第十一章 电功和电功率
四、电流的热效应
基础过关全练
知识点1 探究影响电流热效应的因素
1.【新独家原创】在电学实验时，若要保持电流和通电时间相同，只改变电阻时，关于上述的操作，下列说法正确的是 ( )
A.这是研究电热与电流的关系
B.这是研究电热与电阻的关系
C.这是研究电热与通电时间的关系
D.这是研究电热与电流、电阻和通电时间的关系
2.【新独家原创】如图所示，这是小芳同学设计的研究影响电热因素的实验电路，两个烧瓶中装有质量、初温相同的酒精，其中R甲>R乙。开关S闭合，通电一段时间后，则下列说法正确的是 ( )
A.甲烧瓶中酒精温度上升的高
B.乙烧瓶中酒精温度上升的高
C.甲、乙烧瓶中酒精温度升高量相同
D.条件不足，无法确定
3.(2023北京房山期末)某同学想探究电流通过导体产生的热量与电流、电阻、通电时间是否有关。他连接了如图所示的电路进行实验，其中两个完全相同的密闭烧瓶内分别装有质量和初温都相同的煤油，相同的温度计甲、乙，以及阻值为R1和R2的电阻丝(已知R1>R2)。
(1)该实验探究的问题是电流通过导体产生的热量与 是否有关。
(2)该实验中，电流通过导体产生热量的多少用 来反映。
(3)闭合开关S一段时间后，甲温度计的示数 (选填“大于”“小于”或“等于”)乙温度计的示数。
知识点2 焦耳定律
4.关于焦耳定律公式Q=I2Rt的说法中正确的是 ( )
A.在Q一定时，电流I和通电时间t越大，则导体的电阻R越大
B.在Q一定时，电流I和通电时间t越大，则导体的电阻R越小
C.在电流I和通电时间t越大时，产生的热量Q一定越多
D.在电流I和电阻R越大时，产生的热量Q一定越多
5.【新独家原创】小于同学买了一段电阻丝，自制电褥子用于自家的馒头房，冬季发面蒸馒头，若这段电阻丝的阻值为44 Ω，把电褥子接入家庭电路中，在每天工作6 h的时间内产生的热量为 ( )
A.2.376×106 J
B.2.376×105 J
C.2.376×108 J
D.2.376×107 J
6.【跨学科·物理学与日常生活】(2023北京房山期末)(多选)额定电压相同的甲、乙两只电加热器(俗称“热得快”)的铭牌如图所示，若不考虑温度对电阻的影响，下列判断正确的是( )
A.相同时间内，甲比乙消耗的电能多
B.正常工作时，电流通过甲做功较快
C.正常工作时，甲比乙产生的热量多
D.正常工作时，通过甲的电流比乙大
7.【教材P97T2变式】如果电视机、电烙铁和电风扇上都标有“220 V 60 W”的字样，使它们在额定电压下工作相同的时间，产生热量最多的是 (选填“电视机”“电烙铁”或“电风扇”)，若电风扇的线圈的电阻是2 Ω，则在5 min内电流通过电风扇做的电功为 J，产生的热量为 J。(保留1位小数)
8.(2022辽宁本溪、铁岭等中考)用如图所示的装置探究电流产生的热量与 的关系。通电2 min， (选填“左”或“右”)侧U形管液面高度变化更大，电阻R1与R2产生的热量之比为 。
9.【跨学科·物理学与日常生活】(2022北京清华附中月考)某型号的家用电饭锅有两挡，分别是高温烧煮挡和保温焖饭挡。其原理如图所示(虚线框内为电饭锅的发热部位)。已知R1=44 Ω，R2=2 156 Ω。求:
(1)电饭锅高温烧煮时，它的功率是多大；
(2)电饭锅保温焖饭时，电阻R1两端的电压为4.4 V，则电饭锅工作10 min产生的热量是多少。
知识点3 电流的热效应的利用和防护
10.【跨学科·物理学与日常生活】(2022北京一七一中学三模)电流的热效应在科研、生产、生活中被广泛应用，有时会给人们带来危害，下列情况中不属于防止电热危害的是 ( )
A.电脑两侧有散热孔
B.电动机外壳有散热片
C.电饭煲内安装有电热盘
D.电脑CPU上装有小风扇
能力提升全练
