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第十八章 電功率
第4節(jié) 焦耳定律
1.知道電流的熱效應(yīng)。
2.理解焦耳定律的內(nèi)容、公式、單位及其運(yùn)用。
3.知道利用和防止電熱的場(chǎng)合和方法。
4.進(jìn)一步理解焦耳定律。
課前自學(xué)準(zhǔn)備
學(xué)習(xí)目標(biāo)
課標(biāo)要求
生活中電的熱現(xiàn)象
生活中，許多用電器通電后，都伴有熱現(xiàn)象產(chǎn)生。
課堂教學(xué)展示
新課導(dǎo)入
電取暖器
熱得快
電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。
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推進(jìn)新課
電流的熱效應(yīng)
知識(shí)點(diǎn)1
電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生熱的多少與什么因素有關(guān)
阻值大小
電流大小
通電時(shí)間
實(shí)驗(yàn)1：研究電熱與電阻關(guān)系
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電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生熱的多少與時(shí)間的關(guān)系
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結(jié)論：
在阻值和電流不變的情況下，通電時(shí)間越長(zhǎng)，電流產(chǎn)生的熱量越多。
R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω
A
電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生熱的多少與電阻大小的關(guān)系
結(jié)論：
在通電時(shí)間和電流大小相同的情況下，電阻的阻值越大，產(chǎn)生的熱量越多。
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電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生熱的多少與電流大小的關(guān)系
I = 2I1
I
A
R = 5 Ω
R = 5 Ω
R = 5 Ω
I1
結(jié)論：
在通電時(shí)間和電阻大小相同的情況下，通過(guò)電阻的電流越大，產(chǎn)生的熱量越多。
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　　焦耳（James Prescott Joule，1818—1889），英國(guó)物理學(xué)家。用近 40 年的時(shí)間做了 400 多次實(shí)驗(yàn)，研究熱和功的關(guān)系。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，于 1840 年最先精確地確定了電流產(chǎn)生的熱量與電流、電阻和通電時(shí)間的關(guān)系。
焦 耳
焦耳定律
知識(shí)點(diǎn)2
焦耳（J）
Q=W
W=UIt
U=IR
Q=I2Rt
電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比。
焦耳定律
公式
Q = I2Rt
單位
焦耳定律適用于任何用電器的熱量計(jì)算，對(duì)只存在電流熱效應(yīng)的電路也可用Q =W = UIt = Pt = U2/R t來(lái)計(jì)算熱量。
純電阻電路：W總=Q放=Pt=UIt=U2/R t=I2Rt
非純電阻電路：W總＞Q (W總＝UIt =W外＋Q)
注意：
知識(shí)拓展：兩類用電器
（1）純電阻用電器：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能的用電器，如電飯煲、電爐等單純用來(lái)加熱的用電器。
（2）非純電阻用電器：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)只有部分電能轉(zhuǎn)化為熱能的用電器，如電風(fēng)扇、電視機(jī)等用電器在工作時(shí)，除部分電能轉(zhuǎn)化為熱能外，大部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化成其他形式的能。
純電阻電路中利用 Q = t 求電熱
U2
R
1．當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，如果電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而沒(méi)有同時(shí)轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，那么電流產(chǎn)生的熱量Q 就等于消耗的電能W，即
　　Q = W = UIt = I2Rt
　　如：電暖器，電飯鍋，電爐子等。
知識(shí)點(diǎn)3
2．當(dāng)電扇工作時(shí)，消耗的電能主要轉(zhuǎn)化為電機(jī)的機(jī)械能：
