第4节 焦耳定律
基础主干落实
1.电流的热效应:电流通过导体时,
电能转化为 内能 的现象。
2.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)计算公式: Q=I2Rt 。
(3)单位: J 。
3.电热的利用和防止:
(1)利用: 电暖气、电烙铁、电热毯、电饭锅等 。
(2)防止: 电视机后盖上带有孔、电脑的微型风扇等 。
重点案例探析
重点 焦耳定律的应用
【典题】(2023·盘锦中考)如图所示电路,电阻R1为10 Ω,电源电压为12 V恒定不变,滑动变阻器R2的最大阻值为40 Ω。闭合开关S,求:
(1)通过R1的电流;
(2)当干路电流为2 A时,滑动变阻器R2消耗的功率;
(3)整个电路在100 s内产生的最少热量。
解:(1)由电路图可知,R1与R2并联;根据并联电路的电压特点可知,R1两端的电压U1=U2=U=12 V;
通过R1的电流I1===1.2 A。
(2)当干路电流为2 A时,通过滑动变阻器R2的电流I2=I-I1=2 A-1.2 A=0.8 A;
滑动变阻器R2消耗的功率
P2=U2I2=12 V×0.8 A=9.6 W。
(3)当滑动变阻器接入电路的阻值最大时,通过滑动变阻器的电流最小,为:
I2小===0.3 A;
干路的最小电流:
I小=I1+I2小=1.2 A+0.3 A=1.5 A;
整个电路在100 s内产生的最少热量:
Q小=W小=UI小t=12 V×1.5 A×100 s=1 800 J。
【点拨】计算时公式的选择
(1)只有在电能全部转化为内能的电路中,消耗的电能才等于电热,即Q=W。
(2)电热求解公式的选用。
①Q=I2Rt适用于所有电路中。
②Q=W=Pt、Q=W=UIt、Q=W=只适用于纯电阻电路。
③特别提醒:对于非纯电阻电路只能用Q=I2Rt求电热。
【A层 基础必会】
考点一 探究电流产生热量与哪些因素有关
1.如图所示是探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置。
(1)实验中通过观察 U形管中液面高度差 的变化来比较导体所产生热量的多少,这运用了 转换法 (选填“转换法”或“等效替代法”)的物理思想。
(2)如图甲所示,通过两电阻丝的电流 相等 ,是探究电流通过导体产生的热量与导体 电阻 的关系,得出的结论是 在电流、通电时间相同时,电阻越大产生的热量越多 。
(3)图乙装置探究的是电流通过导体产生的热量与 电流大小 的关系,需要控制不变的量是 电阻的大小和通电时间 。
(4)用乙装置进行探究时,电阻R3的作用主要是使电阻R1和R2中的电流 不相等 (选填“相等”或“不相等”)。
(5)某实验小组发现通电一段时间后,其中一个U形管中的液面高度几乎不变,发生此现象的原因可能是 透明容器密闭性不好(或对应电阻丝短路) 。
(6)英国物理学家焦耳通过大量实验研究发现:电流通过导体产生的热量与 电流的二次方 成正比,与导体的 电阻 成正比,与 通电的时间 成正比,这个规律叫作焦耳定律,其表达式为 Q=I2Rt 。
考点二 焦耳定律
2.(2023·贵阳质检)下列连接方式中,闭合开关后,在相同时间内虚线框里的电阻丝产生的总热量最少的是 (C)
3.(2023·哈尔滨中考)如图所示,电源电压为3 V,R1=R2=5 Ω,先闭合开关S1,再闭合开关S2,电流表示数将 变大 (选填“变大”或“变小”);当S1闭合、S2断开时,通电10 s,电流通过R1产生的热量是 4.5 J。
考点三 电热的防止与利用
4.(2023·福建中考)下列利用电流热效应工作的用电器是 (D)
A.电视机 B.电风扇
C.电脑 D.电炉
5.(多项选择)下列事例,属于利用电流热效应的是 (A、B、C)
A.养鸡场使用电热孵化器孵小鸡
B.家里使用电热水壶烧水
C.小明妈妈用电熨斗熨衣服
D.电脑温度过高时,风扇会及时启动,给电脑降温
易错点 计算电热时公式选择错误
6.(易错题)如图所示,用电动机提升重物时,电动机将电能大部分转化为重物的
机械 能,如果电动机正常工作的电压为220 V,电阻为5 Ω,通过的电流为10 A,则5 min内电动机产生的热量为 1.5×105 J。