11.(2021北京中考，2，★☆☆)下列四种用电器中，利用电流热效应工作的是 ( )
A.电冰箱 B.电视机
C.电脑 D.电热水壶
12.(2022北京交大附中月考，13，★★☆)如图是某家用电热器内部电路结构图，其中R1、R2为加热电阻丝(R1>R2)。下列关于电阻丝的四种连接方式中电热器提供的发热功率大小说法正确的是 ( )
A.甲的连接方式发热功率最大
B.乙的连接方式发热功率最大
C.丙的连接方式发热功率最大
D.丁的连接方式发热功率最大
13.(2022北京中考，14，★★☆)(多选)额定电压相同的电热水壶、电烤箱和电饭锅正常工作过程中消耗的电能W和通电时间t的关系如图所示。关于这三个用电器，下列判断正确的是 ( )
A.正常工作时，电热水壶比电烤箱产生的热量少
B.正常工作时，电热水壶比电饭锅的功率大
C.正常工作时，通过电饭锅的电流最小
D.在一个月内，电热水壶消耗的电能一定最多
14.(2022山东烟台中考，20，★★☆)如图所示，电源电压不变，灯泡L标有“6 V 6 W”字样。闭合开关S1，灯泡L正常发光，此时灯泡L的电阻为 Ω；再闭合开关S2，前后两次电流表的示数之比为2∶3，则电阻R的阻值为 Ω，电阻R在10 s内产生的热量为 J。
15.【实验探究·分析论证】(2023北京丰台期末，22改编，★★☆)在探究“电流产生的热量与哪些因素有关”的实验中，同学们提出了以下猜想:
猜想一:电流产生的热量与电阻大小有关；
猜想二:电流产生的热量与电流大小有关；
猜想三:电流产生的热量与通电时间有关。
(1)同学们利用如图1所示的器材进行实验。其中，电流通过电阻丝产生的热量不易直接测量，但此热量基本被容器中的水吸收。根据能量守恒可知Q放=Q吸；根据Q吸=cmΔt，只要测出水的温度变化量Δt，便可计算出水吸收的热量Q吸；当c、m一定时，可用Δt大小表示电流产生的热量大小。这就是我们常说的转换法。以下选项中用到“转换法”的是 ( )
A.观察水流的形成来理解电流的形成
B.观察验电器两个箔片的张角大小，大致判断物体带电量多少
C.用等效电路图描述复杂电路的不同状态
(2)A组同学利用该装置探究“电流产生的热量与电阻的关系”。该探究实验的因变量是 。将六个电阻串联是为了控制 和通电时间相同；
(3)B组同学利用如图2所示的器材探究“电流产生的热量与电流大小是否有关”。他们调节电源电压改变通过电阻丝的电流，记录两次电流大小；同时分别记录两次容器中水的温度变化量Δt，从而计算出电流产生的热量。该实验中存在的问题是 ；
(4)B组同学改进实验后，进行了多次测量和计算。将所得数据绘制成如图3所示的Q I关系图像。他发现与数学函数y=x2图像非常相似，为了让图像更简洁，辨识度更高，他利用以上数据做了Q与I2关系图像。则Q与I2关系图像应为图4中的 。
16.【实验探究·分析论证】(2022北京二中教育集团一模，22，★★☆)小亮利用如图所示的装置探究“电流产生的热量与哪些因素有关”，他将两阻值为5 Ω和10 Ω的电热丝分别放在如图所示的甲、乙两个完全相同的烧瓶中，在烧瓶中加入质量、初温均相同的煤油，再分别插入相同的温度计，并把两电阻丝串联接入电路。
(1)实验中可以通过 情况，来比较电热丝产生热量的多少。
(2)实验过程中 (选填“甲”或“乙”)烧瓶内煤油的温度升高得更多。
(3)小华想要探究“物体吸收热量时，升高的温度跟物质种类的关系”，他对如图的装置进行改装，请写出需要改变的内容。
① ；
② 。
17.(2023北京房山期末，27，★★☆)如图所示的是某款家用电热器的简化电路，R1、R2为阻值一定的电热丝。该电热器接入电压恒为220 V的电路中，电热器高温挡的功率为990 W，低温挡的功率为110 W。求:
(1)处于低温挡时，通过电路的电流；
(2)处于高温挡时，工作10 min产生的热量；