W ＞ Q熱
電能 內(nèi)能+機(jī)械能
【例1】冬天，王剛同學(xué)使用電熱毯時(shí)發(fā)現(xiàn)電熱毯有高溫檔和低溫檔，于是他設(shè)計(jì)了電熱毯的模擬電路圖甲和圖乙（電熱絲相當(dāng)于電熱毯內(nèi)部發(fā)熱電阻）。
（1）圖甲中有定值電阻R1（置于電熱毯外部），電熱絲R2，請(qǐng)說(shuō)明要使電熱毯處于低溫檔，開(kāi)關(guān)S1、S2應(yīng)處于什么狀態(tài)？并寫(xiě)出低溫檔時(shí)電熱毯發(fā)熱電功率的表達(dá)式。
分析：所謂“檔位”問(wèn)題，通常是在電壓不變的情況下，通過(guò)改變電路電阻，從而改變用電器的電功率，所以常用公式P=U2/R來(lái)判定，R越大，P越小，是低擋位；R越小，P越大，是高擋位。
解：S1閉合，S2斷開(kāi)；低溫檔時(shí)電熱毯的發(fā)熱功率：
（2）圖乙中有兩根電熱絲R2、R3，請(qǐng)說(shuō)明要使電熱毯處于高溫檔，開(kāi)關(guān)S1、S2應(yīng)處于什么狀態(tài)？并寫(xiě)出高溫檔時(shí)電熱毯發(fā)熱電功率的表達(dá)式。
S1、S2均閉合；
高溫檔時(shí)電熱毯的發(fā)熱電功率：
（3）請(qǐng)指出你認(rèn)為其中較好的電路，并說(shuō)明理由。
較好的電路是乙，因?yàn)樵诩纂娐分校琑1置于電熱毯外部，低溫檔時(shí)R1要發(fā)熱，浪費(fèi)電能。
額定電壓相同的燈泡，額定功率越大，電阻越小，正常工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。可是按照焦耳定律，電阻越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多。二者似乎有矛盾，這是怎么回事
答：前者說(shuō)電阻越小，正常工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，前提條件是電壓相同；而后者說(shuō)，電阻越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，前提條件是電流相同，兩者并不矛盾。所以我們?cè)趹?yīng)用公式時(shí)應(yīng)該特別注意條件。
想想議議
電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，使導(dǎo)體只發(fā)熱的用電器是利用電流的熱效應(yīng)，這類用電器稱為電熱器，而電熱器的主要部分是發(fā)熱體。
電熱的利用和防止
知識(shí)點(diǎn)4
電熱器的優(yōu)點(diǎn): 清潔衛(wèi)生，沒(méi)有環(huán)境污染，熱效率高，還可以方便地控制和調(diào)節(jié)溫度。
利用電熱孵化器孵小雞
很多情況下我們并不希望用電器的溫度過(guò)高。如：電視機(jī)的后蓋有很多孔，為了通風(fēng)散熱；電腦運(yùn)行時(shí)要用微型風(fēng)扇及時(shí)散熱等等。
散熱孔（窗）
散熱風(fēng)扇
電熱的作用
電熱有利的一面：
電熱有害的一面：
減小電熱產(chǎn)生的危害：
1.減小電阻（更換導(dǎo)線）
2.加快散熱（散熱孔、散熱片、散熱風(fēng)扇等）
取暖、加熱食物等。
輕則用電器燒壞；重則引發(fā)火災(zāi)。
電功與電熱的區(qū)別：
電功是指電流通過(guò)一段電路所做的功，它的大小表示電路消耗電能的多少，也表示有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。電熱是指電流通過(guò)一段電路做功，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的那一部分。兩者表示的意義不同，是兩個(gè)不同的概念。
電熱的綜合應(yīng)用
知識(shí)點(diǎn)5
①在純電阻電路，電流所做的功只轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電路消耗的電能和生成的內(nèi)能在數(shù)值上是相等的，即W=Q，如電燈、電爐、電熱器、電熨斗等。
②在非純電阻電路中，如含有電動(dòng)機(jī)、電解槽等，電流做的功一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)線圈電阻R的電流仍使線圈發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量Q=I2Rt，但此時(shí)Q≠W，而是Q＜W，即W=Q+機(jī)械能。
電功與電熱的聯(lián)系：
計(jì)算公式及其適用范圍
解：（1）小明的解法正確。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)為非純電阻電路，其電流與電壓、電阻之間的關(guān)系不滿足歐姆定律，故含電動(dòng)機(jī)的電路不能用含歐姆定律的推出公式求電功。
例2 一電動(dòng)機(jī)的線圈電阻為1Ω，線圈兩端所加電壓為2V時(shí)，電流為0.8A，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正常工作。
（1）在求電動(dòng)機(jī)正常工作1min所消耗的電能時(shí)，有以下兩種不同的解法：
