18.4 焦耳定律
一．选择题（共6小题）
1．两个电热丝的阻值相等，把这两个电热丝串联起来使用时，烧开一壶水需要20分钟，如果把它们并联使用，烧开同样一壶水需要的时间是（）
A．5分钟B．10分钟C．20分钟D．40分钟
2．如图所示在a、b、c、d四个相同的容器中，装有质量和温度相同的水，每个容器中都放有同种材料绕成的电阻线圈，其中R a＝R c，R b＝R d，R b＝1.5R a，若同时通电，经过一段时间，这些容器中的水温从高到低的顺序是（）
A．a，b，c，d B．d，c，b，a C．c，d，b，a D．a，b，d，c 3．一台“220V 60W”的电扇，一个“220V 60W”的白炽灯，一个“220V 60W”的电烙铁，将它们并联接在220V的电压下，在相同的时间内，比较它们产生的热量，则（）A．白炽灯最多B．电烙铁最多C．电扇最多D．都一样多
4．在图所示的电路中，电源电压不变，当开关S1、S2都闭合时，电压表V1、V2的示数之比为5：3，当开关S1闭合，S2断开时，电压表V1、V2的示数之比为3：2，在后一种情况下，全部通电时间内，电阻R1与R3产生的热量之比为（）
A．2：3 B．1：3 C．3：2 D．2：1
5．如图所示，在左、右两个相同容器中分别装有质量和温度都相同的水和煤油，通电后，两容器中的液体同时升到60℃，由此可知（）
A．R1＝R2B．R1＜R2
C．R1＞R2D．条件不足，无法确定
6．如图是研究电流通过导体产生的热量与哪此因素有关的实验，下列分析正确的是（）
A．本次探究实验中用到了控制变量法和等效替代法
B．此实验必须把甲、乙两图接在电压相同的电源两端实验结论才具有科学性
C．为了探究电热与电流的关系，应该选择乙实验
D．通电相同的时间，甲装置中左边U型管的高度差更大
二．多选题（共4小题）
7．如图是养鸡场冬季用来调控光照和室温设备的原理电路图。此设备的作用是，夜晚对鸡舍内加温，同时增大光照量，白天只进行适当保温，不进行灯光照射，可增大鸡的产蛋量。电路图中R1、R2是电热丝。R1：R2：R L＝1：2：2，S1、S2可以同时断开或闭合，以实现白天和夜晚的用电要求。开关S闭合（）
A．S1、S2同时断开时，设备运行处于白天用电状态
B．S1、S2也同时闭合时，设备运行处于夜晚用电状态
C．S1、S2同时断开时，在相同时间内R1和R2产生的热量之比为2：1
D．S1、S2也同时闭合时，若电流表示数为6A，则R1的实际功率为880W
8．将规格都是“220V100W”的一台电风扇、一台电视机和一个电烙铁分别接入家庭电路中，通电时间相同，下列说法正确的是（）
A．三个用电器产生的热量一样多
B．三个用电器中电流做的功一样多
C．电烙铁产生的热量最多
D．电流通过电烙铁做的功最多
9．要使电热器在单位时间内供热减少一半，以下方法中正确的是（）A．电压不变，电阻增大到原来的2倍
B．电阻丝不变，把通过它的电流减少一半
C．把电热器的电阻和加它两端的电压均减小一半
D．保持电压不变，把电阻丝的电阻减小一半
10．下列情况中不属于防止电热危害的是（）
A．电视机的后盖有许多孔
B．电脑机箱内有小风扇
C．用电饭煲煮饭
D．家电长时间停用，隔一段时间应通电一次
三．填空题（共4小题）
11．如图所示，运用控制变量法，小霞把两段电阻不同的金属丝甲、乙（R甲＜R乙）串联后，分别放到两瓶等量的煤油中通电一定时间，控制电流一定时，探究电流通过导体时产生的热与的关系，通电后，温度计的示数升高，这是由电流的效应引起的，其中，瓶煤油的温度升高得快。
12．据报道：近几年有许多重大火灾都是因线路连接处接触不良所造成的，教训十分深刻。
线路连接处接触不良引起火灾的原因是：当线路连接处接触不良时，该处的电阻将
（减小/增大），电流通过该接触处产生的热量（减少/增多），从而使局部温度升高，同时接触处的电阻又将随着温度的升高而（减小/增大），…形成电热的逐步积累和恶性循环，以致引发火灾。
13．如图是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻的关系”的实验装置，R1和R2两电阻丝浸在质量和初温相同的煤油中，每一烧瓶里各插入一支温度计。请回答下列问题：（1）你认为在选取电阻丝时，R1和R2的阻值应（填“相等”、不相等“”）；