(3)电热丝R2的阻值。
素养探究全练
18.【科学态度与责任】小华想探究“电流通过导体产生的热量跟电阻大小是否有关”。实验桌上有三个完全相同的烧瓶，烧瓶内装有质量和初温都相同的煤油、完全相同的温度计，其中两个烧瓶内分别装有阻值为5 Ω的电阻丝，第三个烧瓶内装有阻值为10 Ω的电阻丝。实验桌上还有满足实验要求的电源、开关、滑动变阻器和导线若干。小华选取合适的器材，设计了如图甲所示的实验装置。
(1)实验中需要控制的变量是 和 。
(2)其中a烧瓶中装有5 Ω的电阻丝，b烧瓶中的电阻丝阻值应为 (选填“5”或“10”)Ω。
(3)实验中是通过比较 来判断电流通过导体产生热量的多少的。
(4)学习了本部分内容后，小华上网查找资料发现了如下应用:为避免因线路结冰而倒杆断线，提高电网对极端气候、重大自然灾害的抵御能力，国家电网公司2008年重点科技防灾减灾项目--直流熔冰装置研制成功。该装置需要1至2万千瓦的功率，最大熔冰电流可达6 000安，最长熔冰距离可达180千米。位于某电网线路上相距几十千米的A、B两地之间输电线路和固定在B地的熔冰装置如图乙所示。熔冰装置上的“+”“-”是两个接线端子(进行熔冰时输电线上的高压交流电已切断)。
①该熔冰装置的工作原理是利用电流的 效应，在熔冰过程中能量的转化是将电能转化为 (选填“内能”或“机械能”)。
②若要对A、B两地之间的“2”和“3”两根输电线进行熔冰，切实可行的操作是 。
A.分别将“2”和“3”两根输电线单独接在电源“+”“-”两个接线端子上
B.将“2”和“3”两根输电线并联后接在电源“+”“-”两个接线端子上
C.将“2”和“3”两根输电线串联后接在电源“+”“-”两个接线端子上
19.【科学思维】小明给家中喂养热带鱼的鱼缸设计了一个加热装置(如图甲)，该装置电路如图乙所示:L为照明装饰小彩灯(标有“6 V 3 W”)，S1为总开关，S2为温控开关(温度低于20 ℃自动接通，温度升高到24 ℃时自动断开)，R是阻值为3 Ω的电热丝。某次换水后，鱼缸内有10 kg初温为19 ℃的水，闭合开关S1，L正常发光，R开始发热。请你用所学知识与小明一起解决下列问题[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]:
(1)电源电压是多少
(2)R开始发热到停止工作水吸收了多少热量
(3)R开始发热到停止工作的时间是多少秒 (不考虑热量损失，电热丝产生热量均被水吸收。)
答案全解全析
基础过关全练
1.B 若保持电流和通电时间相同，只改变电阻时，由控制变量法可知这是在研究电热与电阻的关系。
2.A 由图知，电路的连接方式为串联，则电流和通电时间相同，导体的电阻越大，产生的热量越多，因为R甲>R乙，所以甲烧瓶中酒精温度上升的高，故选A。
3.答案 (1)电阻 (2)温度计的示数变化量 (3)大于
解析 (1)电流通过导体产生的热量与通过的电流、导体的电阻和通电时间有关，研究与其中一个因素的关系时，要控制另外两个因素不变，由图可知，通过两电阻的电流相等，通电时间相同，而R1>R2，故该实验探究的问题是电流通过导体产生的热量与电阻是否有关。(2)实验中电流产生的热量不易直接测量，可通过给质量和初温都相同的煤油加热，根据Δt=，通过温度计示数变化的多少反映产生热量的多少，采用了转换法。(3)闭合开关S一段时间后，因通过两电阻的电流和通电时间相同，R1>R2，由焦耳定律Q=I2Rt可知R1产生的热量多，故甲温度计的示数大于乙温度计的示数。
4.B 在Q一定时，电流I和通电时间t越大，则导体的电阻R越小，故A错误，B正确；在电流I和通电时间t越大时，因导体的电阻大小不确定，则无法判断产生的热量的多少，故C错误；在电流I和电阻R越大时，因工作时间不确定，故产生的热量Q不一定越多，故D错误。
