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R·九年級下冊
第4節
焦耳定律
學習目標
1.知道電流的熱效應。
2.理解焦耳定律的內容、公式、單位及其運用。
3.知道利用和防止電熱的場合和方法。
4.進一步理解焦耳定律。
生活中電的熱現象
　　生活中，許多用電器通電后，都伴有熱現象產生。請舉例說明。
電取暖器
熱得快
電流通過導體時電能轉化成內能，這種現象叫做電流的熱效應。
知識點1
電流的熱效應
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實驗1：研究電熱與電阻關系
電流通過導體時產生熱的多少與什么因素有關?
阻值大小
電流大小
通電時間
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電流通過導體時產生熱的多少與時間的關系
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在阻值和電流不變的情況下，通電時間越長電流產生的熱量越多。
結論：
R1
=
5
Ω
R2
=
10
Ω
A
電流通過導體時產生熱的多少與電阻大小的關系
在通電時間和電流大小相同的情況下，電阻的阻值越大產生的熱量越多。
結論：
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電流通過導體時產生熱的多少與電流大小的關系
I
=
2I1
I
A
R
=
5
Ω
R
=
5
Ω
R
=
5
Ω
I1
在通電時間和電阻大小相同的情況下，通過電阻的電流越大產生的熱量越多。
結論：
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　　焦耳（James
Prescott
Joule，1818—1889），英國物理學家。用近
40
年的時間做了
400
多次實驗，研究熱和功的關系。通過大量的實驗，于
1840
年最先精確地確定了電流產生的熱量與電流、電阻和通電時間的關系。
焦
耳
知識點2
焦耳定律
焦耳（J）
Q=W
W=UIt
U=IR
Q=I2Rt
電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。
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算，對只存在電流熱效應的電路也可用Q
=W
=
UIt
=
Pt
=
U2/R
t來計算熱量。
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：
知識拓展：兩類用電器
（1）純電阻用電器：電流通過導體時將電能全部轉化為熱能的用電器，如電飯煲、電爐等單純用來加熱的用電器。
（2）非純電阻用電器：電流通過導體時只有部分電能轉化為熱能的用電器，如電風扇、電視機等用電器在工作時，除部分電能轉化為熱能外，大部分電能會轉化成其他形式的能。
知識點3
純電阻電路中利用
Q
=
t
求電熱
U2
R
　　1．當電流通過導體時，如果電能全部轉化為內能，而沒有同時轉化成其他形式的能量，那么電流產生的熱量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。
　　2．當電扇工作時，消耗的電能主要轉化為電機的機械能：
W
≥
Q熱
電能
內能+機械能
【例1】冬天，王剛同學使用電熱毯時發現電熱毯有高溫擋和低溫擋，于是他設計了電熱毯的模擬電路圖甲和圖乙（電熱絲相當于電熱毯內部發熱電阻）。
（1）圖甲中有定值電阻R1（置于電熱毯外部），電熱絲R2，請說明要使電熱毯處于低溫擋，開關S1、S2應處于什么狀態？并寫出低溫擋時電熱毯發熱電功率的表達式。
分析：所謂“擋位”問題，通常是在電壓不變的情況下，通過改變電路電阻，從而改變用電器的電功率，所以常用公式P=U2/R來判定，R越大，P越小，是低擋位；R越小，P越大，是高擋位。
解：（1）S1閉合，S2斷開；低溫擋時電熱毯的發熱功率：
（2）圖乙中有兩根電熱絲R2、R3，請說明要使電熱毯處于高溫擋，開關S1、S2應處于什么狀態？并寫出高溫擋時電熱毯發熱電功率的表達式。
（2）S1、S2均閉合；
高溫擋時電熱毯的發熱電功率：
（3）請指出你認為其中較好的電路，并說明理由。
較好的電路是乙，因為在甲電路中，R1置于電熱毯外部，低溫擋時R1要發熱，浪費電能。
想想議議
　　額定電壓相同的燈泡，額定功率越大，電阻越小，正常工作時單位時間內產生的熱量越多。可是按照焦耳定律，電阻越大，單位時間內產生的熱量越多。二者似乎有矛盾，這是怎么回事?
