18.4 焦耳定律 課件（內嵌視頻）2026-2027學年人教版物理九年級全一冊

第4節焦耳定律1.認識電流的熱效應，了解焦耳定律，能用焦耳定律說明生產生活中的有關現象，分析解決簡單的實際問題。2.結合電功的表達式和歐姆定律推導焦耳定律的表達式，培養演推理能力。3.經歷研究電熱與電阻、電流關系的過程，體會實驗中控制變量的方法，發展觀察、分析、處理信息、得出結論的能力。4.通過學習電熱的利用和防止，感悟辯證看待問題的方法，體會物理學對社會發展的推動作用。教學目標電爐工作時，電爐絲通過導線接到電路里，為什么電爐絲熱得發紅(右圖)，而導線卻幾乎不發熱?問題電爐工作時，觸摸電爐絲會燙傷手，觸摸導線會感覺微微有一點熱。從上圖可以看出導線（電源線）與電熱絲是怎樣連接在一起的？串聯如圖所示的電爐中，若電爐絲從中間斷了，現將兩個斷頭搭接在一起，重新接入家庭電路中，我們會發現，通電后電爐絲扔會發光、發熱，且斷頭搭接在一起的那一段發光比別處更亮，但過了一會兒之后，接頭處又被燒斷了。根據這個實驗現象，你能提出一個相關的問題嗎?導線與電熱絲是串聯的，通過導線和電熱絲的電流誰的更大？是不是電流通過什么導體都讓導體發熱呢？一樣大導線與電熱絲是串聯在一個電路里的，通過導線和電熱絲的電流一樣大，為什么電爐絲熱得發紅，而導線卻幾乎不發熱?電流通過什么導體發熱多少與導體的電阻是否有關？電流的熱效應生活中，許多用電器接通電源后，都伴有熱現象產生。電流通過導體時電能轉化成內能，這種現象叫作電流的熱效應。電弧產生的主要是:氣體(或空氣)中含有少量正負離子，在外施電壓的作用下，離子加速運動，在碰撞中離子數目大大增加，這些離子在電場中的定向運動就形成電流。電流通過氣體時伴隨著強烈的發熱過程，以致電流通道內的中性氣體分子全被電離而形成等離子體。這種有強烈的聲、光和熱效應的弧光放電，就是電弧的形成過程。鉛酸電池在充電時會產生熱量，因此需要在充電過程中定期檢查電池的溫度，并停止充電直至溫度降低至安全水平。

電流通過導體時產生熱量的多少跟什么因素有關呢?電爐的電爐絲和導線中通過的電流相同，電爐絲熱得發紅，帶線去不怎么熱，由此我們可以作出怎樣的猜想？電流通過導體產生的熱量可能與導體的電阻有關電爐的電爐絲不是一通電就瞬間熱得發紅，而是慢慢變紅，由此我們可以又作出怎樣的猜想？電流通過導體產生的熱量可能與通電時間有關這個電爐的額定電壓是220V，如果把它接到電壓為110V電源上，通過電熱絲的電流比接在220V電壓下時大小一樣嗎？它的電功率還是1100W嗎？實際功率會比1100W大小？由此我們又可以作出怎樣的猜想？電流通過導體產生的熱量可以與通過導體電流的大小有關電熱與電阻的關系演示如右圖所示，兩個透明容器中密封著等量的空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣溫度的變化。空氣空氣電阻絲電阻絲兩個密閉容器中都有一段電阻絲，右邊容器中電阻絲的電阻比較大。兩個容器中的電阻絲串聯起來接到電源兩端，通過兩段電阻絲的電流相同。通電一定時間后，比較兩個U形管中液面高度的變化。你看到的現象說明了什么?電流和通電時間相同時，導體的電阻越大，電流通過導體產生的熱量越多。實驗表明:在電流相同、通電時間相同的情況下，一段電阻絲的電阻越大，這段電阻絲產生的熱量越多。因此通過兩個容器中電阻絲的電流不同。演示電熱與電流的關系如右圖所示，兩個透明容器中密封著等量的空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣溫度的變化。兩個密閉容器中電阻絲的電阻一樣大，在右面容器的外部，將另一段電阻值跟另兩個相同的電阻絲與容器內的電阻絲并聯，閉合開關，在通電時間相同的情況下，觀察兩個U形管中液面高度的變化。你看到的現象說明了什么?導體的電阻和通電時間相同時，電流越大，電流通過導體產生的熱量越多。實驗表明:在電阻相同、通電時間相同的情況下，通過一段電阻絲的電流越大，這段電阻絲產生的熱量越多。觀看視頻后，回答以下問題：⑴視頻中一共做了幾組實驗？⑵做第一組實驗時，右面容器的兩個定值電阻是一內一外放置，還是都放在了容器的內部？