通过用电器时，电能主要转化为其它形式的能量，只有一部分转化为内能。此时电能=内能+机械能，所以内能小于电能（选填“大于”、“小于”或“等于”）。。
例如，当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，有少部分转化为内能发热。
W总＝UIt =W机械能＋Q热量，电热小于电功（选填“大于”、“小于”或“等于”）。
4. 电功、电功率、焦耳定律计算公式及其适用范围

电功

电功率
焦耳定律
适用条件
基本公式
W=UIt
P=UI
Q=I2Rt
普遍适用
推导公式
W=U2Rt=I2Rt
P=U2R=I2R
Q=U2Rt=UIt
纯电阻电路
Q=W

5. 想想议议
（1）你现在明白了吗？电炉丝通电时，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？
【分析】因为电炉丝与导线串联，电流与通电时间相等，但是电炉丝的电阻远大于电线的电阻，根据焦耳定律Q=I 2Rt可知，在相同时间内，电炉丝产生的热量远大于导线产生的热量，所以电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热。
（2）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?
【分析】第一种说法，在通电时间和电压相同的情况下，根据Q=U2t/R可知，电阻越小，产生的热量越多；第二种说法，在通电时间和电流相同的情况下，根据Q=I 2Rt可知，电阻越大，产生的热量越多。两种说法在各自前提下都是正确的，所以二者不矛盾。
【例题2】一根60 Ω的电阻丝接在36 V的电源两端，在5 min内共产生多少热量？
【解析】先利用欧姆定律计算出通过电阻丝的电流。
I=U/R=36V/60 Ω=0.6A
再用焦耳定律公式计算电流产生的热量：
Q=I2Rt=(0.6A)2×60 Ω×5×60s=6480J
【例题3】将规格都是“220V 100W”的一台电风扇和一床电热毯，接入家庭电路中，通电时间相同，下列说法正确的是（ B ）
A. 电风扇产生的热量多 B. 电热毯产生的热量多
C. 二者产生的热量一样多  D. 无法比较二者产生的热量
【解析】接在家庭电路中，电压U=220V，二个用电器的实际功率：P实= P额= 100W 相同；
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把电能全部转化为内能，所以产生热量最多的是电热毯。
故选B。
【例题4】某电动机上标有“220V 2A”，它的线圈电阻为5Ω，当它正常工作1min后，消耗的电能为多少？线圈中产生的热量为多少？如没有其他能量的损失，则得到多少的机械能？
【解析】消耗的电能为：W总=UIt=220V×2A×60s=26400J
线圈中产生的热量为：Q=I2Rt=(2A)2×5 Ω×60s=120J
得到的机械能为：W机=W总－Q=26400J－120J=25200J
探究三、电热的利用和防止
1. 电热的利用
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，养鸡场的电热孵化器，都是利用电热的例子。电热器的优点: 清洁卫生，没有环境污染，热效率高，还可以方便地控制和调节温度。

2. 电热的防止
电流的热量有时是有害的，应该及时解决。
①例如我们的电脑在工作时，电路元件发热，温度升高，会影响到电脑的稳定性，甚至烧坏电脑CPU。人们常常采用安装散热窗、使用微型风扇等方法及时散热。
②电视机散热方法：在后盖开有很多孔，为了通风散热。
③投影仪的散热方法：除在侧壁开孔外，内部还装有电风扇，工作时电风扇转动把热量吹到机器外面，可以降低灯泡、机器内部元件的温度。
【例题5】电流具有热效应，学习了电流的热效应后，关于电热的下列几个说法错误的是（A）
A．电热会烧毁电器元件，引发火灾，有百害而无一利
B．电流通过任何用电器都或多或少地会产生热量
C．因为电流过大产生电热而烧坏局部电路，可用于整体电路的保护
D．为防止电热带来的危害，要尽量减少电热的产生并考虑如何加快散热
【解析】A. 电流的热效应有不利的因素，如电热会烧毁电器元器件，引发火灾。但在我们生活中和许多产业中都要用到电热．如家里的电饭锅、电熨斗，养鸡场的电热孵化器等都是利用电热的，故选项A错误；
B. 任何用电器中都有导线，导线都有电阻，当电流经过电阻时，就会产生热量，所以选项B的说法是正确的；
C. 保险丝是用电阻率大而熔点低的材料制成的，当电流过大时，它由于温度升高而熔断，切断电路，起保护作用，所以选项C正确；
D. 为防止电热带来的危害，要尽量减少电热的产生并考虑如何加快散热，目的是为了防止由于温度过高而损坏用电器，选项D正确． 故选A.
【归纳整理】
第4节 焦耳定律

【精讲点拨】
1. 焦耳定律公式Q = I2Rt 具有普遍意义，适用于任何电路电流所产生的热量的计算。而推导公式Q=Pt=UIt= U2t/R只适用于纯电阻电路（即电功等于电热）。
2. 电流的热效应有不利的因素，如电热会烧毁电器元器件，引发火灾。但在我们生活中和许多产业中都要用到电热。如家里的电饭锅、电熨斗，养鸡场的电热孵化器等都是利用电热的。
【课堂练习】
1．将电能输送到几百千米之外的用户，在输电线上会有能量的损耗，这主要是由于电流的____效应引起的。某段输电线路的总电阻为0.5Ω，输送电流为100A，每输电1min，这段线路便会损耗______J的电能。
【答案】热，3×105.
【解析】由于输电线有电阻，电流通过导体一部分电能转化为内能，造成电能的损耗，这种现象叫电流的热效应。
根据焦耳定律可得，这段电路损耗的电能为
Q=I2Rt=（100A）2×0.5Ω×1×60s=3×105J
2．如图是探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置，两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面的高度的变化反应密闭空气温度的变化，下列说法正确的是（　　）