答：前者說電阻越小，正常工作時單位時間內產生的熱量越多，前提條件是電壓相同；而后者說，電阻越大，單位時間內產生的熱量越多，前提條件是電流相同，兩者并不矛盾。所以我們在應用公式時應該特別注意條件。
知識點4
電熱的利用和防止
電流通過導體時，使導體只發熱的用電器是利用電流的熱效應，這類用電器稱為電熱器，而電熱器的主要部分是發熱體。
　　電熱器的優點:
清潔衛生，沒有環境污染，熱效率高，還可以方便地控制和調節溫度。
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高。如：電視機的后蓋有很多孔，為了通風散熱；電腦運行時要用微型風扇及時散熱等等。
散熱孔（窗）
散熱風扇
電熱的作用
電熱有利的一面：
電熱有害的一面：
減小電熱產生的危害：
1.減小電阻（更換導線）
2.加快散熱（散熱孔、散熱片、散熱風扇等）
取暖、加熱食物等。
輕則用電器燒壞；重則引發火災。
知識點5
電熱的綜合應用
電功與電熱的區別：
電功是指電流通過一段電路所做的功，它的大小表示電路消耗電能的多少，也表示有多少電能轉化為其他形式的能。電熱是指電流通過一段電路做功，電能轉化為內能的那一部分。兩者表示的意義不同，是兩個不同的概念。
①在純電阻電路，電流所做的功只轉化為內能，電路消耗的電能和生成的內能在數值上是相等的，即W=Q，如電燈、電爐、電熱器、電熨斗等。
②在非純電阻電路中，如含有電動機、電解槽等，電流做的功一部分轉化為內能，大部分轉化為機械能，通過線圈電阻R的電流仍使線圈發熱，產生的熱量Q=I2Rt，但此時Q≠W，而是Q＜W，即W=Q+機械能。
電功與電熱的聯系：
計算公式及其適用范圍
例2
一電動機的線圈電阻為1Ω，線圈兩端所加電壓為2V時，電流為0.8A，此時電動機正常工作。
（1）在求電動機正常工作1min所消耗的電能時，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
你認為哪位同學做得對，請做出判斷并說明理由。
（2）求電動機正常工作1min所轉化的機械能是多少？
解：（1）小明的解法正確。因為電動機為非純電阻電路，其電流與電壓、電阻之間的關系不滿足歐姆定律，故含電動機的電路不能用含歐姆定律的推出公式求電功。
（2）1min內電動機產生的電熱為：Q=I2Rt=(0.8A)2×1Ω×60s=38.4J;則在1min內，這臺電動機所轉化的機械能是：W機=W-Q=96J-38.4J=57.6J
例3
小明家買了一臺電烤箱，有低、中、高三個擋位的發熱功率，如圖是其內部簡化路圖，開關S1可分別與觸點a、b接觸。已知：R1=48.4Ω，R2=96.8Ω，電源電壓保持不變.請分析和解答以下問題：
（1）當開關S1置于b端、S2斷開時，電烤箱處于什么擋位？簡述理由。
（2）電烤箱在中擋位工作時，消耗的電功率是多少？
（3）電烤箱在高擋位工作時，對食物加熱6min，消耗的電能為多少？
解：（1）低擋位。當開關S1置于b端、S2斷開時，電阻R1與R2串聯，電路中的電阻最大，由
可知，此時電功率最小，是低擋位。
（2）當開關S1置于b端、S2閉合時為中擋位，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S1置于a端，S2閉合時，電烤箱在高擋位，電阻R1與R2并聯，電烤箱消耗的總功率
例4
如圖所示是電飯鍋的實物圖，圖甲是它的內部電路圖，圖乙是電路簡圖。它有“高溫燒煮”和“燜
飯、保溫”兩擋，由溫控開關自動控制。煮飯時，
先要按下溫控開關按鈕；到達設定溫度（飯已
煮熟），按鈕會自動彈起。
（1）對照觀察圖（甲）和圖（乙），溫控開關按鈕未按下時，“燒煮電路部分”與“保溫電路部分”是_____關系（選填“串聯”或“并聯”）；按下溫控開關按鈕，“燒煮電路部分”的電壓為____V，“保溫電路部分”將______（選填“工作”或“不工作”）；溫控開關按鈕彈起后，電路中的電流比原來_____（選填“大”或“小”）。
串聯
220
不工作
小
（2）當溫控開關按鈕按下時，電飯鍋電路的總功率為1100W。求：“燒煮電路部分”的電阻R1。
當溫控開關按鈕按下時，電路中只有R1工作。
