初中人教版（2024）第4节 焦耳定律教案

这是一份初中人教版（2024）第4节 焦耳定律教案，共17页。教案主要包含了提出问题，猜想及其依据，设计实验，进行实验，收集证据，分析论证，播放视频，交流讨论等内容，欢迎下载使用。
年级
九年级
学科
物理
教师
课题
第4节 焦耳定律
教学
目标
物理观念
认识电流的热效应，了解焦耳定律，能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象，分析解决简单的实际问题。
科学思维
结合电功的表达式和欧姆定律推导焦耳定律的表达式，培养演绎推理能力。
科学探究
经历研究电热与电阻、电流关系的过程，体会实验中控制变量的方法，发展观察、分析、处理信息、得出结论的能力。
科学态度
与责任
通过学习电热的利用和防止，感悟辩证看待问题的方法，体会物理学对社会发展的推动作用。
教材
分析
本节主要包括电流的热效应、焦耳定律、电热的利用和防止三部分内容。焦耳定律是初中物理学习的重要定律之一，是能量守恒定律在电能与内能之间转化的具体体现。教材将焦耳定律安排在电功、电功率之后，在内容编排上体现出相互关联、层层递进的特点。
定性研究电热与电阻、电流的关系，以及了解焦耳定律，既是本节教学的重点又是难点。教学中，做好演示实验及细致分析实验现象是突破教学重难点的关键。
学情
分析
1. 知识储备分析：九年级的学生在之前的学习中已经掌握了一定的电学基础知识，对电流、电压、电阻、电能、电功率等概念有了一定的认识，也具备了一定的实验操作技能和科学探究能力。他们对物理实验充满了好奇心和探索欲望，喜欢通过自己动手操作来获取知识。然而，焦耳定律涉及到多个物理量之间的关系，较为抽象，学生在理解和应用上可能会存在一定的困难。
2. 学习难点分析：在实验探究过程中，学生可能在控制变量法的运用、实验方案的设计、实验数据的分析处理等方面还不够熟练，需要教师进行引导和指导。同时，这个年龄段的学生虽然有了一定的自主学习能力，但在合作学习中可能会出现分工不明确、合作效率不高等问题，需要教师加强组织和协调。
教学重点
定性研究电热与电阻、电流的关系，以及了解焦耳定律。
教学难点
定性研究电热与电阻、电流的关系，以及了解焦耳定律。
教学
器材
学生电源、焦耳定律演示器一套（含有2个密闭容器、2个内装等量液体的 U形管、电阻丝）、导线、开关、滑动变阻器等。
多媒体ppt，含视频：《电流通过导体产生的热量跟电阻的关系》、《电流通过导体产生的热量跟电流的关系》等。
教学过程
教师活动
学生活动
导入新课
【问题】电炉工作时，电炉丝通过导线接到电路里，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热?
思考问题，激发兴趣，进入情景。
学习新课 一、电流的热效应
1. 电流的热效应
【提问】（1）寻找以下用电器的共同特点
电热毯、电水壶、电饭煲、烤箱等。
分析：这些用电器工作时都要消耗电能，都会发热，在工作过程中，电能转化为内能。
（2）电流的热效应
电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应。
2. 探究影响电流热效应的因素
【提出问题】电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关?
