15.4 焦耳定律（课件）2025-2026学年九年级物理上册沪粤版（2024）

15.4 焦耳定律一、电流的热效应：电能转化为内能的现象生活中，我们经常会遇到这样的现象：电熨斗通电后会发热，电暖器工作时能放出热量，电灯泡发光时也会发热。这些现象都表明，电流通过导体时，导体发热的现象叫做电流的热效应。在电流的热效应中，电能转化为内能。电流的热效应在生活和生产中有着广泛的应用，但也会带来一些不利影响。例如，电动机工作时会发热，如果热量过多不能及时散发，会影响电动机的正常工作甚至损坏；电线中通过电流时会发热，可能导致绝缘层老化，引发安全事故。因此，研究电流产生的热量与哪些因素有关，以及如何计算电流产生的热量，具有重要的实际意义。二、焦耳定律：电流产生热量的定量规律（一）焦耳定律的发现19 世纪，英国物理学家焦耳通过大量的实验研究，发现了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间之间的定量关系，这一规律后来被称为焦耳定律。焦耳的实验表明，电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。（二）焦耳定律的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。这就是焦耳定律的核心内容。（三）数学表达式焦耳定律的数学表达式为：\(Q = I^2Rt\)其中：\( Q \) 表示电流通过导体产生的热量，单位是焦耳（J）；\( I \) 表示通过导体的电流，单位是安培（A）；\( R \) 表示导体的电阻，单位是欧姆（Ω）；\( t \) 表示通电时间，单位是秒（s）。（四）公式的理解与应用公式的适用范围：焦耳定律适用于任何电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，都可以用 \( Q = I^2Rt \) 计算电流产生的热量。与电功公式的关系：在纯电阻电路中，电能全部转化为内能，此时电流产生的热量等于电流所做的功，即 \( Q = W \)。因此，在纯电阻电路中，也可以用 \( Q = W = UIt = \frac{U^2}{R}t = Pt \) 计算热量。在非纯电阻电路中，电能大部分转化为其他形式的能量（如机械能），只有少部分转化为内能，此时电流产生的热量小于电流所做的功，即 \( Q < W \)，这种情况下只能用 \( Q = I^2Rt \) 计算热量，而不能用 \( Q = UIt \) 等电功公式。三、实验探究：电流产生的热量与哪些因素有关（一）实验目的探究电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。（二）实验器材电源、滑动变阻器、定值电阻（不同阻值）、导线、开关、焦耳定律实验装置（如装有等量煤油的烧瓶、温度计、电阻丝等）。（三）实验方法控制变量法：在探究电流产生的热量与某一因素的关系时，保持其他因素不变，只改变这一因素，观察热量的变化。（四）实验步骤探究热量与电阻的关系：取两个阻值不同的电阻丝（\( R_1 > R_2 \)），分别放入两个装有等量等初温煤油的烧瓶中，串联接入电路（保证通过两电阻的电流和通电时间相同）。闭合开关，通电一段时间后，观察两支温度计的示数变化。实验现象：阻值大的电阻丝所在烧瓶中煤油的温度升高得更多。实验结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，电流产生的热量越多。探究热量与电流的关系：取一个电阻丝放入装有煤油的烧瓶中，再接入一个滑动变阻器，改变滑动变阻器的阻值，使电路中的电流发生变化（保持电阻和通电时间相同）。分别在不同电流下通电相同时间，观察温度计的示数变化。实验现象：电流越大，煤油的温度升高得越多。实验结论：在电阻和通电时间相同时，电流越大，电流产生的热量越多，且热量与电流的平方成正比。探究热量与通电时间的关系：取一个电阻丝放入装有煤油的烧瓶中，接入电路。闭合开关，分别在不同时间记录温度计的示数。实验现象：通电时间越长，煤油的温度升高得越多。实验结论：在电流和电阻相同时，通电时间越长，电流产生的热量越多。（五）实验注意事项实验中要保证煤油的质量和初温相同，以确保实验的科学性。电阻丝要完全浸没在煤油中，以保证热量能充分传递给煤油。通电时间不宜过长，以免煤油温度过高溢出。实验过程中要注意安全，避免触电。四、焦耳定律的应用：利用与防止（一）电流热效应的利用许多用电器都是利用电流的热效应工作的，例如：电热器：如电热水器、电熨斗、电饭锅、电暖器等，这些用电器的核心部件是电阻丝，电流通过电阻丝时产生热量，将电能转化为内能，用于加热物体或取暖。