1、专题44 对焦耳定律的理解和应用考点梳理知识点一电流的热效应（1） 定义：电流通过导体时将电能转化为内能，这种现象叫电流的热效应。如：电流流过灯丝时，灯泡发热；电热毯通电后会发热（2） 电热器：电烙铁、电熨斗、电炉、电饭锅、电暖器、电烤箱、电热水器等利用电流的热效应进行工作，所有的电热器都是把电能转化为内能。知识点二电流通过导体时产生的热量多少跟什么因素有关提出问题：电流通过导体产生的热量多少与什么因素有关？实验方法：控制变量法、转换法猜想并进行实验：（1）探究电流产生的热量与电阻的关系将两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两电阻丝的电流相同，通电一段时间后，比较两个容器中U型管液面的
2、高度变化情况，发现与右边容器相连的U型管液面高度变化更大一些。如图所示注意：本实验中电热的多少通过空气受热膨胀U型管两侧液面高度变化不同来反应，转换法的利用，故需要在U型管中装有等量的空气。实验中U型管中装的液体是煤油，因为煤油比热容小，升温快，同时，煤油是绝缘体，不导电，具有安全性。结论：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（1） 探究电流产生的热量与电流的关系如图所示，两个密闭容器中的电阻丝阻值都是5，在右侧容器的外部，将一个5的电阻与这个电阻并联，因此通过左侧容器中电阻丝的电流大于通过通过右侧容器中电阻丝的电流。在通电时间相同时，观察两个U型管中液面高度的变
3、化。发现与左侧容器相通的U型管液面变化更大一些。结论：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。注意：实验中用电阻丝对空气加热可以缩短实验时间，并会使实验现象更加明显，实验中应使两容器密闭，不能漏气。（2） 探究电流产生的热量与时间的关系如图所示，将这套装置接到电源两端，在通电过程中，只观察与左边容器相通的U型管的液面高度变化情况，发现随着通电时间越长，U型管中液面高度变化越大。结论：在电流相同、电阻相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多【例1】物理兴趣小组的同学“探究电流通过导体产生的热量与什么因素有关”的实验。将一段电阻丝装在透明、密闭的容器
4、中，橡胶管将密闭容器和装有红色液体的U形玻璃管相连，如图所示。请你回答下列问题：(1)在实验中，密闭容器内的空气质量应该_（选填“相等”或“不相等”），观察U开玻璃管中液面度差的目的是：_；(2)如图（甲）所示，密闭容器内的电阻分别为5和10，实验探究的是电流通过导体产生的热量_的关系，根据本次实验现象可得到的实验结论是_；如图（乙）所示，密闭容器内的电阻均为5，另有一个5电阻在容器外部，与其中一个容器内的电阻并联，实验探究的是电流通过导体产生的热量与_的关系；根据本次实验现象可得到的实验结论是_。【答案】相等来显示甲、乙容器内空气温度的变化与电阻在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越
5、多电流在时间和电阻相同时，电流越大，产生的热量越多【解析】(1)12为了便于利用控制变量法和转换法对各个猜想进行探究，在实验前，应该使U形管中的左右两管液面相平，即两边产生的压强相等，这样应在容器内封闭质量相等的空气；实验中是通过观察“U”形管中液面的高度差来显示甲、乙容器内空气温度的变化。像这种用能直接观测的量来显示不容易直接观测的量的方法叫转换法。(2)34图甲中，密闭容器内的电阻分别为5和10，电阻串联，通电时间和电流相同，电阻不同，故实验探究的是电流通过导体产生的热量与电阻的关系；由实验现象可得到的实验结论是：在电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。56图乙中，电阻相同，通电
