初中九年级物理焦耳定律基础知识讲解

焦耳定律（基础）【学习目标】1、知道电流的热效应；2、理解焦耳定律，知道电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有关；3、知道电热的利用和防止。【要点梳理】要点一、电流的热效应1．定义：电流通过导体时电能转化成内能，这个现象叫做电流的热效应。2．影响电流的热效应大小的因素：导体通电时，产生热的多少与电流的大小、导体电阻的大小和通电时间有关。通电时间越长，电流越大，电阻越大，产生的热量越多。要点诠释：电流通过导体时，电流的热效应总是存在的。这是因为导体都有电阻。导体通电时，由于要克服导体对电流的阻碍作用，所以要消耗电能，这时电能转化成内能。如果导体的电阻为零，电流通过导体时，不需要把电能转化成内能，这时电能在导体中传输时也不会因发热而损失。3.探究影响电流通过导体产生的热量的因素（1）电流产生的热量与电阻的关系如图18.4-2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。两个密闭容器中都有一段电阻丝，右边容器中的电阻比较大。两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?实验表明：在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。（2）电流产生的热量与电流大小的关系如图18.4-3所示，两个密闭容器中的电阻一样大，在其中一个容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，因此通过两容器中电阻的电流不同。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?实验表明：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。要点二、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，跟电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫焦耳定律。2．公式：Q=I2Rt要点诠释：焦耳定律的另外两个表达式:1.从公式我们能看出，电流通过导体产生的热量受电流的影响最大。2.在应用焦耳定律的表达式来解决问题时，应该根据具体情况进行分析选用，例如，当几个导体串联起来时，由于通过导体的电流相等，通电时间也相等，应用表达式分析，此时导体产生的热量与电阻R成正比；当几个导体并联起来时，由于加在导体两端的电压相等，通电时间也相等，应用表达式分析，此时导体产生的热量与电阻成反比。3.几个公式的比较电功电功率焦耳定律适用范围基本公式W=UIt普遍适用导出公式纯电阻电路W=Q4.只有在纯电阻电路中可以用电功公式计算电热。因为在纯电阻电路中，电流做的功全部用来产生热量，此时电功等于电热，即W=Q。而在非纯电阻电路中，电流所做的功只有一部分用来产生热量，如电动机工作时，既产生热量又产生机械能，电功等于热量与机械能之和，即WQ，故此时就不能用电功的公式来计算电热了。要点三、电热的利用和防止1.电热的利用:日常生产、生活中会经常用到电热，如家用的热水器、电饭煲等，这些都是用电来加热的设备，叫电热器。要点诠释：这些用电器的共同特点就是利用电流做功，将电能转化成内能，使我们获得需要的热量。有些电器通电时也能产生热量，但是由于不是用电来加热的，所以不能叫电热器(如电视机、电脑等)。2.电热的危害:很多情况下，电流通过导体时产生的热量，并不是我们需要的，这时电能白白消耗掉了，有时还会引起事故甚至灾害，所以要想办法阻止电热的产生。要点诠释：我们说的电热的危害是对于我们的需要来说的，如果产生的热量是我们需要的，那对我们是有利的，反之就是有害的，如:电视机在工作时产生的热量，在正常观看时是有害的，但当电视机长时间不用时，我们可以利用电热来驱潮，这时的电热是有利的。电热器在工作时产生的热量如果过多，也会带来危害，所以我们在正常使用电能产生的热量时，也要注意安全。【典型例题】类型一、基础知识1、（2015•宿迁中考）电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫，而连接电炉的导线却不怎么热，主要是因为（）A．通电导线的电流小于通过电阻丝的电流B．导线的绝缘皮隔热C．导线散热比电阻丝快D．导线的电阻远小于电阻丝的电阻，导线上产生的热量很少【思路点拨】电炉丝和导线串联，通过的电流和通电时间相同，根据焦耳定律Q=I2Rt可知，电阻越大电流产生的热量越多，据此分析判断。