小明的解法：W=UIt=2V×0.8A×60s=96J;
小華的解法：W=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J
你認(rèn)為哪位同學(xué)做得對(duì)，請(qǐng)做出判斷并說(shuō)明理由。
（2）求電動(dòng)機(jī)正常工作1min所轉(zhuǎn)化的機(jī)械能是多少？
解： （2）1min內(nèi)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電熱為：Q=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J;則在1min內(nèi)，這臺(tái)電動(dòng)機(jī)所轉(zhuǎn)化的機(jī)械能是：W機(jī)=W-Q=96J-38.4J=57.6J
例2 一電動(dòng)機(jī)的線圈電阻為1Ω，線圈兩端所加電壓為2V時(shí)，電流為0.8A，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正常工作。
（1）在求電動(dòng)機(jī)正常工作1min所消耗的電能時(shí)，有以下兩種不同的解法：
小明的解法：W=UIt=2V×0.8A×60s=96J;
小華的解法：W=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J
你認(rèn)為哪位同學(xué)做得對(duì)，請(qǐng)做出判斷并說(shuō)明理由。
（2）求電動(dòng)機(jī)正常工作1min所轉(zhuǎn)化的機(jī)械能是多少？
例3 小明家買了一臺(tái)電烤箱，有低、中、高三個(gè)檔位的發(fā)熱功率，如圖是其內(nèi)部簡(jiǎn)化路圖，開(kāi)關(guān)S1可分別與觸點(diǎn)a、b接觸。已知：R1=48.4Ω，R2=96.8Ω，電源電壓保持不變。請(qǐng)分析和解答以下問(wèn)題：
（1）當(dāng)開(kāi)關(guān)S1置于b端、S2斷開(kāi)時(shí)，電烤箱處于什么檔位？簡(jiǎn)述理由。
（2）電烤箱在中檔位工作時(shí)，消耗的電功率是多少？
（3）電烤箱在高檔位工作時(shí)，對(duì)食物加熱6min，消耗的電能為多少？
解：（1）低檔位。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1置于b端、S2斷開(kāi)時(shí)，電阻R1與R2串聯(lián)，電路中的電阻最大，由 可知，此時(shí)電功率最小，是低檔位。
（2）當(dāng)開(kāi)關(guān)S1置于b端、S2閉合時(shí)為中檔位，電烤箱消耗的電功率
電烤箱消耗的電能
W=P總t=1.5×103W×6×60s=5.4×105J
（3）當(dāng)S1置于a端，S2閉合時(shí)，電烤箱在高檔位，電阻R1與R2并聯(lián)，電烤箱消耗的總功率
例4 如圖所示是電飯鍋的實(shí)物圖，圖甲是它的內(nèi)部電路圖，
圖乙是電路簡(jiǎn)圖。它有“高溫?zé)蟆焙汀盃F飯、保溫”
兩檔，由溫控開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制。煮飯時(shí)，先要按下溫控開(kāi)
關(guān)按鈕；到達(dá)設(shè)定溫度（飯已煮熟），按鈕會(huì)自動(dòng)彈起。
（1）對(duì)照觀察圖（甲）和圖（乙），溫控開(kāi)關(guān)按鈕未按下時(shí)，“燒煮電路部分”與“保溫電路部分”是_____關(guān)系（選填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）；按下溫控開(kāi)關(guān)按鈕，“燒煮電路部分”的電壓為_(kāi)___V，“保溫電路部分”將______（選填“工作”或“不工作”）；溫控開(kāi)關(guān)按鈕彈起后，電路中的電流比原來(lái)_____（選填“大”或“小”）。
串聯(lián)
220
不工作
小
（2）當(dāng)溫控開(kāi)關(guān)按鈕按下時(shí)，電飯鍋電路的總功率為1100W。求：“燒煮電路部分”的電阻R1。
當(dāng)溫控開(kāi)關(guān)按鈕按下時(shí)，電路中只有R1工作。
（3）溫控開(kāi)關(guān)按鈕彈起后，電飯鍋電路的總功率為44W。求：①電路中的電流；②“保溫電路部分”的電阻R2。
當(dāng)溫控開(kāi)關(guān)按鈕彈起時(shí)，R1與R2串聯(lián)。
R2=R總-R1=1100Ω－44Ω=1056Ω
（4）已知只有當(dāng)指示燈和限流器兩端的電壓與電源相差不大時(shí)，指示燈才會(huì)發(fā)光。請(qǐng)通過(guò)相關(guān)計(jì)算分析說(shuō)明為什么溫控開(kāi)關(guān)按鈕彈起時(shí)，紅燈熄滅而黃燈亮。
當(dāng)溫控開(kāi)關(guān)按鈕彈起時(shí)，R1與R2串聯(lián)
因?yàn)閁1=I′R1=0.2A×44Ω=8.8V＜220V
U2=U－U1=220V-8.8V=211.2V≈220V
所以，紅燈不亮黃燈亮。
1.某電動(dòng)機(jī)上標(biāo)有“220V，2A”它的線圈電阻為5 ，當(dāng)它正常工作一分鐘后，消耗的電能為多少？線圈中產(chǎn)生的熱量為多少？如沒(méi)有其他能量的損失，則得到多少的機(jī)械能？