6、时间相同，电流不同，故实验探究的是电流通过导体产生的热量与电流的关系；根据本次实验现象可得到的实验结论是：在时间和电阻相同时，电流越大，产生的热量越多。知识点三焦耳定律（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。这个规律叫做焦耳定律。（2） 公式：，在国际单位制中，电热的单位是焦耳，符号“”（3） 焦耳定律的理论推导：电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有转化为其他形式的能，那么电流做功产生的热量Q等于电能的消耗量，即，再根据欧姆定律可知，。（4） 焦耳定律适用于所有电路的电热计算，使用时各物理量单位要分别统一为。【例2】如图是小明设
7、计的多挡位电烤炉简化电路，电路中电源电压保持不变，R1、R2和R3是发热电阻（不计温度对电阻的影响），R1上标有“12V 9W”的字样，R2的阻值为8。为了研究电阻的发热情况，小明将电压表接入电路，当只闭合开关S1时，电压表的示数为4V，电流表的示数为0.5A。求：(1)R1、R3阻值和电源电压各为多少？(2)当只闭合开关S2时，电路消耗的总功率为多少？(3)给这个电烤炉通电10min，该电烤炉最大的发热量是多少？【答案】(1)16，8，12V；(2)9W；(3)16200J【解析】(1)由可得，R1的阻值只闭合S1时，R1与R3串联，电流表测量电路中电流，电压表测量 R3电压，则R3阻值为R
8、1两端电压因串联电路两端电压等于各部分电压之和，所以电源电压(2)只闭合S2，R2与R3串联，所以电路的总电阻电路消耗的总功率(3)闭合开关S1、S2、S3，R3被短路，R1与R2并联，此时电炉的发热功率最大；因为R1正常工作，则P1=9W，R2的电功率为电路消耗的总功率由P=Wt可得，电烤炉最大的发热量答：(1)R1、R3阻值和电源电压各为16、8、12V；(2)当只闭合开关S2时，电路消耗的总功率为9W；(3)给这个电烤炉通电10min，该电烤炉最大的发热量是16200J。知识点四纯电阻电路与非纯电阻电路焦耳定律（一）纯电阻电路能量转化形式：电能全部转化为内能。公式：（求电热或电功）（求电
9、功率或热功率）注意：由上述两个公式可知，在家庭电路中，如果同时打开的用电器越多，则总电阻越小，则总功率越大，在相同时间产生的热量越多，超过空气开关允许的最大功率。出现跳闸现象。（二）非纯电阻电路焦耳定律能量转化形式：电能转化内能和形式能。公式：（计算总能量）、（计算内能）、（计算其他形式的能）（计算总功率）、（计算热功率）、（计算其他形式能的功率）注意：电动机上的功率表示机械功率，即输出功率。电视机、电动机、电暖器额铭牌上都标有“220V 100W”，把他们并联在220V的电压下，在相同时间里它们产生的热量是不一样的。因为100W指的是电流做功的功率，计算出来的是电流做功的总能量，对于电视机、
10、电动机来说，有部分内能是损失的，故电暖器产生的内能是最多的。二级结论：在纯电阻串并联电路中电热与电阻的关系：在只有电阻R1和R2的串联电路中，电热和电阻成正比，即；在只有R1和R2并联的电路中，通电时间相同，电热与电阻成反比，即串并联电路中，总热量与各个用电器热量的关系：补充：电流在不同的环境中会产生不同的效应。电流的热效应、磁效应、化学效应。【知识链接】理解和应用焦耳定律时应注意的几个问题1QI2Rt是由实验总结出来的，只要有电流通过导体，都可以用它来计算导体产生的热量2对于纯电阻电路，在时间、电压相同时，电阻越小，产生的热量越多；在时间、电流相同时，电阻越大，产生的热量越多3公式中各物理量
