探究焦耳定律

15.4

探究焦耳定律西吉回中張雯（1）燈泡發(fā)光一段時(shí)間后，用手觸摸燈泡有什么感覺？為什么？

（2）電風(fēng)扇使用一段時(shí)間后，用手觸摸電動(dòng)機(jī)部分有什么感覺？為什么？答案:發(fā)燙。是電流的熱效應(yīng)。問題電流的熱效應(yīng)

電流通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱（電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能），這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。

4電爐絲和導(dǎo)線通過的電流相同。為什么電爐絲熱的發(fā)紅，而導(dǎo)線卻幾乎不發(fā)熱？問題：一、探究電流的熱效應(yīng)跟電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

電流熱效應(yīng)跟電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

研究電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟哪些因素有關(guān)

實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)電流通過電阻絲時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量就使瓶中的煤油溫度升高、體積膨脹，瓶塞上面原來一樣高的液柱就會(huì)逐漸上升。電流產(chǎn)生的熱量越多，液面就會(huì)上升得越高。我們可以通過管中液面上升的高度比較電流產(chǎn)生的熱量。電源、開關(guān)、燒瓶、電流表、滑動(dòng)變阻器

、導(dǎo)管、適量煤油和足夠?qū)Ь€兩個(gè)相同的燒瓶中裝滿煤油分別放入電阻不同的電阻絲通電后導(dǎo)管中的煤油上升。在通電電流和通電時(shí)間相同的條件下，電阻越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。在電阻和通電時(shí)間相同的條件下，電流越大，電流產(chǎn)生的熱量越多。12實(shí)驗(yàn)分析即：電流相等時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電阻成正比。即：電阻相等時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流成正比。經(jīng)驗(yàn)之談:

對于確定的電路中的某一導(dǎo)體來說，通電時(shí)間越長，導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量越多。

你能舉一個(gè)日常生活實(shí)例說明一下嗎?

1.內(nèi)容：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比。

2.公式：Q=I2Rt3.單位：I-安，R-歐，t-秒，Q-焦。注意：熱量跟電流的平方成正比，若通過一個(gè)用電器的電流增加到3倍時(shí)，它產(chǎn)生的熱量增大到

倍。9

英國物理學(xué)家焦耳做了大量的實(shí)驗(yàn),于1840年最先精確地確定電流產(chǎn)生的熱量跟電流、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系，即焦耳定律。二、焦耳定律

焦耳在1818年12月24日生于英國曼徹

斯特，他的父親是一個(gè)釀酒廠主。焦耳自幼

跟隨父親參加釀酒勞動(dòng)，沒有受過正規(guī)的教

育。青年時(shí)期，在別人的介紹下，焦耳認(rèn)識

了著名的化學(xué)家道爾頓。道爾頓給予了焦耳

熱情的教導(dǎo)。焦耳向他虛心的學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、

哲學(xué)和化學(xué)，這些知識為焦耳后來的研究奠

定了理論基礎(chǔ)。1840年，焦耳把環(huán)形線圈放

入裝水的試管內(nèi)，測量不同電流和電阻時(shí)的水溫。通過這一實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流的平方之積成正比。四年之后，俄國物理學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了焦耳關(guān)于電流熱效應(yīng)之結(jié)論的正確性。因此，該定律稱為焦耳—楞次定律。焦耳活到了七十一歲。1889年10月11日，焦耳在索福特逝世。后人為了紀(jì)念焦耳，把功和能的單位定為焦耳。根據(jù)電功公式和歐姆定律推導(dǎo)焦耳定律。非純電阻電路：W總＞Q

(W總＝UIt=W外＋Q)Q=W=UIt=I2Rt根據(jù)歐姆定律U=IR又

W=UIt若電流做的功全部用來產(chǎn)生熱量（消耗的電能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能）即Q=W注意：焦耳定律適用于任何用電器的熱量計(jì)算，對只存在電流熱效應(yīng)的電路也可用Q

=W

=

UIt

=

Pt

=

t來計(jì)算熱量。純電阻電路：W總=Q放=Pt=UIt=

t=I2Rt三、電流熱效應(yīng)的應(yīng)用與控制根據(jù)焦耳定律可知，生活中用電器在工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電熱，怎樣合理地應(yīng)用電熱和防止電熱造成的危害呢？你知道嗎？電熱的利用和防止1.電熱器：利用電流來加熱的設(shè)備。主要部件：發(fā)熱體（電阻率大、熔點(diǎn)高）應(yīng)用：電熱水器、電飯鍋、電熨斗、電孵化器、電烙鐵等等。2.電熱的防止：電視機(jī)后蓋的散熱窗、電腦主機(jī)里面的小電風(fēng)扇等等。1.焦耳定律是反映電流的