做了三組實驗都放在了容器的內部兩個定值電阻是串聯還是并聯？串聯右面容器的兩個定值電阻與左面容器的定值電阻是串聯還是并聯？串聯由第一組實驗的現象可以得出什么結論？電流和通電時間相同時，導體的電阻越大，電流通過導體產生的熱量越多。⑶做第二組實驗時，左面容器的兩個定值電阻是一內一外放置，還是都放在了容器的內部？一內一外放置右面容器使用了幾個定值電阻？一個左面容器的兩個定值電阻是串聯還是并聯？并聯左面容器的兩個定值電阻并聯后，與右面容器中的定值電阻是串聯還是并聯？串聯由第二組實驗的現象可以得出什么結論？電流和通電時間相同時，導體的電阻越大，電流通過導體產生的熱量越多。⑷做第三組實驗時，使用了幾個定值電阻？由第三組實驗的現象可以得出什么結論？一個導體的電阻和電流相同時，通電時間越長，電流通過導體產生的熱量越多。焦耳定律英國物理學家焦耳(右圖)做了大量實驗，于1840年最先確定了電流通過導體產生的熱量跟電流、電阻和通電時間的關系: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。這個規律叫作焦耳定律(Joule'slaw)。如果熱量用Q表示，電流用I表示，電阻用R表示，通電時間用t表示，那么焦耳定律為Q=I2Rt電流通過導體時，如果電能全部轉化為內能，而沒有同時轉化為其他形式的能量，那么電流產生的熱量Q就等于消耗的電能W，即Q=W=UIt。再根據歐姆定律得出U=IR，就得到Q=I2Rt。可見，在消耗的電能全部用來產生熱量的情況下，根據電功的公式和歐姆定律的公式推導出來的結論與焦耳定律一致。如果用導線把電爐接到電路中，通過導線的電流全部通過電爐絲，導線中的電流跟電爐絲中的電流相等。通過前面的學習我們已經知道，導線的電阻很小，常見1m長的導線，電阻不過百分之幾歐姆，而電爐絲的電阻為幾十歐姆。所以，盡管通過的電流相等，電爐絲很熱，而導線卻不熱。若電流通過用電器，電能沒有全部用于產生熱量，例如電動機轉動時消耗的電能大部分轉化為機械能，則消耗的電能大于電流所產生的熱量。四個電阻器的電阻分別為R1、R2、R3、R4。例題如右圖甲所示，電阻為R1、R2的電阻器串聯后接在電壓為U的電路中;如右圖乙所示，電阻為R3、R4的電阻器并聯后也接在電壓為U的電路中。已知R1=R3，R2=R4，R1>R2。(1)電阻為R1和R2的兩個電阻器，在相同時間內哪個放出的熱量多?(2)電阻為R3和R4的兩個電阻器，在相同時間內哪個放出的熱量多?(1)在串聯電路中，通過電阻為R1和R2的兩個電阻器的電流相等。解：根據焦耳定律Q=I2Rt，當I、t相同時，Q與R成正比，由于R1>R2,因此相同時間內電阻為R1的電阻器放出的熱量比電阻為R2的電阻器多。四個電阻器的電阻分別為R1、R2、R3、R4。例題如右圖甲所示，電阻為R1、R2的電阻器串聯后接在電壓為U的電路中;如右圖乙所示，電阻為R3、R4的電阻器并聯后也接在電壓為U的電路中。已知R1=R3，R2=R4，R1>R2。(1)電阻為R1和R2的兩個電阻器，在相同時間內哪個放出的熱量多?(2)電阻為R3和R4的兩個電阻器，在相同時間內哪個放出的熱量多?解：(2)在并聯電路中，電阻為R3和R4的電阻器兩端的電壓相等。由公式可知，電壓相同時，相同時間內導體放出的熱量與它們的電阻成反比，且R3>R4，因此相同時間內電阻為R4的電阻器放出的熱量比電阻為R3的電阻器多。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?想想議議焦耳定律中關于熱量與電阻關系的闡述，有明確的前提條件，即電流和時間相同;而在討論額定電壓相同的燈泡時，其功率與電阻的關系是基于電壓相同的條件，依據歐姆定律推導得出的。所以，二者看似矛盾，實則是因為前提條件不同。其額定功率與電阻成反比，即電阻越小，額定功率越大，根據Q=W=Pt可知，正常工作時單位時間內產生的熱量也就越多。電熱的利用和防止生活中和許多產業中都要用到電熱。家里的電熱水器、電飯鍋、電熨斗、電熱取暖器、電餅鐺、電烙鐵、電熱毯，養雞場的雞苗孵化器，都是利用電熱的例子。但是，很多情況下我們并不希望用電器的溫度過高。