11、都是对同一段电路或同一导体而言的4运用公式时，各物理量要转换成国际单位后再代入公式计算.【例3】小华家新买了一个电动吹风机，其简化电路如图所示，电源电压为220V。闭合S1时，电动机工作，吹风机吹冷风，电动机的功率为110W；再闭合S2，电动机与电热丝并联，吹风机吹热风，电路的总电流是4.5A请你通过计算回答：(1)吹冷风时电路中的电流是多少？(2)电热丝的电阻是多少？(3)吹热风时，10s内电热丝产生的热量是多少？【答案】(1) 0.5A；(2)55；(3)8800J【解析】(1)由公式P=UI得，吹冷风时电路中的电流(2)S1、S2都闭合时，电动机与电热丝并联，所以通过电热丝的电流由欧姆定
12、律得，电热丝的阻值(3)10s内电热丝产生的热量答：(1)吹冷风时电路中的电流是0.5A；(2)电热丝的电阻是55；(3)10s内电热丝产生的热量8800J。知识点五电热的利用和防止电热器是利用电热的设备，它是利用电流的热效应来进行工作的。在有一些用电器工作时，电能会转化为其他形式的能。例如电视机、计算机、电动机、高压输电线。都不可避免会产生一些内能，倒置温度升高，所以很多家用电器采用设置散热孔、散热片或在发热体部分安装电风扇等方法进行散热。【例4】央视是真的吗？节目中，主持人做了“电池+口香糖锡纸=取火工具”的实验：取口香糖锡纸，剪成条状，将锡纸条带锡的一端接在电池的正极，另一端接在电池的负
13、极，很快发现纸条中间处开始冒烟、起火苗，如图。这是因为锡是_（选填“导体”或“绝缘体”），将它的两端直接接入电池正负极，就会造成_，迅速产生大量的_使温度达到锡纸的燃点而使之燃烧，这个过程中电池输出的_能，转化为_能。【答案】导体短路热量电内【解析】12345因为锡属于金属，因此具有导电性，将锡纸条带锡的一端接在电池的正极，另一端接在电池的负极，形成了电源短路，此时电路中迅速产生大量热量使温度达到锡纸的着火点而使之燃烧。这个过程中电池的电能转化为内能。对点训练1如图是探究“电流通过导体时产生的热跟什么因素”有关的实验装置，两个透明的容器中密封着等质量的空气。关于这一实验，下列说法正确的是（）A
14、该实验装置探究的是电流产生的热与电阻的关系B该装置用U形管中液体热胀冷缩来反应电阻放热的多少C若容器外电阻断路，则相同时间内，与没断比，左侧U形管中液面高度差小D若将左侧容器中电阻换成10电阻后，可探究电流产生的热与电阻的关系【答案】C【解析】A根据控制变量法可知，探究电流产生的热量与电阻关系时，需要控制电流、通电时间相同，电阻不同，而图中的两个电阻都是相同的，故无法完成探究，故A错误。B电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，但气体温度的变化可以通过U形管中液面高度差的变化来反映，不是利用液体的热胀冷缩，故B错误。C容器外电阻发生断路前，左侧的电阻为5，右侧的总电阻为2.5，则电路的总电阻为
15、7.5；容器外电阻发生断路后，电路中只有两个电阻串联，则总电阻为10；容器外电阻发生断路后，整个电路的总电阻增大了，根据欧姆定律可知，电路中的总电流减小了，在电阻、通电时间不变时，电流减小，则产生的热量变少，所以左侧U形管中液面高度差变小，故C正确。D探究电流产生的热量与电阻关系时，需要控制电流、通电时间相同，电阻不同，若将左侧容器中电阻换成10电阻后，根据并联电路电流的特点可知，此时通过两个电阻的电流是不同的，不能探究电流产生的热与电阻的关系，故D错误。故选C。2甲、乙两段导体通电时间相同，甲的电阻是乙的5倍，甲、乙产生的热量之比是45，则通过甲、乙两段导体的电流之比是（）A25B425C5
16、2D41【答案】A【解析】根据焦耳定律Q=I2Rt可知则通过甲、乙两段导体的电流之比故选A。3已知一台直流电动机两端的电压为6V，通过电动机的电流为2A，线圈的电阻为0.5则在1min内电动机消耗的电能及产生的热量分别为A720J、720JB720J、120JC720J、600JD600J、120J【答案】B【解析】电动机正常工作时其电路是非纯电阻电路，根据焦耳定律，电动机产生的热量：电动机消耗的电能为W=UIt=6V2A60s=720J，故B正确，选项ACD错误答案为B4（多选）下面实例中是利用电热的实例有（）A用电熨斗熨衣服B用电饭锅煮饭C电视机外壳有许多小孔D用电热壶烧水【答案】ABD【