（3）溫控開關按鈕彈起后，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。
當溫控開關按鈕彈起時，R1與R2串聯。
R2=R總-R1=1100Ω－44Ω=1056Ω
（4）已知只有當指示燈和限流器兩端的電壓與電源相差不大時，指示燈才會發光。請通過相關計算分析說明為什么溫控開關按鈕彈起時，紅燈熄滅而黃燈亮。
當溫控開關按鈕彈起時，R1與R2串聯。
因為U1=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.某電動機上標有“220V，2A”它的線圈電阻為5
?，當它正常工作一分鐘后，消耗的電能為多少？線圈中產生的熱量為多少？如沒有其他能量的損失，則得到多少的機械能？
解：消耗的電能為:W總=UIt=220V×2A×60s=26400J
線圈中產生的熱量為：Q=I2Rt=(2A)2×5?×60s=1200J
得到的機械能為：W機=W總－Q=26400J－1200J=25200J
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內共產生多少熱量?
答:
在
5
min
內共產生
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.電視機的后蓋有許多孔
B.電腦機箱內有小風扇
C.電動機外殼有許多散熱片
D.家電長時間停用，隔一段時間應通電一次
解析:家電長時間停用，里面可能會積累一些濕氣，會加速電器的生銹、老化，隔一段時間應通電一次正是為了利用電流的熱效應去除家電中的濕氣。前三個選項中的措施都能加快散熱，防止電熱引起電器升溫過高帶來的危害。
D
本節課我們學習了電熱產生的原因，影響電熱產生多少的因素，焦耳定律，以及純電阻電路中電熱的計算等知識。實驗設計時我們一定要有控制變量的思想，在說明一個物理量與另一個物理量之間關系時，一定要強調其條件，是在什么量不變的情況下才有這樣的關系，使自己的敘述更加嚴密。同時學習了電熱的利用和防止，以及電熱的綜合應用等。電熱在生產、生活中廣泛存在，要從應用和危害兩個方面認識電熱，注意辯證地分析問題。同時要善于觀察生活，用理論來指導實踐，認識生活中的科學。
1.從課后習題中選取；
2.完成練習冊本課時的習題。
（見教材P102
動手動腦學物理）
1.某導體的電阻是2Ω，通過2A的電流時，1min產生多少焦耳的熱量？
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，每分鐘產生多少熱量？
解:Q=W=Pt=450W×1×60s=2.7×104J.
3.一只電烙鐵的額定電壓是220V，在額定電壓下工作時的電阻是1210Ω，它的額定功率有多大？在額定電壓下通電10min產生多少熱量？
解:額定功率
產生的熱量Q=W=Pt=40W×10×60s=2.4×104J
（見教材P102
動手動腦學物理）
4.某校師生自制了一臺電烘箱。電烘箱的電阻絲通過5A的電流時，每分鐘可產生6.6×104J的熱量。求這臺電烘箱的電功率和電阻絲工作時的電阻。
解：
由Q=I2Rt得
5.電流的熱效應有時對我們有益，我們利用它；有時對我們有害，需要減少電流導致的發熱，或者盡快把發出的熱散發掉。
（1）列舉兩個生活或生產中利用電流熱效應的實例；
（2）列舉兩個生活或生產中防止電流熱效應產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來加熱。
（2）電視機的后蓋有很多孔，就是為了通風散熱；電動機的外殼有很多翼狀散熱片，使用時與軸相連的扇葉還向散熱片吹風，這些措施都是為了降溫。
6.在家庭電路中，有時導線長度不夠，需要把兩根連接起來，而連接處往往比別處更容易發熱，加速老化，甚至引起火災。這是為什么？
解：導線相互連接處的電阻大。根據電流的熱效應跟電阻
大小的關系，接入電路的電阻越大，發熱越多，溫度越高，這樣長時間工作會加速老化，甚至引起火災。
謝謝！

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