纠错:电动机为非纯电阻电路,计算电热时,只能用公式Q=I2Rt。
【B层·能力提升】
7.下列用电器上均标有“220 V 40 W”的字样,若它们都在额定电压下工作相同的时间,则产生的热量最多的是 (C)
A电视机 B.电风扇
C.电烙铁 D.节能灯
8.如图所示,在甲、乙两地之间沿直线架设两条输电线,由甲地向乙地输电,两条输电线总电阻为2 Ω,甲地电源的电压为220 V不变,线路电流为10 A,下列说法正确的是 (D)
A.乙地用户用电器上的电压为220 V
B.在100 s的时间内,输电线上产生的热量为4×105 J
C.当乙地用户消耗的总功率增大时,用户用电器上的电压也增大
D.当乙地用户消耗的总功率增大时,相同时间内输电线上产生的热量增多
9.(2024·贵阳质检)如图所示电路中,开关S由断开到闭合时,电流表的示数由0.3 A变化到0.5 A,此时电压表的示数始终为6 V,则滑动变阻器R2连入电路的阻值为
20 Ω,通电1 min电阻R1产生的热量为 72 J。
10.(2023·铜仁质检)科普频道播出了这样一个有趣的实验:如图,若把粗细不均匀的铅笔芯(主要成分是石墨)放在一节9 V电池的正负极上,火柴头接触到铅笔芯越细的地方越容易被点燃。请分析产生这个现象的原因。
答:把铅笔芯放在一节9 V电池的正负极上,此时有电流通过铅笔芯,电流会产生热量;铅笔芯越细的地方,电阻越大,由Q=I2Rt可知,此处产生的热量越多,使得铅笔芯的温度升高,当火柴头接触到铅笔芯越细的地方时,火柴头就会越容易被引燃。
11.如图所示,电源电压为6 V,定值电阻R1、R2的阻值分别为12 Ω、18 Ω,闭合开关S。求:
(1)当S1闭合,S2接1时,通电10 s电路产生的热量;
(2)当S1断开,S2接1时,通电1 min电阻R2产生的热量。
解:(1)当S1闭合,S2接1时,只有电阻R1接入电路,电阻R2被短路,电路是纯电阻电路,所以通电10 s电路产生的热量:
Q1=t1=×10 s=30 J;
(2)当S1断开,S2接1时,电阻R1和R2串联,电路中的总电阻:
R=R1+R2=12 Ω+18 Ω=30 Ω,
串联电路电流处处相等,通过电阻R2的电流:I2=I===0.2 A
电流通过R2产生的热量:
Q2=R2t2=(0.2 A)2×18 Ω×60 s=43.2 J。
12.(2023·凯里模拟)小军在学习了电学知识后,设计了如图所示的电路。灯泡L上标有“3.8 V 0.3 A”的字样,R为定值电阻。闭合开关后,灯泡L恰好正常发光,电流表的示数为0.4 A。求:
(1)灯泡L的额定功率;
(2)定值电阻R的阻值;
(3)通电1 min,定值电阻R产生的热量。
解:(1)根据灯泡的规格可知,灯泡L的额定功率:PL=ULIL=3.8 V×0.3 A=1.14 W;
(2)由题图可知,灯泡L与电阻R并联,电流表测量干路的总电流;
根据灯泡正常发光可知,灯泡两端的电压UL=3.8 V,
根据并联电路的电压特点可知,电阻R两端的电压:UR=UL=3.8 V,
根据并联电路的电流特点可知,通过R的电流:IR=I-IL=0.4 A-0.3 A=0.1 A,
由I=可知,电阻R的阻值:R===38 Ω;
(3)通电1 min,定值电阻R产生的热量:Q=Rt=(0.1 A)2×38 Ω×1×60 s=22.8 J。第4节 焦耳定律
基础主干落实
1.电流的热效应:电流通过导体时,
电能转化为 的现象。
2.焦耳定律:
(1)内容:电流通过导体产生的热量跟 成正比,跟 成正比,跟 成正比。
(2)计算公式: 。
(3)单位: 。
3.电热的利用和防止:
(1)利用: 。
(2)防止: 。
重点案例探析
重点 焦耳定律的应用
【典题】(2023·盘锦中考)如图所示电路,电阻R1为10 Ω,电源电压为12 V恒定不变,滑动变阻器R2的最大阻值为40 Ω。闭合开关S,求:
(1)通过R1的电流;
(2)当干路电流为2 A时,滑动变阻器R2消耗的功率;
(3)整个电路在100 s内产生的最少热量。
【点拨】计算时公式的选择
(1)只有在电能全部转化为内能的电路中,消耗的电能才等于电热,即Q=W。