過多的電熱如果不能及時散失，會產生許多安全隱患。電子器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩定性，要保證其穩定工作，就必須要有效地散熱。例如，筆記本電腦通過安裝風扇散熱，一些手機利用銅片、石墨散熱片、熱管等散熱,大數據服務器會產生大量電熱，可通過多種方式進行散熱(右圖)，電腦通過外殼設置散熱窗，內部安裝風扇、散熱片散熱，電動機把外殼做成翼狀、外部安裝電扇來散熱。焦耳是英國物理學家，英國皇家學會會員。1818年12月24日生于英國曼徹斯特附近的索爾福德的一個啤酒廠廠主家庭，1889年10月11日在英國塞爾逝世。科普閱讀焦耳在對電流的熱效應研究的基礎上，焦耳還研究并測定了熱和機械功之間的當量關系。他采用各種測量方法對多種物質(如水、水銀、鯨腦油、鑄鐵等)進行測量，測得了熱功當量的數值。這一工作為能量守恒定律的建立作出了重要貢獻。他明確指出:自然的能量是不能消滅的，哪里消耗了機械能，總能得到相當的熱量。焦耳早期研究電機(當時叫磁電機)，并于1838年發表了第一篇學術論文。1838年至1842年，焦耳進行了大量電學和磁學的實驗，他在實驗中注意到了電機和電路中的發熱現象，并提出了電流通過導體產生熱量的定律，也就是后來的焦耳定律。1852年焦耳和W·湯姆孫合作發現氣體自由膨脹時溫度下降的現象，被稱為焦耳—湯姆孫效應。這種效應在低溫和氣體液化方面有廣泛的應用。焦耳最大的貢獻是對熱功當量的精確測定以及對能量守恒的實驗驗證，他因此成為能量守恒定律的發現者之一。人們為了紀念他對科學發展的貢獻，將能量和功的單位命名為焦耳。1.小潔家購買了一臺電飯鍋，在使用時聞到橡膠的焦煳味，用手摸其電源線發現很熱，而其他用電器仍正常工作。請你用所學的物理知識幫小潔分析發生這一現象的原因是()A.電壓太高 B.導線太短C.導線太粗D.導線太細電飯鍋與電源線串聯,流過它們的電流相等，電源線很熱，說明電源線產生的熱量多，可見電源線的電阻比較大。導體的電阻與導體的材料、長度和橫截面積均有關，電飯鍋電源線的材料、長度一定，電阻較大，可見是電源線橫截面積太小所致，即電源線太細。D2.下列用電器正常工作時，要防止電流的熱效應的是() 白熾燈、電飯鍋、電熨斗主要是利用電流的熱效應來工作的;而電視機主要是把電能轉化為聲能和光能，要盡量防止因電流的熱效應而產生過多的熱量。A.白熾燈 B.電視機C.電飯鍋 D.電熨斗B3.某校師生自制了一臺多功率電烤箱，電路結構如右圖所示，所選兩根電熱絲R1、R2的阻值分別為75Ω、150Ω。由于電路電壓不足，實際工作電壓為200V。I=I1+I2=——+——=——+——=。(1)這臺電烤箱以最大功率工作時，通過電烤箱的電流是多少?(2)這臺電烤箱以最大功率工作5min，電熱絲產生的熱量是多少?(3)這臺電烤箱以最大功率工作5h，消耗的電能是多少?解：(1)兩電熱絲并聯，同時工作時，電烤箱的功率最大，因并聯電路中各支路兩端的電壓相等，且干路電流等于各支路電流之和，所以，通過電烤箱的電流UR1R2U200V200V75Ω150Ω4A(1)這臺電烤箱以最大功率工作時，通過電烤箱的電流是多少?(2)這臺電烤箱以最大功率工作5min，電熱絲產生的熱量是多少?(3)這臺電烤箱以最大功率工作5h，消耗的電能是多少?(2)這臺電烤箱以最大功率工作5min，電熱絲產生的熱量解：Q=I2Rt=UIt=200VX4AX5X60s=2.4X105

J(3)電烤箱的最大功率P=UI=200VX4A=800W這臺電烤箱以最大功率工作5h電流做的功W=Pt'=800WX5X3600s=1.44X107

J這臺電烤箱以最大功率工作5h消耗的電能為1.44X107