A．该实验装置是为了探究导体产生的热量与电阻的关系
B．将左边容器中的电阻丝换成10Ω的电阻丝后，就可以探究电流产生的热量与电阻的关系
C．通电一段时间后，左侧U形管中液面的高度差比右侧的大
D．该实验装置是利用U形管中液体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量的多少的
【答案】C。
【解析】A．图中容器中的电阻阻值相同，通过两个电阻的电流不同，所以该实验装置是为了探究导体产生的热量与电流的关系，故A错误；
B．将左边容器中的电阻丝换成10Ω的电阻丝后，则两个容器中的电阻阻值不同，通过两个电阻的电流也不同所以不能探究电流产生的热量与电阻的关系，故B错误；
C．图中容器中的电阻阻值相同，通过左边容器中电阻的电流大于通过右边容器中电阻的电流，由Q=I2Rt可知，通电一段时间后，左边容器中电阻产生的热量大于右边容器中电阻产生的热量，所以左侧U形管中液面的高度差比右侧的大，故C正确；
D．该实验装置中U形管中液体的的高度差反映电阻丝放出热量的多少的，故D错误。
所以选C.
3．某同学用如图甲所示的实验装置探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关，两个透明容器中封闭着等量的空气。

（1）实验中通过观察_____________来比较电流通过导体所产生热量的多少；
（2）采用图乙中的实验装置探究“电流产生的热量跟电流是否有关”时，右边透明容器中应该选用阻值为____Ω的电炉丝；
（3）电炉丝通过导线接到电路里，电炉丝热得发红，而导线几乎不发热的现象可以用图_____（填“甲”或“乙”）的实验结论来解释。
【答案】（1）U形管两液面高度差；（2）5；（3）甲。
【解析】（1）电流通过电阻丝产生的热量的多少不能直接看出来。可以观察两个U形管中液面的高度差，液面的高度差越大，说明空气体积膨胀的越多，吸收的热量越多，电阻产生的热量越多。因此实验中通过观察U形管液面高度差来比较电流通过导体所产生热量的多少。
（2）探究“电流产生的热量跟电流是否有关”时，应控制电阻、通电时间相同，电流不同，故右边透明容器中应选用阻值为5Ω的电阻丝。
（3）图甲中的实验结论为电流产生的热量的多少与电阻大小有关，电流、通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。电炉丝通过导线连接到电路里，电阻丝与导线串联，电流是相同的，电阻丝的电阻比导线的电阻大，所以电阻丝产生热量多发红，导线产生热量少不发热。
4．在探究电流通过导体产生的热量与电流的关系的实验中，实验器材如图所示。请：①选择合适的电阻，并标在虚线方框内；（供选择电阻：R1=5Ω，R2=10Ω，R3=10Ω）②用笔画线代替导线补充完整电路的连接。

【答案】右图.
【解析】探究电流通过导体产生的热量与电流的关系，根据控制变量法可知：需要控制电流不同，电阻相同，通过比较相同阻值的电阻产生热量的多少来进行实验，故参与比较的电阻的阻值应该相等，通过R1和R3并联，以此来改变通过R3的电流大小，实验图如右。
5. 一只电烙铁的额定电压是220V，在额定电压下工作时的电阻是1210Ω，求：
（1）电烙铁的额定功率有多大？
（2）电烙铁在额定电压下通电10min产生多少热量？
（3）当实际电压只有额定电压的80%时，电烙铁的电阻保持不变，此时电烙铁的实际功率是多少？
【解析】（1）电烙铁的额定功率
P=UI= U2R = （220V）21210Ω=40W
（2）电烙铁在额定电压下通电10min产生的热量
Q=W=Pt=40W×10×60s=2.4×104J
（3）实际电压U实=80%U=80%×220V=176V
电烙铁的实际功率
P实= U实2R = 176V21210Ω=25.6W
6. 如图所示电路是某电饭锅的内部简化电路图，有1000W加热和40W保温两挡功率可切换。
（1）若开关S接a，电饭锅处于_________挡；
（2）开关S接b，电饭锅工作5min时产生的热量是_________J；
（3）电水壶在加热挡正常工作3min，标有3000r/kW·h的电能表的转盘转过________。

【答案】（1）加热；（2）1.2×104；（3）150.
【解析】（1）由电路图知，当开关S接到b时，电阻R1、R2串联，电路中的电阻较大，根据
P= U2R可知电路的总功率较小，处于保温挡；开关接a时，电阻R1单独工作，电路中的电阻较小，根据P= U2R可知电路的总功率较大，处于加热挡。
（2）开关S接b，处于保温挡，电饭锅工作5min时产生的热量
Q保=W保=P保t=40W×5×60s=1.2×104J
（3）电水壶在加热挡正常工作3min产生的热量
Q加=W加=P加t=1000W×3×60s=1.8×105J=0.05kW·h
电能表转盘转的转数 n=0.05kW·h×3000r/(kW·h)=150r
【课后反思】
本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？