【猜想及其依据】
（1）可能与通过导体的电流有关。因为导体在通入电流时才会发热，所以电流通过导体时产生热的多少跟电流有关；
（2）可能与导体的电阻有关。导线和电熨斗串联接入电路，电流是相同的，电熨斗热的温度高，而导线几乎不热，电流产生的热可能与电阻有关。
（3）可能与通电时间有关。由生活经验可知，通电时间越长，电流产生的热量也会越多。
【设计实验】
（1）实验装置介绍（焦耳定律演示器）
两个透明的塑料容器内部密闭着等量的空气；容器内部的空气与U形管一端相连通。两个容器中各有一段电阻丝，两个容器里的电阻丝串联在一起接入电路。
（2）实验原理
如图所示，两个透明容器中密封着空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气的体积变化。同时使用两个密闭容器时，哪一侧U型管中液柱出现的高度差大，表明哪一侧的电阻丝产生的热量多。图中，因为Δh右＞Δh左，所以电流通过右侧的电阻丝产生的热量多。
（3）研究方法
①控制变量法：在探究电流通过导体产生热的多少跟电流、电阻、通电时间的关系时，每次实验应该控制两个物理量不变。
②转换法：实验中通过观察U形管液面的高度差来比较电流产生热量的多少，这种研究方法叫转换法。
（4）实验器材：学生电源、焦耳定律演示器、电流表、滑动变阻器等。
为了进行多次实验，需要改变通过两个电阻丝的电流，所以在电路中串联一个滑动变阻器，通过移动滑片改变电流。
（5）实验记录表
实验次数
电流关系
电阻大小/Ω
通电时间
关系
U形管液面
高度差⊿h
左
右
左
右
左
右
左
右
1
相等
5
10
相等
2
大
小
相等
相等
【进行实验】
（1）探究电流通过导体产生的热量跟电阻的关系
如图所示，将两根阻值不等的电阻丝串联接入电路。闭合开关，通电一段时间后，观察U形管液面高度差的变化。
（2）探究电流通过导体产生的热量跟电流的关系
在右方密封盒外并联一个5Ω的电阻R3，目的是改变通过盒内电阻的电流大小，由于R3的分流作用，因此通过两个容器中电阻的电流不同：I1=2I2。从而研究电流通过导体产生的热量跟电流的关系。
闭合开关，通电一段时间后，观察U形管液面高度差的变化。

（3）探究电流通过导体产生的热量跟时间的关系
闭合开关，通电一段时间后，观察同一个密封盒内U形管液面高度差的变化大小。
【收集证据】

甲 乙
【分析论证】
（1）分析实验步骤（1）可发现：在电流和通电时间相等的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多。
（2）分析步骤（2）可发现：在电阻和通电时间相等的情况下，电流越大，电流产生的热量越多。
（3）分析步骤（3）可知，在电流和电阻相等的情况下，通电时间越
长，电流产生的热量越多。
归纳实验结论
（1）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）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。
（3）在电流相同、电阻相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。
【播放视频】——《电流通过导体产生的热量跟电阻、电流的关系》
【交流讨论】
实验结束后，小红说她在一本书上看到用如图所示的装置也可以探究电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关。请你对该装置进行评价。
【评价】该装置中，两个相同的烧瓶盛有质量相同、温度相同的同种液体；烧瓶内插有温度计，可以测量液体的温度。
烧瓶内部有两个阻值不同的电阻丝，组成串联电路接入电路中。
通过比较烧瓶内液体的温度可以探究影响电流通过导体产生热量的因素。
（1）当电阻丝通电后，电流产生热量使煤油温度升高，从而使温度计示数上升，因此根据温度计示数的变化可知电流产生热量的多少。
（2）甲图中R1、R2两电阻串联，通过两电阻的电流相等，但两电阻的阻值不同，所以可探究电流产生热量的多少与电阻的关系。
（3）乙图中R1、R2两电阻并联，甲、乙两装置中，电源电压相同，乙图中电阻R1两端的电压大于甲图中电阻R1两端的电压，则乙实验装置中通过电阻R1的电流大。所以由a、c（或b、d）可以探究电流通过导体产生的热量与电流的关系。
【例题1】在探究“电流通过导体产生热的多少与什么因素有关”时采用了如图所示的实验装置。
（1）如图甲所示，两个透明容器中密封着等量的空气，通过观察两个U形管中 的变化反映密闭空气温度的变化；
（2）甲图所示的装置是用来研究电流通过导体产生的热量与 的关系；
（3）若想利用乙图继续完成接下来的实验探究，则电阻B的阻值为 Ω。