J=4kW·h焦耳定律├─電流的熱效應│??電流通過導體時電能轉化成內能，這種現象叫作電流的熱效應├─探究實驗│??├─實驗方法│??│??├─控制變量法│??│??└─轉換法│??└─結論│????├─電流和通電時間相同時，電阻越大，產生的熱量越多│????├─電阻和通電時間相同時，電流越大，產生的熱量越多│????└─電流和電阻相同時，通電時間越長，產生的熱量越多├─公式│??├─普適公式│??│??Q=I2Rt│??└─只適用于純電阻電路的公式│????Q=W│?????├─Q=Pt│?????├─Q=UIt│?????└─Q=——└─應用??├─電熱的利用??│??電爐、電熱水壺、電熨斗、電飯鍋??└─電熱的防止????電腦安裝電扇、設散熱窗，手機用銅片、石墨散熱片小結U2tR練習與應用1.通過某電阻絲的電流為2A時，測得阻是2Ω，該電阻絲1min產生多少?解：Q=I2Rt=(2A)2X2ΩX60s=480J2.一臺額定功率是450W的電飯鍋，在額定電壓下使用，1min產生多少熱量?解：電飯鍋的額定電壓是220VQ=I2Rt=Pt=450WX60s=27000JU23.一個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：P=UI=—R=——（220V）21210Ω=40WQ=I2Rt=Pt=40WX600s=24000J4.某校師生自制了一臺電烤箱。電烤箱的電阻絲通過5A的電流，1min可產生6.6x104J的熱量。求這臺電烤箱的電功率和電阻絲工作時的電阻。解：根據Q=I2Rt=Pt可知P=——=————Qt6.6x104J60s=1100W可知R=——=————根據Q=I2RtQI2t6.6x104J(5A)2x60s=44Ω5.一個電熱水壺的容量為1L，電功率為1000W，在標準大氣壓下按上述容量燒開一壺初溫為20°C的水，至少需要多長時間?解：在標準大氣壓下，水的沸點是100°C。Q吸=cm(t末-t初)=cρV(t末-t初)=4.2X103J/（kg·℃）X10-3kg/m3X10-3m3X(100°C-20°C)=3.36X105J=3.36X105JQ放=Q吸根據Q放=I2Rt=Pt可知t=——=————PQ放3.36X105J1000W=336s6.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失掉。(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為防止電流熱效應產生危害而采取的措施。解：(1)電暖氣電熱毯電烙鐵電熱水壺電熨斗電爐電餅鐺(2)電動機利用翼狀散熱片增大散熱面積電動機利用電扇加快空氣流動來提高散熱效果電腦通過外殼設置散熱窗，內部安裝小風扇把熱空氣驅散，利用散熱片加快散熱。7.在家庭電路中，有時導線長度不夠，需要把兩根導線連接起來。有人把導線簡單地擰在一起，這樣會使得連接處電阻增大，導致連接處比別處容易發熱，甚至引起火災。這是為什么?導線連接的位置接觸電阻較大，根據焦耳定律Q=I2Rt，可知當I、t相同時，此處比別處產生更多熱量，容易引起火災。解：復習與提高1.某電動機銘牌上標有額定電壓380V、額定電流2.1A。電動機正常工作1min消耗的電能是多少?這些電能主要轉化為什么形式的能?解：額定電壓380V、額定電流2.1A的電動機正常工作1min電流做的功額定電壓380V、額定電流2.1A的電動機正常工作1min消耗的電能是47880JW=UIt=380VX2.1AX60s=47880J這些電能主要轉化為機械能2.現在廣泛使用的LED燈比熒光燈更節能。一盞與亮度相同的某LED燈，功率只有18W。把一盞40W的熒光燈換成該LED燈，日均正常工作4h，一年可以節約多少電能?解：一盞40W的熒光燈一天工作4h，電流通過它做的功W熒=UI熒t=P熒t=40WX4X3600s=576000J一盞40W的熒光燈工作一年，電流通過它做的功W熒總=365W熒=365X576000J=210240000J一盞40W的熒光燈工作一年，消耗的電能是210240000J=58.4kW·h一盞18W的LED燈一天工作4h，電流通過它做的功WL=UILt=PLt=18WX4X3600s=259200J一盞18W的LED燈工作一年，電流通過它做的功WL總=365WL=365X259200J=94608000J一盞18W的熒光燈工作一年，消耗的電能是94608000J=26.28kW·h一年可以節約的電能W=W熒總-WL總=58.4kW·h-26.28kW·h=32.12kW·h另一種解法W=W熒-WL節約的電能=32.12kW·h=P熒t-PLt=(P熒-PL)t=(40x10-3kW-18x10-3kW)x4h/dx365d3.