解：消耗的電能為:W總=UIt=220V×2A×60s=26400J
線圈中產(chǎn)生的熱量為：Q=I2Rt=(2A)2×5 ×60s=1200J
得到的機(jī)械能為：W機(jī)=W總－Q=26400J－1200J=25200J
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隨堂演練
Q = I2Rt
=(0.6 A)2×60 W×300 s
= 6 480 J
2. 一根 60 Ω 的電阻絲接在 36 V的電源兩端，在 5 min內(nèi)共產(chǎn)生多少熱量
答: 在 5 min 內(nèi)共產(chǎn)生 6480 J 熱量。
解:
I =　 = 　　　= 0.6 A
U
R
36 V
60 Ω
3.下列情況中不屬于防止電熱危害的是( )
A.電視機(jī)的后蓋有許多孔
B.電腦機(jī)箱內(nèi)有小風(fēng)扇
C.電動(dòng)機(jī)外殼有許多散熱片
D.家電長(zhǎng)時(shí)間停用，隔一段時(shí)間應(yīng)通電一次
解析:家電長(zhǎng)時(shí)間停用，里面可能會(huì)積累一些濕氣，會(huì)加速電器的生銹、老化，隔一段時(shí)間應(yīng)通電一次正是為了利用電流的熱效應(yīng)去除家電中的濕氣。前三個(gè)選項(xiàng)中的措施都能加快散熱，防止電熱引起電器升溫過(guò)高帶來(lái)的危害。
D
本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了電熱產(chǎn)生的原因，影響電熱產(chǎn)生多少的因素，焦耳定律，以及純電阻電路中電熱的計(jì)算等知識(shí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)我們一定要有控制變量的思想，在說(shuō)明一個(gè)物理量與另一個(gè)物理量之間關(guān)系時(shí)，一定要強(qiáng)調(diào)其條件，是在什么量不變的情況下才有這樣的關(guān)系，使自己的敘述更加嚴(yán)密。同時(shí)學(xué)習(xí)了電熱的利用和防止，以及電熱的綜合應(yīng)用等。電熱在生產(chǎn)、生活中廣泛存在，要從應(yīng)用和危害兩個(gè)方面認(rèn)識(shí)電熱，注意辯證地分析問(wèn)題。同時(shí)要善于觀察生活，用理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，認(rèn)識(shí)生活中的科學(xué)。
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課堂小結(jié)
1.從課后習(xí)題中選取；
2.完成練習(xí)冊(cè)本課時(shí)的習(xí)題。
課后反饋總結(jié)
布置作業(yè)
1.某導(dǎo)體的電阻是2Ω，通過(guò)2A的電流時(shí)，1min產(chǎn)生多少焦耳的熱量？
解:Q=I2Rt=(2A)2×2Ω×60s=480J
2.一只額定功率是450W的電飯鍋，在額定電壓下使用，每分鐘產(chǎn)生多少熱量？
解:Q=W=Pt=450W×1×60s=2.7×104J
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習(xí)題解答
3.一只電烙鐵的額定電壓是220V，在額定電壓下工作時(shí)的電阻是1210Ω，它的額定功率有多大？在額定電壓下通電10min產(chǎn)生多少熱量？
解:額定功率
產(chǎn)生的熱量 Q=W=Pt=40W×10×60s=2.4×104J
4.某校師生自制了一臺(tái)電烘箱。電烘箱的電阻絲通過(guò)5A的電流時(shí)，每分鐘可產(chǎn)生6.6×104J的熱量。求這臺(tái)電烘箱的電功率和電阻絲工作時(shí)的電阻。
解：
由Q=I2Rt得
5.電流的熱效應(yīng)有時(shí)對(duì)我們有益，我們利用它；有時(shí)對(duì)我們有害，需要減少電流導(dǎo)致的發(fā)熱，或者盡快把發(fā)出的熱散發(fā)掉。
（1）列舉兩個(gè)生活或生產(chǎn)中利用電流熱效應(yīng)的實(shí)例；
（2）列舉兩個(gè)生活或生產(chǎn)中防止電流熱效應(yīng)產(chǎn)生危害而采取的措施。
解：（1）如電飯煲、電熱水器等利用電流的熱效應(yīng)來(lái)加熱。
（2）電視機(jī)的后蓋有很多孔，就是為了通風(fēng)散熱；電動(dòng)機(jī)的外殼有很多翼狀散熱片，使用時(shí)與軸相連的扇葉還向散熱片吹風(fēng)，這些措施都是為了降溫。
6.在家庭電路中，有時(shí)導(dǎo)線長(zhǎng)度不夠，需要把兩根連接起來(lái)，而連接處往往比別處更容易發(fā)熱，加速老化，甚至引起火災(zāi)。這是為什么？
解：導(dǎo)線相互連接處的電阻大。根據(jù)電流的熱效應(yīng)跟電阻 大小的關(guān)系，接入電路的電阻越大，發(fā)熱越多，溫度越高，這樣長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)加速老化，甚至引起火災(zāi)。

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