效應(yīng)的規(guī)律，即_____轉(zhuǎn)化為

的規(guī)律。2.電流通過電風(fēng)扇做功時(shí),

能轉(zhuǎn)化為___能和_____________

能，如果電流做功3.6×106J,電風(fēng)扇獲得的機(jī)械能一定

______

3.6×106J。牛刀小試熱電能內(nèi)能電內(nèi)機(jī)械小于3.下列用電器正常工作時(shí)，要防止電流熱效應(yīng)的是()A．電燈B．電視機(jī)

C．電飯鍋D．電熨斗4.下列家用電器中，利用電流熱效應(yīng)工作的是()A．電風(fēng)扇B．電飯鍋

C．電冰箱D．電視機(jī)

BB課時(shí)練習(xí)1.電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量跟__________成正比，跟導(dǎo)體的____成正比，跟__________成正比，這個(gè)規(guī)律叫做焦耳定律，數(shù)字

表達(dá)式是_______.2.電熱器是利用電流的__效應(yīng)制成的，它的主要部件是______.電流流過電熱器所做的功全部用來產(chǎn)生____.3.有兩根金屬電阻絲，電阻分別為5Ω和15Ω，將它們串聯(lián)后接在一個(gè)電源兩端，它們的電

壓之比為_____，在相同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比為______；

如果將它們并聯(lián)同一電源兩極間，通過它們的電流之比為____，在相等的

時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比為____.電流的平方電阻通電的時(shí)間Q=I2Rt熱發(fā)熱體

熱量1∶31∶33∶13∶14.在兩根橫截面積相同、長度不同的鎳鉻合金線兩端分別加上相同的電壓，那么下列說法

中正確的是()A.長的鎳鉻合金線電阻較大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量較多B.短的鎳鉻合金線電阻較大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量較多C.長的鎳鉻合金線電阻較大，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量較少D.短的鎳鉻合金線電阻較小，相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量較少5.一根電阻絲接在電壓U=5V的電源上，在1s內(nèi)產(chǎn)生的熱量是2J，要讓該電阻(其電阻大

小恒定不變)產(chǎn)生8J的熱量，可采用的辦法是()A.使電源電壓變?yōu)?0V，通電時(shí)間仍為1SB.使電源電壓仍為5V，通電時(shí)間變?yōu)?SC.使電源電壓變?yōu)?0V，通電時(shí)間變?yōu)镾D.使電源電壓變?yōu)?0V，通電時(shí)間變?yōu)?SCA6.有一種家用電熨斗的規(guī)格為“220V，300W”，這種電熨斗內(nèi)部的電熱絲的電阻是多少?如

在額定電壓下工作，1min內(nèi)產(chǎn)生的熱量是多少?【答案】161.3Ω，1.8×104J典型例題解析【例1】用電爐燒水時(shí)，電爐絲熱得發(fā)紅，而跟電爐絲連接著銅導(dǎo)線卻不怎

么熱，這是為什么?

電爐的電阻絲和銅導(dǎo)線是串聯(lián)在同一電路中的，所以通過的電流是相同的，時(shí)間也是相同的，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt可知，當(dāng)兩導(dǎo)體中電流和通電時(shí)

間均相同時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻成正比.由于電爐的電阻絲的電阻比銅導(dǎo)線的電

阻大得多，所以電爐絲產(chǎn)生的熱量比銅導(dǎo)線要大得多.

【例2】一臺電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)線圈兩端的電壓為380V，線圈的電阻為2Ω，通過線圈的電流為10A.這臺電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，一秒鐘消耗的電能為____J，產(chǎn)生的熱量為___J.3800200【例3】在如圖9-3-1所示的電路的方框內(nèi)有一種發(fā)熱裝置，它是由三段阻

值相同的電熱絲組成，這個(gè)發(fā)熱裝置的電路與方框外的電路相連接.當(dāng)開關(guān)S擲到A點(diǎn)時(shí)

為高溫，擲到B點(diǎn)時(shí)為低溫(電源電壓不變)，且在相同時(shí)間內(nèi)，高溫時(shí)產(chǎn)生的熱量是低

溫時(shí)產(chǎn)生的熱量的2倍，試在方框內(nèi)畫出它的電路圖.【例4】現(xiàn)有甲、乙兩只廢舊電爐，分別標(biāo)有“220V，1000W”