【答案】D【解析】电炉丝跟铜导线串联，通过它们的电流I和通电时间t相等，故A错误；因为Q=I2Rt，R电炉丝＞R导线，所以产生的热量：Q电炉丝＞Q导线，即相同时间内导线产生的热量小于电炉丝产生的热量，而与散热快慢、隔热效果无关，故D正确，B、C错。故选D。【总结升华】本题主要考查学生对焦耳定律的了解与掌握，分析时注意用好控制变量法。举一反三：【变式】某导体通过1A的电流时，在某一段时间内放出的热量是4J，如果通过它的电流增加到2A，在相同的时间内放出的热量是()Ａ．8JＢ．16JＣ．32JD.64J【答案】B【解析】由于Q=I2Rt可知在t、R一定时，Q与I2成正比，电流变为原来的2倍时，Q变为原来的4倍。2、小强同学为了探究“通电导体产生的热量与电阻的关系”，设计了如图所示的实验(甲、乙两个相同的烧瓶里装满煤油，玻璃管内液面相同)。(1)电阻丝甲与乙采用串联的连接方式，其目的是_________。(2)已知电阻丝的阻值R甲R乙，通电一段时间后，_________烧瓶中的玻璃管液面上升较高。(3)我们保持电源的电压不变，利用该实验装置还可以探究通电导体产生的热量与_________的关系(写出一种即可)。(4)上述实验中，用到的科学方法主要是“控制变量法”，请你另举一个平时学习过程中用到这种方法的实验名称：_________。【答案】(1)使甲和乙的通电时间和通过的电流相同；(2)甲；(3)电流大小(或通电时间)；(4)探究电流与电压和电阻的关系。(或探究电阻大小与哪些因素有关的实验等)【解析】电流通过导体产生的热量与电流的大小、通电的时间、导体电阻的大小都有关，当我们探究产生的热量与电阻的关系时，要使电流与通电时间相同，把两个电阻串联能很好地达到这一要求；当电流和通过时间相同时，电阻越大，产生的热量越多，所以在通电一段时间后，甲中液面升得更高；在这一装置中，我们还可以通过滑动变阻器的滑片改变电路中的电流，以某一个电阻为对象还可以探究产生的热量与电流或热量与电流通电时间的关系；(4)我们在前面探究电阻的大小与哪些因素有关、电流与电压和电阻的关系等实验时都用到了控制变量法。【总结升华】当我们在探究影响某物理量大小的因素时，常使其他的相关量保持相同，这种方法称为控制变量法。学习物理的过程中，我们在很多的探究过程中都会用到这种方法。类型二、知识运用3、电动机是将电能转化成机械能的机器，但由于线圈内部有电阻，所以同时还有一部分电能转化成内能。若一台玩具电动机接在6V的电源两端，使其正常转动时，通过电动机中的电流为0.3A；短暂地卡住电动机转动轴，使其不能转动，通过电动机中的电流为3A。则这台电动机线圈的电阻为_____Ω，正常转动时的效率是________________。【思路点拨】当电动机正常转动时，消耗的电能（总功）转化为机械能（有用功）和内能（额外功），转化的内能可用焦耳定律Q=I2Rt来计算，此时的电动机电流、电压、电阻关系不适用欧姆定律。当电动机被卡住时，消耗的电能就全部转化为内能，此时的电动机电流、电压、电阻关系适用于欧姆定律。【答案与解析】【总结升华】本题关键在于电动机不是个纯电阻，所以对电动机正常转动和卡住不转的分析计算是不同的，这个需要同学们注意。举一反三：【变式】如果电视机，电烙铁和电风扇上都标有“220V，60W”的字样，它们都在额定电压下，工作相同的时间，三个用电器产生的热量是（）A．电视机最多B．电烙铁最多C．电风扇最多D．一样多【答案】B【解析】三个电器功率一样，即它们消耗的电能一样；电视机主要是把电能转化为声能和光能，电风扇主要是把电能转化为机械能，只有电烙铁全部将电能转化为热量。4、（2015•朝阳区一模）一只额定电压为U的电热水壶，将它接入电压为U的电路中，烧开一壶水所用的时间为t1；如果用这只电热水壶在相同条件下烧开同样一壶水所用的时间为t2，则此时所接入电路两端的电压U′为。【答案】12tUUt【解析】设电热壶的电阻为R，因为烧开同样一壶水消耗的电能相等，并且，所以，由可得：，解得：。【总结升华】本题考查了电功与热量的综合计算，关键是知道烧开同一壶水需要的热量相同、消耗的电能相等。举一反三：【变式】两根阻值相同的电阻丝，分别串联和并联后接在同一电源上，烧开同一壶水所用的时间分别为t1和t2，比较它们大小时，有()A.t2t1B.t1t2C.t1=t2D.条件不够，无法判定。【答案】B【解析】烧开同一壶水需要的热量是相同的，当两个电阻串联时，总电阻比每一个电阻都要大，当两个电阻并联时，总电阻比每一个电阻都要小，由可以知道，当电路两端的电压不变时，电阻越小，通过的电流越大。由Q=W=UIt可以知道，当Q一定时，对应的通电时间越短，所以t1t2。