【答案】（1）高度差；（2）电阻；（3）5
【详解】（1）本实验将不易观察的现象转换成易观察的现象，通过U形管液面高度差显示电流产生热量的多少，使用了转换法。
（2）甲图所示的装置中两个电阻串联，故通过两电阻的电流相同，两电阻阻值不同， 控制通电时间相同，可以用来研究电流通过导体产生的热量与电阻的关系。
（3）乙图中右侧两电阻并联后再与左侧电阻串联，根据并联和串联电路电流的规律，为研究电流产生的热量与电流的关系，应控制电阻和通电时间相同，因此电阻B的阻值为5Ω。
知道电流的热效应。

提出问题并进行猜想，说出猜想依据。
了解焦耳定律演示器的组成及原理。
知道探究方法。特别是转换法的应用。
设计出实验电路。
了解记录表格。
观看演示实验，收集证据。
进行分析论证，归纳出实验结论。
观看视频，了解探究实验的完整过程。
交流讨论小红所提的问题，进行回答。
做例题1，进一步理解探究电热的实验过程，掌握所学知识。





学习新课 二、焦耳定律
1. 焦耳定律
英国物理学家焦耳用近40年的时间做了400多次实验，发现了电流通过
导体产生的热量跟导体电阻、通过导体的电流及通电时间之间的关系，即焦耳定律。
（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 = I2Rt
（3）公式中Q = I2Rt 各量及其单位：
I 表示电流，单位是安培（A）；R表示电阻，单位是欧姆（Ω）
t表示时间，单位是秒（s）； Q表示热量，单位是焦耳（J）
1焦耳=1安2×1欧×1秒
2. 推导焦耳定律
若电流做的功全部用来产生热量，即 Q = W
因为电功 W = UIt，根据欧姆定律 U = IR
所以 Q = W = UIt = I2Rt
可见，在消耗的电能全部用来产生热量时，根据电功公式和欧姆定律推导出的结论与焦耳定律一致。
3. 电功与电热
（1）电功与电热的区别
电功是指电流通过一段电路所做的功，它的大小表示电路消耗电能的多少，或表示有多少电能转化为其他形式的能。
电热是指电流通过一段电路做功时，电能转化为内能的那一部分。
两者表示的意义不同，是两个不同的概念。
（2）电功与电热的联系
①纯电阻电路（如电炉、电热器、电熨斗等电路）
该类电路中，电流通过用电器时，电能全部转化为内能，电流产生的热量就等于电流做的功（消耗的电能），即Q=W。
Q放= W总=Pt=UIt= U2t/R=I2Rt
上述公式适用于纯电阻电路。
②非纯电阻电路
在该类电路中，当电流通过用电器时，电能主要转化为其它形式的能量，只有一部分转化为内能。
此时电能=内能+机械能，所以内能＜电能。
例如，当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，有少部分转化为内能发热。 W总＝UIt =W机械能＋Q热量
4. 电功、电功率、焦耳定律计算公式及其适用范围
电功
电功率
焦耳定律
适用条件
基本公式
W=UIt
P=UI
Q=I2Rt
普遍适用
推导公式
W=U2Rt=I2Rt
P=U2R=I2R
Q=U2Rt=UIt
纯电阻电路
Q=W
5. 想想议议
（1）你现在明白了吗？电炉丝通电时，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？
【分析】因为电炉丝与导线串联，电流与通电时间相等，但是电炉丝的电阻远大于电线的电阻，根据焦耳定律Q=I 2Rt可知，在相同时间内，电炉丝产生的热量远大于导线产生的热量，所以电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热。
（2）额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。二者似乎有矛盾，这是怎么回事?
【分析】第一种说法，在通电时间和电压相同的情况下，根据Q=U2t/ R可知，电阻越小，产生的热量越多；第二种说法，在通电时间和电流相同的情况下，根据Q=I 2Rt可知，电阻越大，产生的热量越多。两种说法在各自前提下都是正确的，所以二者不矛盾。
【例题2】四个电阻器的电阻分别为R1、R2、R3、R4 。如图甲所示，电阻为R1、R2的电阻器串联后接在电压为U的电路中；如图乙所示，电阻为R3、R4的电阻器并联后也接在电压为U的电路中。已知R1 = R3，R2 =R4，R1 > R2。
（1）电阻为R1和R2的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多?
（2）电阻为R3和R4的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多?