（2）合上开关，经过一段时间，两电阻丝产生热量的多少是通过反映出来的；
（3）图中两电阻丝是联的，采用这种连接方式的目的是。
14．电流通过导体时导体会发热，这种现象叫做电流的热效应。常见的白炽灯就是利用这一原理工作的。图1所示为小丽、小军、小梅三位同学与老师讨论这一现象时的情景。
（1）图1中，小军发表的观点应用到的物理知识是。
根据小梅同学的猜想，他们讨论形成了一个问题：电流一定时，导体在一定时间内产生的热量与它的电阻有什么关系？
于是，小丽和小梅从实验室找来了煤油、两只规格相同（有密封塞）的烧瓶、两根两端开口的细玻璃管、两根阻值不同的镍铬金丝等器材，并组装出图2所示的实验装置。
（2）在小丽和小梅的实验装置中，是通过来反映电流在一定时间内产生热量的多少的。
（3）在物理学中，有些物理量的大小不易直接观察或测量，但它变化时引起的其他物理量的变化却易于直接观察或测量，就可以像小丽和小梅这样用易于观测的量来反映不易直接观测的量。在下列问题的研究中，也用到这一物理学方法的是。
A、在研究平面镜成像时，通过等大的蜡烛与虚像重合来确定虚像的位置和大小
B、在研究影响动能的因素时，通过木块被撞后运动的远近说明钢球动能大小
C、在研究电压作用时，通过水压是水流形成的原因类比电压是电流形成的原因
D、在研究电磁铁磁性时，通过吸引大头针数目的多少来判断电磁铁磁性的强弱
（4）小军看了小丽和小梅的实验装置后认为，用温度计代替两端开口的细玻璃管，实验效果会更好。于是，他们拆除了密封塞和玻璃管，将合适的温度计悬挂在适当的位置，然后开始实验。在上述改进中，他们遗漏的一个重要操作是：。
四．综合能力题（共1小题）
15．阅读材料，回答问题：
电热锅采用了不锈钢板焊接管筋的工艺生产，具有密封性能好，机械强度高的特点，是一种效率较高的新型灶具，已广泛进入寻常百姓家中。电热锅具有多样功能：煎炸炒烙蒸闷涮等。节能环保：发热材料嵌入铸铁炉盘，使热能得到充分的利用。电热锅安全环保：设有多重安全保护，经国家强制安全CCC认证，无烟、无火，无电磁波、无微波辐射，对孕妇、婴幼儿无任何影响。防高温干烧，温度过高自动断电保护。电热锅经久耐用：发热材料采用高科技嵌入炉盘，发热材料与空气完全隔绝。炉体本身发热。锅具受热均衡，保证了食物的自然本色。其铭牌如图乙所示：
（1）从能量转化的角度看，使用电热锅用来“煮汤”或“煮火锅”时是把电能主要转化为能。
（2）与传统的煤气炉相比，电热锅的优点在于：。
（3）在一次使用该电热锅煮汤时，已知电热锅内装有1.25kg的水，已知水的初温为20℃，使用电热锅把水烧开（标准大气下），水吸收的热量是J（水的比热容为4.2×103J/（kg?℃））；假设电热锅以额定功率消耗的电能全部被水吸收，该电磁炉需要工作s．如果水吸收的热量用热值为4.2×107J/kg的煤气来加热，需要kg的煤气（不考虑热量的散失）。
五．计算题（共3小题）
16．某兴趣小组模拟冬季温房自动化加热和保温的电路，如图所示。光控开关S因光照改
变会自动通断，该电路具有白天保温、晚上加热的特点。R1、R2为电热丝，a、b间电压U＝24V，R1＝72Ω，晚上电路的发热功率为12W。
（1）保温时S应处于（选填“闭合”或“断开”）状态；
（2）求R2的阻值；
（3）求该电路白天工作5min所产生的热量。
17．某中学学生在研究性学习活动中，几名同学对家用微波炉的实际功率和加热效率进行了研究，如表所示为记录的相关内容。
在用微波炉给水加热的2min内，求：
（1）水吸收的热量。[c水＝4.2×l03J/（kg?℃）]
（2）微波炉的实际功率。
（3）微波炉的加热效率。
18．教室里有一台饮水机，它的铭牌如表，工作电路如图所示，S0是温控开关，可以自动控制饮水机的加热或保温状态。问：
（1）将1.5kg的水从20℃加热到90℃，水吸收的热量是多少？[c水＝4.2×103J/（kg?℃）] （2）饮水机在加热状态下正常工作15min，消耗的电能是多少？
