第4节焦耳定律学案

焦耳定律

学习目标：

1．了解电流的热效应及电能与热能的转化；

2．理解焦耳定律内容及表达式，并利用其解决相关简单计算；

3．了解电流热效应的应用与危害防控。

学案导学

知识点一：电流的热效应

任何导体中有电流通过时，导体都要发热，如电放锅、电热器、电熨斗等利用电能来加热的设备；日常生活中，我们不需要发热的电器：如电风扇、电脑等通电时也会产生热量，所以电流通过导体时都会有电能转化成内能，这个现象叫做电流的热效应。

那么，电流通过导体时产生的热量与什么因素有关呢？

实验探究：影响电热的因素

设计实验：两个透明容器中封闭着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化，从而可以间接比较电阻丝放热的多少——转换法

1.研究电热与电阻的关系：

如下图所示，将两个阻值不同的电阻串联，以保证电流和通电时间一定，观察两液柱高度的变化。

实验结论：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。

2.研究电热与电流关系

如下图所示，将三个阻值相同的电阻混联，以保证电阻和通电时间一定，观察两液柱高度的变化。

实验结论：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。

生活经验告诉我们，通电时间越长，电流通过导体时产生的热量越多。

【典型例题】将规格都是“220V 100W”的一台电风扇、一台电视机和一把电烙铁分别接入

家庭电路中，通电时间相同，下列有关说法中，错误

．．的是：

A．三个电器消耗的电能一样多 B．电流通过三个电器做功一样多

C．三个电器产生的热量一样多 D．电烙铁产生的热量最多

【答案】C

【解析】

得，三个电器消耗的电试题分析：三者的实际功率相同，通电时间相同，根据公式W Pt

能一样多，A对；电流所做的功等于用电器消耗的电能，所以电流通过三个电器做功一样多，B对；三个用电器中，只有电烙铁把电能全部转化成内能，所以电烙铁产生的热量最多，C 错D对。

【针对训练】1911年，荷兰物理学家昂内斯发现，当水银的温度下降到负269℃时，其电阻就会完全消失，这种现象叫做“超导现象”，人们把具有这种现象的物体叫做超导体。在超导状态下，导体的电阻R= Ω，利用超导材料可以制成。（选填“输电线”或“电阻丝”）

【答案】0 输电线

【解析】

试题分析：超导状态下电阻完全消失，R=0Ω，如果利用超导材料制成输电线，有Q=I2Rt可知，输电线不会消耗电能，利用超导材料可以制成输电线。

知识点二：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。

2．公式：Q = I 2Rt

3．单位：焦耳（J ）

4.电热与电能的关系：

（1）当电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时转化成其他形式的能量，那么电流产生的热量Q 就等于消耗的电能W ，即

Q = W = UIt = I 2Rt

如：电暖器，电饭锅，电炉子等——纯电阻电路

（2）当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，还有一小部分转化成内能——非纯电阻电路 W ＞Q 热

【典型例题】一个电动机，当把它接入电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是；若把它接入2V 电压的电路中，电动机正常工作，测得此时流过电动机的电流是1A 。那么该电动机线圈的电阻是______Ω，电动机正常工作1min 时的机械能是_______J 。

【答案】；90

【解析】

试题分析：电动机线圈的电阻为：0.20.50.4U V R I A

===Ω ； 电动机工作1min 消耗的电能为：2160120W UIt V A s J ==⨯⨯=

线圈产生的热量为：()2

210.56030Q I Rt A s J ==⨯Ω⨯=

转化成的机械能为： =1203090W W Q J J J =--=机

【针对训练】如图所示的电路中，电源电压保持6V 不变，电阻R 1=10Ω，R 2=20Ω，闭合开关S ，则R 1消耗的电功率为 W ；若通电30s ，电阻R 2产生的热量为 J 。

【答案】 24

【解析】

试题分析：由电路图可见，电阻R 1与R 2串联，电路总电阻为R= R 1+ R 2=10Ω+20Ω=30Ω，

由欧姆定律可得电路中电流为60.230U V I A R =

==Ω,R 1消耗的电功率为()22110.2100.4W P I R A ==⨯Ω=,由焦耳定律可得电阻R 2产生的热量为

()2

222=0.2203024Q I R t A s J =⨯Ω⨯=。

知识点三：电热的利用和防止

1.电热的利用：

如电热水器、电放锅、电热毯、电熨斗、电热孵化器等是利用电能来发热的设备，是利用电热的例子。

2.防止电热的危害：

我们使用电视机、电脑等用电器，不是为了让它发热，相反，产生的热量过多，还会烧坏用电器，所以要防止热量过多。电视机的后盖上有通风窗、电脑里有散热的微型风扇等，这些措施都是为了防止电热的危害。

【典型例题】在家庭电路中，电线相互连接处，因为接触不良，容易造成 变大，根据焦耳定律可知，在通电时间和 相同时，该处比别处更容易发热，加速导线老化，甚至引起火灾．

【答案】电阻；电流

【解析】

试题分析：解答本题的关键是理解接头处被烧焦的原因是温度过高造成的，而温度过高是因为热量多，根据焦耳定律，影响电热的因素有电流、电阻、通电时间，结合题中实际分析，这三个因素什么一定，什么变化．

解：导线相互连接处往往接触不良，根据焦耳定律的公式Q=I 2Rt 知，在电流、通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多，温度越高，因此接头处烧焦就是因为电阻过大造成的． 【针对训练】在电路中，如果电流不流经 ，而是电源两极直接相连，就说电源短路了。家庭电路中发生短路时，电路中的 很大，根据焦耳定律 （填公式）可知：电路中会产生很大的热量使电线的绝缘层烧坏甚至引起火灾。

【答案】用电器，电流；Q =I 2Rt

【解析】

试题分析：（1）电路有三种状态，短路，断路，通路．（2）由焦耳定律可计算发热的多少．电路发生短路时，电流不经过用电器，电路中电阻很小，根据欧姆定律知，电路中电流很大，