17、解析】电热既有有利的一面，也有有害的一面，利用电热的例子：用电熨斗熨衣服，电饭锅煮饭，用电热壶烧水；防止电热带来不利影响的例子：电视机上的散热孔，故ABD符合题意，C不符合题意。故选ABD。5如图电路中，开关S由断开到闭合时，电流表的示数由0.3A变化到0.5A，此时电压表的示数始终为6V，则滑动变阻器R2连入电路的阻值为_，通电1min电阻R1产生的热量为_J。【答案】20 72 【解析】1由图知，S断开时，只有变阻器R2连入电路；S闭合时，R1和R2并联，电流表测电路中电流，电压表测电源电压。所以电源电压U=6V，开关S由断开到闭合时，电流表的示数由0.3A变化到0.5A，所以通过R2的电
18、流为0.3A，由并联电路特点和欧姆定律可得，滑动变阻器连入电路的阻值为2由并联电路电流特点可得，通过R1的电流为通电1min电阻R1产生的热量为6如图所示的电路电源电压为6V，电阻R的阻值是10闭合开关S，当电动机被卡住时，电流表的示数为0.5A；当电动机正常转动时，电流表的示数为0.2A正常工作10s，电动机消耗的电能是_J，线圈产生的热量是_J【答案】8 0.8 【解析】1由题意可知，电动机正常转动时的电流I0.2A，串联电路中电流处处相等，由I=可得，定值电阻R两端电压：URIR0.2A102V已知电源电压U6V，则电动机两端电压：UMUUR6V2V4V正常工作10s，电动机消耗的电能：
19、WUMIt4V0.2A10s8J2电动机被卡住时为纯电阻用电器，已知此时电流表的示数I0.5A，由I=可得，电路中的总电阻：R总=12则线圈电阻：RMR总R12102电动机正常转动时，线圈产生的热量：QI2RMt(0.2A)2210s0.8J7如图所示，为30，闭合开关S，断开S1时电流表的读数是0.2A；同时闭合S、S1时电流表的读数是0.3A，整个过程中电源电压不变，求：(1)电源电压；(2)电阻的阻值；(3)通电1分钟产生多少热量。【答案】(1)6V；(2)60；(3)72J【解析】(1)闭合开关S，断开S1时为的基本电路，由可知，电源电压为(2)同时闭合S、S1时，、并联，由于并联电路
20、中各支路互不影响，并且干路电流等于各支路电流之和，所以通过的电流为由可知电阻的阻值为(3)通电1分钟产生的热量为答：(1)电源电压为；(2)电阻的阻值为；(3)通电1分钟产生的热量为。8某电火锅加热器有高温和低温两挡，其原理如图所示，S1是总开关，S会自动跳至a位置或b位置实现高温挡和低温挡的转换。已知电源电压是220V，R1、R2是发热电阻，当开关S闭合，S2接“a”时R1的功率是11W，R2的功率是99W；试求：(1)低温挡工作时电路中的电流；(2)高温挡工作10min产生的热量；(3)若只要求将低温挡功率提高到原来的两倍，请通过计算提出你的改进方法。【答案】(1)0.5A；(2)6.61
21、05J；(3)把R2换成阻值为176的电阻【解析】(1)当开关S闭合，S2接“a”时，R1与R2串联，电路的总电阻最大，总功率最小，电火锅处于低温挡，则此时电路的总功率P低P1+P211W+99W110W由PUI可得，低温挡工作时电路中的电流I=(2)由PUII2R可得，R1的阻值R1=当开关S闭合，S2接“b”时，电路为R1的简单电路，电路的总电阻最小，总功率最大，电火锅处于高温挡，则高温挡工作10min产生的热量(3)若只要求将低温档功率提高到原来的两倍，则R1的阻值不变，只改变R2的阻值，此时低温档电路的总电阻R=因串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以，改变R2后的阻值R2RR122044176所以，改进方法：只把R2换成阻值为176的电阻。答：(1)低温挡工作时电路中的电流为0.5A。(2)高温档工作10min产生的热量为6.6105J。(3)若只要求将低温挡功率提高到原来的两倍，应把R2换成阻值为176的电阻。