（3）若在保温状态下，饮水机消耗的功率是44W，则R2的阻值是多少？
参考答案
一．选择题（共6小题）
1．【解答】解：
设一根电阻为R，所以两根完全相同的电热丝串联后的总电阻：R串＝2R；并联后的总电
阻：R并＝R；
两个电热丝串联起来使用时，烧开一壶水需要t串＝20min，
根据题意可知，串并联时烧开一壶水需要的热量关系式为：
Q＝＝××20min﹣﹣﹣﹣①，
Q＝＝﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣②
由①②可得：
t并＝＝5min。
故选：A。
2．【解答】解：左图中，R a与R b串联，根据串联电路特点和焦耳定律Q＝I2Rt可知，在电流和通电时间相同的情况下，电阻大的产生的热量多。所以Q b＞Q a；
右图中，R c与R d并联，根据并联电路特点和焦耳定律公式的变形式Q＝t可知，在电压和通电时间相同的情况下，电阻小的产生的热量多。所以Q c＞Q d；
左图中，通过R b的电流是：I b＝，所以Q b＝I2R b t＝（）2R b t；
右图中，通过R d的电流是：I d＝，所以Q d＝I2R d t＝（）2R d t；
因为R b＝R d，且通电时间相同，所以电流大的产生的热量多。由于I d＞I b，所以Q d＞Q b；
这样我们得出了这四个电阻产生的热量关系是：Q c＞Q d＞Q b＞Q a；
故选：C。
3．【解答】解：电扇工作时消耗电能，大部分转化为机械能，少部分转化为内能；白炽灯工作时把电能转化为内能和光能；电烙铁工作时把电能全转化为内能；
∵它们都在额定电压下工作
∴P＝P额，实际功率P相同，
∵W＝Pt，
∴工作时间相同时，三个用电器消耗的电能相同，
又∵只有电烙铁把电能全转化内能，
∴电烙铁产生的热量最多。
故选：B。
4．【解答】解：当开关S1、S2都闭合时，R3被短路，R1与R2串联，电压表V1测的是电源电压，电压表V2测的是R2两端的电压；
因为电压表V1、V2示数之比为5：3，根据串联分压原理可知：R1：R2＝2：3…①；
当开关S1闭合，S2断开时，三个电阻串联，此时电压表V1测的仍是电源电压，电压表V2测的是R2和R3的总电压；
因为两表示数之比为3：2，所以（R2+R3）：R1＝2：1…②；
①②联立可解得：R1：R3＝2：1。
根据Q＝I2Rt可知，当电流、通电时间相同时，产生的热量Q与电阻R成正比，
所以当R1与R3串联时，产生的热量Q1：Q3＝R1：R3＝2：1。
故选：D。
5．【解答】解：两容器内装有质量和初温都相等的水和煤油，末温也相等，因为水的比热容较大，根据公式Q＝cm△t可知，水吸收的热量较多，
由电路图可知，电阻R1与R2并联，它们两端的电压U相等，闭合开关，它们的通电时间t相等，
∴由公式Q＝W＝t，可知R1＜R2。
故选：B。
6．【解答】解：
A、甲探究电流产生热量与电阻关系中，控制了电流和通电时间相同；乙探究电流产生热
量与电流关系中，控制了电阻和通电时间相同，实验中用到了控制变量法，故A错误；
B、甲实验探究电流产生热量与电阻关系，乙实验探究电流产生热量与电流关系，两实验
没有联系，所以两次实验没有必要控制电压相同，故B错误；
C、乙实验，右侧电阻丝与另一电阻丝并联，故左右空气盒中电阻丝的电阻和通电时间相
同，但通过电阻的电流不同，所以研究电流产生的热量与电流的关系，故C正确；
D、甲实验两电阻丝串联，则通过电阻丝的电流和通电时间相同，右侧电阻阻值大，由焦
耳定律Q＝I2Rt可知，右侧电阻产生热量多；则右侧容器内空气吸收的热量多，甲装置中右边U型管的高度差更大，故D错误。
故选：C。
二．多选题（共4小题）
7．【解答】解：
A、S闭合，S1、S2断开时，R1和R2组成串联电路，灯泡L断路不发光，且电路中的电阻
最大，由公式P＝可知，此时电路中的电功率最小，为保温状态，所以是白天，故A 正确；
B、开关S、S1、S2同时处于闭合状态，R2被短路，R1和灯泡L组成并联电路，灯泡L发
光，且电路中的电阻最小，由公式P＝可知，此时电路中的电功率最大，为加热状态，所以是晚上；故B正确；