【解析】（1）在串联电路中，通过电阻R1和R2的两个电阻器的电流相等。据焦耳定律Q=I2Rt，当I、t相同时，Q与R成正比，由于R1 >R2，因此相同时间内电阻为R1的电阻器放出的热量比电阻为R2的电阻器多。
（2）在并联电路中，电阻为R3和R4的电阻器两端的电压相等。根据焦耳定律Q=I2Rt和欧姆定律I=U/R，可得Q=U2t/R。由公式可知，电压相同时，相同时间内导体放出的热量与它们的电阻成反比，且R3>R4 ，因此相同时间内电阻为R4的电阻器放出的热量比电阻为R3的电阻器多。
【例题3】在相等的时间内，电热丝甲比电热丝乙放出的热量多，则以下关于甲、乙电热丝对应的物理量大小判断正确的是（ D ）
A．R甲>R乙B．I甲>I乙C．U甲>U乙D．P甲>P乙
【解析】AB．由焦耳定律Q=I2 Rt可知，电热丝放出热量与电流、电阻及通电时间有关。通电时间相同，电热丝甲比电热丝乙放出的热量多，但电阻大小、电流大小无法确定，故AB错误；
C．电阻丝属于纯电阻电路，则Q=W=U2t/R
由于不知道两电阻的连接方式，无法判断二者电压及电阻大小，故C错误；
D．根据公式Q=W=Pt可知，在相等的时间内，电热丝甲比电热丝乙放出的热量多，说明甲的电功率大于乙的电功率，即P甲>P乙，故D正确。
故选D。
【例题4】某电动机上标有“220V 2A”，它的线圈电阻为5Ω，当它正常工作1min后，消耗的电能为多少？线圈中产生的热量为多少？如没有其他能量的损失，则得到多少的机械能？
【解析】消耗的电能为：W总=UIt=220V×2A×60s=26400J
线圈中产生的热量为：Q=I2Rt=(2A)2×5 Ω×60s=120J
得到的机械能为：W机=W总－Q=26400J－120J=25200J
掌握焦耳定律的内容、公式及其单位。
会推导出焦耳定律。
分析找出电功与电热的区别与联系。


知道电功、电功率、焦耳定律的基本公式与推导公式及其适用范围。

进行讨论并回答引入新课时所提问题。
对于问题（2），要明确是条件不同。
做例题2，会用焦耳定律分析串并联电路中的有关问题。
做例题3与4，辨别电功与电热，会正确使用焦耳定律分析有关问题。
学习新课 三、电热的利用和防止
1. 电热的利用
电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用了电流的热效应，这类用电器称为电热器，而电热器的主要部分是发热体。电热器的优点：清洁卫生，没有环境污染，热效率高，还可以方便地控制和调节温度。

2. 电热的防止
电流的热量有时是有害的，应该及时解决。
（1）例如我们的电脑在工作时，电路元件发热，温度升高，会影响到电
脑的稳定性，甚至烧坏电脑CPU。人们常常采用安装散热窗、使用微型风扇等方法及时散热。
（2）电视机散热方法：在后盖开有很多孔，为了通风散热。
（3）投影仪的散热方法：除在侧壁开孔外，内部还装有电风扇，工作时电风扇转动把热量吹到机器外面，可以降低灯泡、机器内部元件的温度。
【例题5】下列实例中，为了防止电热产生危害的是（ C ）
A．用电熨斗熨衣服
B．高空飞行员所穿衣服里有电热保温装置
C．电视机的机壳上有许多小孔
D．孵化家禽的电热孵卵机
【解析】ABD．电熨斗、高空飞行员所穿衣服里的电热保温装置、孵化家禽的电热孵卵机都是利用电热来为人类服务，故ABD不符合题意；
C．电视机的机壳上有许多小孔是为了把各电器元件工作时产生的热量及时散失掉，即是为了防止电热危害，故C符合题意。
故选C。
列举生活中利用电热的实例。
列举生活中防止有害电热的实例。
做例题5，进一步了解电热的利用与防止。
课
堂
练
习
课
堂
练
习
1. 如图所示，芯片体积小，元件密集。当芯片中有电流通过时，由于芯片元件有电阻，不可避免地会产生热量，这种现象称为电流的 效应。为了不影响芯片的性能，通常让散热部件与芯片紧密结合，来降低芯片的温度，这是通过 的方式改变芯片内能。
【答案】 热 热传递
【详解】当芯片中有电流通过时，由于芯片元件有电阻，不可避免地会产生热量，这种现象称为电流的热效应（电流通过导体时电能转化为内能的现象）。
让散热部件与芯片紧密结合，来降低芯片的温度，这是通过热传递的方式改变芯片内能（热传递是由于温度差引起的热能传递现象，芯片的热量传递到散热部件）。
2．将规格都是“220V 150W”的一台电风扇、一台电视机和一只电烙铁分别接入家庭电路中，正常工作相同时间，以下说法正确的是（ ）
A．三个用电器均将电能全部转化为内能
B．电烙铁消耗电能最快
C．三个用电器消耗的电能一样多
D．三个用电器产生的热量相等
【答案】C