某手機電池的容量為4000mA·h，可以理解為充滿電的手機以4000mA的電流放電1h，其電量顯示將由100%下降為0。若該手機電量顯示從80%降到70%的過程中，電池電壓保持3.7V不變，這個過程中消耗了多少電能?如果這些電能可以持續通話0.8h或待機48h，那么手機在通話和待機狀態下的電功率之比是多少?持續通話和待機的時間之比t1:t2=0.8h:48h=1:60電池總電能W=UIt=3.7Vx4Ax3600s=53280J解：手機電量顯示從80%降到70%的過程中消耗的電能手機在通話和待機狀態下的電功率之比P1:P2=t2:t1=60:1W'=(80%-70%)x53280J=5328J4.右圖是一種手持小風扇的銘牌。小風扇吹強風時以額定功率工作，它1.5h消耗的電能是多少?如果這些電能可以讓小風扇吹中等強度的風工作2.5h，小風扇吹中等強度的風時電功率是多少?解：小風扇吹強風時，1.5h消耗的電能小風扇吹中等強度的風時，電功率W=Pt=4x10-3kWx1.5h=6x10-3kW·h4.右圖是一種手持小風扇的銘牌。小風扇吹強風時以額定功率工作，它1.5h消耗的電能是多少?如果這些電能可以讓小風扇吹中等強度的風工作2.5h，小風扇吹中等強度的風時電功率是多少?解：小風扇吹強風時，1.5h消耗的電能小風扇吹中等強度的風時，電功率W=Pt=4Wx5400s=21600J另一種解法5.右圖模擬簡易調光燈的調節過程。已知小燈泡的規格為“6V0.5A”，電源電壓為6V。滑動變阻器滑片由最左端向右滑動時小燈泡逐漸變暗，當滑到最右端時電流表的示數為0.2A。如果燈絲電阻不變，小燈泡實際電功率的范圍是什么?當滑片在最左端時，滑動變阻器連入電路的電阻為0，滑動變阻器兩端的電壓也是0，小燈泡兩端的實際電壓就等于額定電壓6V，通過小燈泡的實際電流就等于額定電流0.5A，此時小燈泡的實際電功率解：P實1=P額=U額I額=6Vx0.5A=3W5.右圖模擬簡易調光燈的調節過程。已知小燈泡的規格為“6V0.5A”，電源電壓為6V。滑動變阻器滑片由最左端向右滑動時小燈泡逐漸變暗，當滑到最右端時電流表的示數為0.2A。如果燈絲電阻不變，小燈泡實際電功率的范圍是什么?解：小燈泡的電阻RL=——=——=當滑片在最右端時，小燈泡與滑動變阻器串聯，則此時小燈泡的電功率U額I額6V0.5A12Ω所以小燈泡實際電功率的范圍是0.48W~3WP實2=I實22RL=(0.2A)2x12Ω=0.48W6.右圖是一種電熱水壺工作電路的示意圖，其中電阻為R1和R2的電阻器都是用來加熱的，S1是總開關，S2是擋位開關。當S2接1時，電熱水壺處于加熱狀態，電功率為1100W。當S2接2時，電熱水壺處于保溫狀態，此時電阻為R1的電阻器的電功率為2.75W。(1)電阻R1是多少?(2)開關S2接2時，電路中的電流是多少?(3)電熱水壺處于保溫狀態時的電功率是多少?解：(1)當S2接1時，電路中只有電阻為R1的電阻器。電阻為R1的電阻器兩端的電壓等于電源的電壓U=220V。根據P加=——，U2R1可知R1=——=——=U2P加(220V)21100W44Ω6.右圖是一種電熱水壺工作電路的示意圖，其中電阻為R1和R2的電阻器都是用來加熱的，S1是總開關，S2是擋位開關。當S2接1時，電熱水壺處于加熱狀態，電功率為1100W。當S2接2時，電熱水壺處于保溫狀態，此時電阻為R1的電阻器的電功率為2.75W。解：(1)電阻R1是多少?(2)開關S2接2時，電路中的電流是多少?(3)電熱水壺處于保溫狀態時的電功率是多少?當S2接2時，電阻為R1和R2的電阻器串聯。根據P1'=I2R1可知I===0.25A6.右圖是一種電熱水壺工作電路的示意圖，其中電阻為R1和R2的電阻器都是用來加熱的，S1是總開關，S2是擋位開關。當S2接1時，電熱水壺處于加熱狀態，電功率為1100W。當S2接2時，電熱水壺處于