C、S闭合，S1、S2断开时，R1和R2串联，Q1：Q2＝I2R1t：I2R2t＝R1：R2＝1：2，故C错；
D、开关S、S1、S2都处于闭合状态时，R2被短路，R1和灯泡L组成并联电路；
∵I＝，R1：R L＝1：2，
∴I1：I L＝R L：R1＝2：1，
∵I＝6A，
∴I1＝4A，I L＝2A，
∵U L＝U1＝U＝220V，
∴P1＝U1I1＝220V×4A＝880W，故D正确。
故选：ABD。
8．【解答】解：
AC、因电风扇中的电动机将电能大部分转化机械能，电视机将一部分电能转化为光能，电烙铁把电能全部转化为热量，所以，产生热量最多的是电烙铁，故A错误、C正确；
BD、三用电器接入家庭电路中时它们两端的电压均为U＝220V，实际功率P＝P额＝100W，由P＝的变形式W＝Pt可知，通电时间相同时，三用电器消耗的电能相同，即三个用电器中电流做的功一样多，故B正确、D错误。
故选：BC。
9．【解答】解：
A．由Q＝W＝t可知，电压不变，电阻增大到原来的2倍，单位时间内产生的热量减为原来的，故A正确；
B．由Q＝W＝I2Rt可知，电阻丝不变，把通过它的电流减少一半，单位时间内产生的热量减为原来的，故B错误；
C．由Q＝W＝t可知，把电热器的电阻和加它两端的电压均减小一半，单位时间内产生的热量减为原来的，故C正确；
D．由Q＝W＝t可知，保持电压不变，把电阻丝的电阻减小一半，单位时间内产生的热量减为原来的2倍，故D错误。
故选：AC。
10．【解答】解：A、电视机的机壳上有许多小孔是为把各电器元件产生的热量及时散失掉。
属于防止电热危害，不符合题意。
B、过多的热量会影响计算机的正常工作，机箱内有风扇，这都是为了散热。属于防止电
热危害，不符合题意。
C、用电饭煲煮饭，利用了电流的热效应，是利用电热，不属于防止电热危害。符合题意。
D、家电长时间停用，隔一段时间应通电一次防止家电受潮，再次使用时被损坏，属于电
热应用，不属于防止电热危害。符合题意。
故选：CD。
三．填空题（共4小题）
11．【解答】解：图中的电阻是串联，而串联时，电流相等，通电时间也相等，但电阻不相等，故是研究电热与电阻的关系；这是由于电流的热效应引起的；
据Q＝I2Rt可知，此时两个装置中的电流相同、通电时间相同，但乙中的电阻大于甲中的电阻，所以电流通过乙瓶中的电阻所产生的热量更多一些，故乙瓶中的煤油温度升高的更快一些。
故答案为：电阻；热；乙。
12．【解答】解：（1）线路连接处由于接触不良，即接触面积变小，电流通过时受到的阻碍作用增大，因此电阻增大；
（2）线路连接处相对于其他地方电阻增大，根据焦耳定律Q＝I2Rt，在电流相同、时间相同的情况下产生了更多的热量，因此导致局部温度升高，接触处温度升高，使接触处的电阻进一步变大，产生更多的热量，使温度迅速升高，温度过高容易引发火灾。
故答案是：增大；增多；增大。
13．【解答】解：（1）若想比较电流通过导体所产生热量的多少与导体的电阻大小有关，即需控制相同的电流和时间，利用不同的电阻才行，R1和R2的阻值不相等；
（2）由于电热是无法捕捉的物理量，只能通过它表现出的性质来比较，故通过温度计升高的度数来体现出电热的多少；
（3）据图能看出，两电阻是采用串联的方式连接的，这样为了控制电流相同，便于比较出电流所产生热量的大小与电阻大小的关系。
故答案为：（1）不相等；（2）温度计示数上升的高低；（3）串联；控制电流相等。14．【解答】解：（1）因为小军的说法是灯丝的长度相同、粗细不同灯丝的阻值不同，说明电阻阻值不同与材料的长度、粗细有关，所以应用的物理知识是影响电阻的因素。
（2）电流通过导体产生热量的多少，不能直接观察，而是通过煤油体积变化的大小体现出来，所以通过观察玻璃管液面上升的高度来电流在一定时间内产生热量的多少的。
（3）电流通过导体产生热量的多少，不能直接观察，而是通过煤油体积变化的大小体现出来，这种方法是转换法。
①探究电流与电压、电阻的关系，采用控制变量法。
A、在研究平面镜成像时，通过等大的蜡烛与虚像重合来确定虚像的位置和大小，采用了
等效法，
B、在研究影响动能的因素时，通过木块被撞后运动的远近说明钢球动能大小，采用了转
换法。