和“220V，500W”字樣，其中電熱絲均完好無損.某同學(xué)想利用這些電熱絲來自制一個(gè)電熱器接入照明

電路中使用，下列設(shè)想可行的是()A.要使電熱器的電功率為250W，只要將乙電熱絲的一半接入電路B.要使電熱器的電功率為2000W，只要將乙電熱絲分成等長的兩段并聯(lián)后接入電路

C.要使電熱器的電功率為400W，只要將乙電熱絲與一半長的甲電熱絲串聯(lián)后接入電

路D.要使電熱器的電功率為750W，只要將兩只電熱絲各取一半串聯(lián)后接入電路BC1.某同學(xué)自制了一個(gè)“電熱驅(qū)蚊器”，它的發(fā)熱元件是一個(gè)阻值為1.0×104Ω的電阻.將這個(gè)電熱驅(qū)蚊器接在電源的兩端，當(dāng)電源兩端電壓為220V時(shí)，1min內(nèi)產(chǎn)生的熱量的______J.2.一個(gè)標(biāo)有“220V，500W”字樣的電加熱器(俗稱“熱得快”)，正常工作20分鐘產(chǎn)生的熱

量為______焦.假若電加熱器放出的這些熱量全部被水吸收，在標(biāo)準(zhǔn)大

氣壓下____(填“能”或“不能”)將質(zhì)量為2千克20℃的水加熱至沸騰.3.阻值為R的電熱絲接到電壓不變的電源上，3分鐘可以使一杯水燒開，現(xiàn)換用阻值為2R的電阻，再接到此電源上，__分鐘可以使同樣的一杯水燒開.290.4不能6×1056課時(shí)訓(xùn)練4.如圖9-3-3所示，電源電壓220伏，R是電烙鐵，標(biāo)有“220V，40W”字樣；L是電燈泡

，標(biāo)有“PZ220—40”字樣.當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，電烙鐵每分鐘產(chǎn)生的熱量是________焦，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，電烙鐵的實(shí)際功率是__瓦；開關(guān)S斷

開后，整個(gè)電路工作__小時(shí)消耗1千瓦電能.5.將規(guī)格分別為“220V，1000W”和“220V，500W”的甲、乙兩根電阻絲串聯(lián)起來

，接入一電源兩極，電源最大不能超過___伏，此時(shí)，整個(gè)電路的最大功率

是___瓦.750

502.4×10310圖9-3-33306.研究焦耳定律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖9-3-4所示，在兩個(gè)相同的燒瓶中裝滿煤油，瓶中各放一根

電阻絲，甲瓶中電阻絲的阻值比乙瓶中的電阻大.實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行，其中第一步為：接通電

路一段時(shí)間，比較甲、乙兩瓶中的煤油哪個(gè)上升得高，這一步是在什么情況下研究熱量跟哪

個(gè)物理量的關(guān)系?()A.是在通電時(shí)間相同的情況下，研究熱量跟電流的關(guān)系B.是在電流相同的情況下，研究熱量跟通電時(shí)間的關(guān)系C.是在電流相同但電阻不同的情況下，研究熱量跟通電時(shí)間的關(guān)系

D.是在電流和通電時(shí)間相同的情況下，研究熱量跟電阻的關(guān)系D7.如圖9-3-5所示，a、b相同容器中分別裝有相同質(zhì)量的水，水中的電阻絲的阻值分別

為R1和R2，且R1＜R2，則閉分開關(guān)S后，a、b容器中水溫上

升較快的是()A.a容器中的水B.b容器中的水C.a、b容器中的水溫上升的快慢一樣D.無法判斷B圖9-3-58.有一個(gè)標(biāo)有“220V，1000W”的電爐，想把它接在110V的線路上使用，同時(shí)又不改變原有

的功率，其辦法是()A.把電爐的電阻絲截去一半B.用另一根和它相同的電阻絲串聯(lián)C.用另一根和它相同的電阻絲并聯(lián)D.把電爐的電阻絲截成相等的兩段后再并聯(lián)起來9.在溫度是20℃的2400g的水里有一根阻值為10Ω的電阻絲.若通過這根電阻絲的電流是10A，需要多少時(shí)間才能把水加熱到95℃(假設(shè)電阻絲放出的熱量全部被水吸收)?D【答案】756秒方法小結(jié)

對于用電器吸熱量的計(jì)算，首先要分析該電器是非純電阻性器件還是純電阻性器件，初中階