【详解】A．电烙铁工作时，能将电能全部转化为内能；电风扇、 电视机工作时，其消耗的电能不只是转化为内能，还会转化为机械能或光能和声能，故A错误；
B．根据题意可知，三个用电器都是正常工作，实际功率等于额定功率，所以，三个用电器消耗电能一样快，故B错误；
C．三个电器都在额定电压下工作，实际功率相同都是150W，由W=Pt可知，相同时间内三个电器消耗的电能一样多，故C正确；
D．电风扇工作时，电能转化为内能和机械能；电视机工作时，电能转化为内能、光能和声能；电烙铁工作时，电能全部转化为内能；且相同时间内三个电器消耗的电能相同，因此相同时间内，电烙铁产生的热量最多，故D错误。
故选C。
3. “世界皮影看中国，中国皮影看陕西！”如图所示，皮影艺人与时俱进，用电灯代替油灯作光源进行皮影戏表演。电灯工作一段时间后发烫，这是因为电流具有 效应，而与电灯连接的导线却凉凉的，这是因为灯丝的电阻 （选填“大于”“小于”或“等于”）导线的电阻。
【答案】 热 大于 绝缘体
【详解】电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫作电流的热效应。电灯工作一段时间后发烫，这是因为电流具有热效应。
电流通过导体时产生的热量，与电阻的大小、通电时间和电流的大小有关，电热毯中使用的合金丝与导线串联，通过的电流相同、通电时间相同，灯丝发热，而与电灯连接的导线却凉凉的，由焦耳定律Q=I2Rt可知，灯丝的电阻大于导线的电阻。
4．在“探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关”的实验中，小郡同学采用了如图甲、乙所示的实验装置（两个透明容器中封闭着等量的空气）。下列说法正确的是（ ）
A．U形管中液面高度变化主要是由液体热胀冷缩引起的
B．图甲装置能探究电流通过导体产生的热量与电流的关系
C．图乙实验过程中右边透明容器中电阻丝阻值应该等于
D．用图甲中的实验结论能解释“电炉丝热得发红而与电炉丝相连的导线几乎不发热”的现象。
【答案】 D
【详解】A．U形管内液面高度变化是由容器内气体受热膨胀引起的，故A错误；
B．由图甲可知，两阻值不同的电阻丝串联，通过两电阻丝的电流相同，探究电流通过导体产生热量跟导体的电阻是否有关，故B错误；
C．乙实验是研究电流产生的热量与电流的关系，通过它们的电流不同、通电时间都相同和电阻要相同，右边容器中的电阻要等于左边容器中的电阻5Ω，故C错误；
D．图甲中两电阻串联，电阻不同，通过两电阻的电流相同，10Ω电阻产生的热量更多，电炉丝与和它相连的导线也是电阻不同，电流相同，电炉丝电阻更大，产生的热量更多，故D正确。
故选D。
5．图甲是具有“高温”、“低温”两个挡位的空气炸锅。可以不用或用少量的油炸制食物，图乙是其内部简化电路图，已知R1=44Ω，R2=88Ω。当闭合S1，断开S2时，炸锅处于 挡。空气炸锅在高温挡正常工作100s产生的热量是 J。
【答案】低温 1.65×105
【详解】由电路图可知，当闭合S1，断开S2时，电路为R1的简单电路，电路的电阻较大；当S1、S2均闭合时，R1、R2并联，电路中的总电阻较小。由P=U2/R可知，当闭合S1，断开S2时，电路消耗的电功率较小，空气炸锅处于低温挡；当S1、S2均闭合时，电路消耗的电功率较大，空气炸锅处于高温挡。
空气炸锅高温挡的功率
空气炸锅在高温挡正常工作100s产生的热量
Q=W=P高t=1650W×100s=1.65×105J
6. 如图所示，电源电压为6V，且保持不变，已知滑动变阻器的最大阻值是50Ω，滑片P在变阻器的最左端时，电流表的示数为0.6A，求：
（1）R1的电阻；
（2）滑片P移动到变阻器的最右端时，通电20s滑动变阻器产生的热量。
【答案】（1）10Ω；（2）10J
【详解】（1）如图为串联电路，滑片P在变阻器的最左端时，只有R1接入电路，电源电压为6V，电流表的示数为0.6A，R1的电阻
（2）滑片P移动到变阻器的最右端时，R1和R2串联，总电阻
电路电流
通电20s滑动变阻器产生的热量
板
书
设
计
第4节 焦耳定律
一、电流的热效应
（1）电流通过导体时电能转化成内能的现象。
（2）电流通过导体产生热的多少跟电流、电阻、通电时间有关。
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=I2Rt
I为电流，单位A；R为电阻，单位Ω；
t为时间，单位s； Q为热量，单位J.
（3）推导公式：Q=U2Rt=UIt 适用于纯电阻电路。
（4）电功W与电热Q：纯电阻电路中Q=W，非纯电阻电路中Q＜W
三、电热的利用和防止
（1）应用：电热器。（2）防止：散热器等。
课
堂
小
结
第4节 焦耳定律
作
业
教学反思