C、在研究电压作用时，通过水压是水流形成的原因类比电压是电流形成的原因，采用了
类比法
D、在研究电磁铁磁性时，通过吸引大头针数目的多少来判断电磁铁磁性的强弱，采用了
转换法。
用到这一物理学方法的是BD。
（4）根据控制变量法本实验，应控制煤油的质量相同，原来是在密封塞的作用下，将质量相同多的煤油密封在相同的烧瓶里，受热膨胀的煤油在玻璃管里；现在换用温度计，受热膨胀的煤油会溢出，所以应倒出一部分煤油，但根据控制变量法还要保持烧瓶内煤
油质量相等，故遗漏的一个重要操作是：倒出一部分煤油。并使烧瓶内煤油质量相等。
故答案为：（1）影响电阻的因素；（2）玻璃管液面上升的高度；（3）BD；（4）倒出一部分煤油。并使烧瓶内煤油质量相等。
四．综合能力题（共1小题）
15．【解答】解：（1）从能量转化的角度看，使用电热锅用来“煮汤”或“煮火锅”时，消耗了电能，主要获得了内能，是把电能主要转化为内能；
（2）电磁炉比普通的电炉具有效率高，节能，安全，环保，经久耐用等；
（3）水吸收热量：
Q吸＝cm（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg?℃）×1.25kg×（100℃﹣20℃）＝4.2×105J；
假设电热锅以额定功率消耗的电能全部被水吸收，则消耗的电能：
W＝Q吸＝4.2×105J，
由P＝可得，电磁炉需要正常工作时间：
t′＝＝＝210s；
不考虑热量的散失时，煤气完全燃烧释放的热量：
Q放＝Q吸＝4.2×105J，
由Q放＝mq可得需要煤气的质量：
m′＝＝＝0.01kg。
故答案为：（1）内；（2）具有效率高，节能，安全，环保，经久耐用等；（3）4.2×105J；
210； 0.01。
五．计算题（共3小题）
16．【解答】解：（1）由电路的发热功率P＝可知，在电源电压不变时，电路中的阻值越小，功率越大，则当闭合开关S将R1短路，只有R2连入。电路中的功率最大，为加热状态；当S处于断开状态时，R1、R2串联，电路中的阻值最大，由P＝可知，功率越小，为保温状态；
（2）晚上电路的发热功率为12W．由于白天保温、晚上加热则晚上电路中只有R2连入；
所以，由P＝得：
R2＝＝＝48Ω；
（3）保温时两电阻串联，则总电阻R＝R1+R2＝72Ω+48Ω＝120Ω；
则白天工作5min所产生的热量为Q＝t＝×5×60s＝1440J；
答：（1）断开；（2）R2的阻值为48Ω；（3）该电路白天工作5min所产生的热量为1440J。17．【解答】解：（1）加热水的体积：
V＝0.5L＝0.5dm3＝5×10﹣4m3，
由ρ＝可得，水的质量：
m＝ρV＝1.0×103kg/m3×5×10﹣4m3＝0.5kg，
则水吸收的热量：
Q吸＝cm（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg?℃）×0.5kg×（40℃﹣20℃）＝4.2×104J；
（2）因600revs/kW?h表示电路中每消耗1kW?h的电能，电能表的转盘转600r，
所以，1min内转了12转消耗的电能：
W＝＝0.02kW?h＝7.2×104J，
微波炉的实际功率：
P＝＝＝1200W；
（3）微波炉给水加热2min消耗的电能：
W′＝2W＝2×7.2×104J＝1.44×105J，
微波炉的加热效率：
η＝×100%＝×100%≈29.2%。
答：（1）水吸收的热量为4.2×l04J；
（2）微波炉的实际功率为1200W；
（3）微波炉的加热效率29.2%。
18．【解答】解：
（1）水吸收的热量：
Q吸＝c水m△t＝4.2×103J/（kg?℃）×1.5kg×（90℃﹣20℃）
＝4.41×l05J；
（2）饮水机加热时消耗的电能：
W＝Pt＝550W×15×60s＝4.95×105J；
（3）当S0断开时，电路中只有R2，总功率较小，为保温状态，
R2＝＝＝1100Ω。
答：（1）将1.5kg的水从20℃加热到90℃，水吸收的热量是4.41×l05J；（2）饮水机在加热状态下正常工作15min，消耗的电能是4.95×105J；（3）R2的阻值是1100Ω。