(2)电热求解公式的选用。
①Q=I2Rt适用于所有电路中。
②Q=W=Pt、Q=W=UIt、Q=W=只适用于纯电阻电路。
③特别提醒:对于非纯电阻电路只能用Q=I2Rt求电热。
【A层 基础必会】
考点一 探究电流产生热量与哪些因素有关
1.如图所示是探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置。
(1)实验中通过观察 的变化来比较导体所产生热量的多少,这运用了 (选填“转换法”或“等效替代法”)的物理思想。
(2)如图甲所示,通过两电阻丝的电流 ,是探究电流通过导体产生的热量与导体 的关系,得出的结论是 。
(3)图乙装置探究的是电流通过导体产生的热量与 的关系,需要控制不变的量是 。
(4)用乙装置进行探究时,电阻R3的作用主要是使电阻R1和R2中的电流 (选填“相等”或“不相等”)。
(5)某实验小组发现通电一段时间后,其中一个U形管中的液面高度几乎不变,发生此现象的原因可能是 。
(6)英国物理学家焦耳通过大量实验研究发现:电流通过导体产生的热量与 成正比,与导体的 成正比,与 成正比,这个规律叫作焦耳定律,其表达式为 。
考点二 焦耳定律
2.(2023·贵阳质检)下列连接方式中,闭合开关后,在相同时间内虚线框里的电阻丝产生的总热量最少的是 ( )
3.(2023·哈尔滨中考)如图所示,电源电压为3 V,R1=R2=5 Ω,先闭合开关S1,再闭合开关S2,电流表示数将 (选填“变大”或“变小”);当S1闭合、S2断开时,通电10 s,电流通过R1产生的热量是 J。
考点三 电热的防止与利用
4.(2023·福建中考)下列利用电流热效应工作的用电器是 ( )
A.电视机 B.电风扇
C.电脑 D.电炉
5.(多项选择)下列事例,属于利用电流热效应的是 ( )
A.养鸡场使用电热孵化器孵小鸡
B.家里使用电热水壶烧水
C.小明妈妈用电熨斗熨衣服
D.电脑温度过高时,风扇会及时启动,给电脑降温
易错点 计算电热时公式选择错误
6.(易错题)如图所示,用电动机提升重物时,电动机将电能大部分转化为重物的
能,如果电动机正常工作的电压为220 V,电阻为5 Ω,通过的电流为10 A,则5 min内电动机产生的热量为 J。
纠错:电动机为非纯电阻电路,计算电热时,只能用公式Q=I2Rt。
【B层·能力提升】
7.下列用电器上均标有“220 V 40 W”的字样,若它们都在额定电压下工作相同的时间,则产生的热量最多的是 ( )
A电视机 B.电风扇
C.电烙铁 D.节能灯
8.如图所示,在甲、乙两地之间沿直线架设两条输电线,由甲地向乙地输电,两条输电线总电阻为2 Ω,甲地电源的电压为220 V不变,线路电流为10 A,下列说法正确的是 ( )
A.乙地用户用电器上的电压为220 V
B.在100 s的时间内,输电线上产生的热量为4×105 J
C.当乙地用户消耗的总功率增大时,用户用电器上的电压也增大
D.当乙地用户消耗的总功率增大时,相同时间内输电线上产生的热量增多
9.(2024·贵阳质检)如图所示电路中,开关S由断开到闭合时,电流表的示数由0.3 A变化到0.5 A,此时电压表的示数始终为6 V,则滑动变阻器R2连入电路的阻值为
Ω,通电1 min电阻R1产生的热量为 J。
10.(2023·铜仁质检)科普频道播出了这样一个有趣的实验:如图,若把粗细不均匀的铅笔芯(主要成分是石墨)放在一节9 V电池的正负极上,火柴头接触到铅笔芯越细的地方越容易被点燃。请分析产生这个现象的原因。
11.如图所示,电源电压为6 V,定值电阻R1、R2的阻值分别为12 Ω、18 Ω,闭合开关S。求:
(1)当S1闭合,S2接1时,通电10 s电路产生的热量;
(2)当S1断开,S2接1时,通电1 min电阻R2产生的热量。
12.(2023·凯里模拟)小军在学习了电学知识后,设计了如图所示的电路。灯泡L上标有“3.8 V 0.3 A”的字样,R为定值电阻。闭合开关后,灯泡L恰好正常发光,电流表的示数为0.4 A。求:
(1)灯泡L的额定功率;
(2)定值电阻R的阻值;
(3)通电1 min,定值电阻R产生的热量。