5.D 自制电褥子接入家庭电路中，通过的电流I==5 A，则电褥子工作6 h产生的热量Q=I2Rt=(5 A)2×44 Ω×6×3 600 s=2.376×107 J，故选D。
6.BD 根据W=Pt可知，用电器消耗电能的多少与时间和功率有关，但由于不知道两只电加热器是否正常工作，所以无法比较甲、乙消耗的电能，故A错误；电功率表示通过用电器的电流做功快慢的物理量，由图可知，甲的额定功率比乙的大，所以正常工作时，电流通过甲做功较快，故B正确；根据Q=W=Pt可知，热得快产生热量的多少与时间和功率有关，只知道功率不知道时间，所以无法比较产生热量的多少，故C错误；由于甲的额定功率比乙的额定功率大，根据P=UI可知，正常工作时，通过甲的电流比乙大，故D正确。
7.答案 电烙铁 1.8×104 43.7
解析 三种用电器，只有电烙铁在工作时，将电能全部转化为内能，因此在额定电压下工作相同的时间，产生热量最多的是电烙铁。在5 min内电流通过电风扇做的功W=Pt=60 W×5×60 s=1.8×104 J，通过电风扇的电流I额=≈0.27 A，则在5 min内电流通过电风扇产生的热量Q=I2Rt=×2 Ω×5×60 s≈44.6 J。
8.答案 电阻 右 1∶2
解析 由图知，大小不同的电阻串联在电路中，电流和通电时间相同，探究的是电流产生的热量与电阻的关系。根据Q=I2Rt可知，电流和通电时间相同时，电阻越大产生的热量越多，则右侧电阻产生的热量更多，右侧U形管液面高度变化更大。根据Q=I2Rt可知，电流和通电时间相同时，产生的热量和电阻成正比，则电阻R1与R2产生的热量之比为Q1∶Q2=R1∶R2=5 Ω∶10 Ω=1∶2。
9.解析 (1)电饭锅高温烧煮时，电路中电功率最大，当开关S接触1时，电路中只有R1接入电路，电路中电阻最小，功率最大，则P最大==1 100 W。(2)电饭锅保温焖饭时，电路中总功率最小，当开关S接触2时，R1和R2串联，此时电路中的电流I=I1==0.1 A，电路中的总电阻R=R1+R2=44 Ω+2 156 Ω=2 200 Ω，则电饭锅工作10 min产生的热量Q=I2Rt=(0.1 A)2×2 200 Ω×10×60 s=1.32×104 J。
10.C 电脑两侧有散热孔、电动机外壳有散热片、电脑CPU上装有小风扇都是为了把各电器元件产生的热及时散失掉，故A、B、D不符合题意。电饭煲内安装有电热盘，这是利用电流的热效应来工作的，故C符合题意。
能力提升全练
11.D 电冰箱在工作时，电能主要转化为机械能；电视机、电脑在工作时，电能主要转化为光能和声能；电热水壶在工作时，将电能转化为内能，是利用电流的热效应，故D正确。
12.D 在电源电压U不变的情况下，由Q=W=可知，R1和R2并联在电路中时，电路中的总电阻最小，此时电路的发热功率最大，故A、B、C错误，D正确。
13.BC 正常工作时，若工作相同时间，电热水壶比电烤箱消耗的电能多，则电热水壶比电烤箱产生的热量多，故A不正确；正常工作时，相同时间内，电热水壶比电饭锅消耗的电能多，根据P=，可知，电热水壶的功率大于电饭锅的功率，故B正确；正常工作时，用电器两端的电压相同，相同时间内，电饭锅消耗的电能最少，根据W=UIt可知，通过电饭锅的电流最小，故C正确；工作相同时间，电热水壶消耗的电能最多，但是在一个月内，电热水壶工作的时间有可能较短，消耗的电能不一定最多，故D不正确。
14.答案 6 12 30
解析 由P=可知，灯泡L的电阻RL==6 Ω。由图知，闭合开关S1时，电路为灯泡L的简单电路，且灯泡L正常发光，因此电源电压U=UL=6 V，由P=UI可知，灯泡正常发光时的电流IL==1 A，此时电流表示数IA=IL=1 A；闭合开关S2时，灯泡L与电阻R并联接入电路，电流表测干路电流IA'，由前后两次电流表的示数之比为2∶3可知，所以干路电流IA'=1.5 A；根据并联电路的电流特点可知，通过电阻R的电流IR=IA'-IL=1.5 A-1 A=0.5 A，根据并联电路的电压规律可知，UR=UL=U=6 V，由I=可知，电阻R的阻值R=Rt=(0.5 A)2×12×10 s=30 J。
15.答案 (1)B (2)电流产生的热量 电流 (3)没有控制通电时间相同 (4)A
解析 (1)A选项应用的是类比法；B中将物体带电量多少转换为验电器两个箔片的张角大小，应用了转换法；C选项应用的是等效替代法；故选B。(2)电流产生的热量会随电阻、电流和通电时间的变化而变化，故因变量是电流产生的热量；探究“电流产生的热量与电阻的关系”，需要用控制变量法，让电流和通电时间相同。(3)探究“电流产生的热量与电流大小是否有关”，需要控制电阻和通电时间相同，改变电流大小，实验中未控制通电时间相同。(4)根据Q=I2Rt，若Rt不变，则Q与I2成正比，图线为过原点的直线，故选A。
16.答案 (1)温度计的示数变化 (2)乙 (3)①将乙烧瓶中的煤油换成等质量的不同液体 ②将乙烧瓶中的电阻更换为5 Ω的定值电阻
解析 (1)电阻丝产生的热量无法直接观察，可通过观察温度计示数的变化情况来反映，温度计示数变化越大，电流产生的热量越多，这是转换法；(2)闭合开关，两电阻串联接入电路，根据串联电路特点可知，通过两电阻的电流相同，通电时间相同，两电阻丝的阻值不同，根据Q=I2Rt可知电阻越大，电流产生的热量越多，由图可知乙烧瓶内的电阻丝的阻值大，所以乙烧瓶内煤油的温度升高得更多；(3)探究“物体吸收热量时，升高的温度跟物质种类的关系”，根据Q=cmΔt可知需要控制物质吸收的热量相同，物质的质量相同、物质的种类不同，根据焦耳定律可知串联接入电路的烧瓶中的电阻阻值相同时电流产生的热量相同，所以需要改进的内容:①将乙烧瓶中的煤油换成等质量的不同液体；②将乙烧瓶中的电阻更换为5 Ω的定值电阻。
17.解析 由图知，当S1闭合，S2断开时，电路中仅R1工作，电热器处于低温挡，S1和S2闭合，R1和R2并联，电热器处于高温挡。(1)低温挡功率P1=110 W，故低温挡时通过电路的电流I1==0.5 A；(2)高温挡工作10 min产生的热量Q=W=P高t=990 W×10×60 s=5.94×105 J；(3)电热丝R2的功率P2=P高-P1=990 W-110 W=880 W，电热丝R2的电阻R2==55 Ω。
素养探究全练
18.答案 (1)通过电阻丝的电流 通电时间 (2)10
(3)温度计示数的变化量 (4)①热 内能 ②C
解析 (1)要探究电流通过导体产生的热量跟电阻大小的关系，应保持通过电阻丝的电流和通电时间相同，而电阻不同。(2)若a烧瓶中装有5 Ω的电阻丝，则b烧瓶内应装有10 Ω的电阻丝。(3)实验中要通过比较温度计示数的变化量来判断电流通过导体产生热量的多少。(4)①熔冰装置是利用电流的热效应来实现熔冰的，熔冰装置在熔冰的过程中将电能转化为内能。②由题知，A、B两地相距几十千米，用同一个熔冰装置不可能把两条电线单独接在装置两端，也不能将它们并联再接在装置两端，所以要对“2”和“3”两根输电线熔冰，应将“2”和“3”两根输电线串联后接在电源“+”“-”两个接线端子上，故选C。
19.解析 (1)由图可知，电热丝R与小彩灯L并联，L正常工作，U=UR=UL=6 V。(2)水吸收的热量Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg×(24 ℃-19 ℃)=2.1×105 J。(3)R开始发热到停止工作消耗的电能W=Q吸=2.1×105 J；R开始发热到停止工作的时间t==1.75×104 s。