电热孵化器：在农业生产中，利用电热孵化器可以控制温度，为禽蛋孵化提供适宜的环境。电焊：电焊时，电流通过焊条和工件之间的间隙产生大量的热量，使金属熔化，达到焊接的目的。在这些应用中，通常需要用电阻较大、熔点较高的材料制作发热部件（如镍铬合金丝），以保证用电器能产生足够的热量且不易损坏。（二）电流热效应的防止电流的热效应也会带来一些危害，需要采取措施加以防止：电动机的散热：电动机工作时，电流通过线圈会产生热量，如果热量过多会导致线圈温度过高，影响电动机的寿命甚至烧毁线圈。因此，电动机通常装有散热片或风扇，以加快散热。电线的散热：电线中通过电流时会发热，为了防止电线过热，需要根据电线的电阻和允许通过的最大电流选择合适规格的电线，避免电流过大。同时，电线不能过度缠绕，以免影响散热。电器的散热设计：许多电器（如电脑、电视机、电冰箱等）都有散热孔和散热风扇，以保证电器工作时产生的热量能及时散发出去，防止电器因温度过高而损坏。五、焦耳定律的计算实例（一）基本计算例题 1：一个电阻为 5Ω 的导体，通过的电流为 2A，通电 10 分钟产生的热量是多少？解析：已知 \( R = 5Ω \)，\( I = 2A \)，\( t = 10\ \text{min} = 600s \)，根据焦耳定律 \( Q = I^2Rt \) 可得：\(Q = I^2Rt = (2A)^2 \times 5Ω \times 600s = 4 \times 5 \times 600J = 12000J\)答案：产生的热量为 12000J。（二）纯电阻电路的计算例题 2：一个标有 “220V 1000W” 的电热水壶，正常工作 5 分钟产生的热量是多少？解析：电热水壶是纯电阻用电器，正常工作时的功率 \( P = 1000W \)，时间 \( t = 5\ \text{min} = 300s \)。方法一：用 \( Q = W = Pt \) 计算：\(Q = Pt = 1000W \times 300s = 300000J\)方法二：先求电阻 \( R = \frac{U^2}{P} = \frac{(220V)^2}{1000W} = 48.4Ω \)，再求电流 \( I = \frac{P}{U} = \frac{1000W}{220V} \approx 4.55A \)，最后用 \( Q = I^2Rt \) 计算：\(Q = (4.55A)^2 \times 48.4Ω \times 300s \approx 300000J\)答案：产生的热量为 300000J。（三）非纯电阻电路的计算例题 3：一台电动机的电阻为 2Ω，接在 220V 的电源上，正常工作时通过的电流为 5A，求电动机工作 10 分钟产生的热量和消耗的电能。解析：电动机是非纯电阻用电器，产生的热量用 \( Q = I^2Rt \) 计算，消耗的电能用 \( W = UIt \) 计算。产生的热量：\(Q = I^2Rt = (5A)^2 \times 2Ω \times 600s = 25 \times 2 \times 600J = 30000J\)消耗的电能：\(W = UIt = 220V \times 5A \times 600s = 660000J\)答案：产生的热量为 30000J，消耗的电能为 660000J。六、常见错误及注意事项公式应用混淆：在非纯电阻电路中错误地用 \( Q = UIt \) 或 \( Q = \frac{U^2}{R}t \) 计算热量，导致结果错误。非纯电阻电路中只能用 \( Q = I^2Rt \) 计算热量。单位换算错误：在计算时没有将时间单位换算为秒，或电流、电阻单位不统一，导致结果错误。对电流热效应的利用与防止理解不清：不能正确区分哪些现象是利用电流的热效应，哪些是需要防止的危害。例如，将电动机的发热误认为是有用的，而实际上电动机的发热是需要尽量减少的。实验中控制变量法应用不当：在探究电流产生的热量与某一因素的关系时，没有控制其他因素不变，导致实验结论不准确。忽略焦耳定律与电功的区别：在纯电阻电路中，虽然 \( Q = W \)，但两者的物理意义不同，\( W \) 表示电流所做的功（消耗的电能），\( Q \) 表示产生的热量，只是在纯电阻电路中两者的数值相等。七、课堂小结电流的热效应：电流通过导体时发热的现象，电能转化为内能。焦耳定律：电流产生的热量 \( Q = I^2Rt \)，与电流的平方、电阻、通电时间成正比。公式应用：适用于任何电路，纯电阻电路中 \( Q = W \)，非纯电阻电路中 \( Q < W \)。实验探究：用控制变量法探究热量与电流、电阻、时间的关系，得出焦耳定律。应用：利用电流热效应制作电热器，同时采取措施防止热效应带来的危害（如散热设计）。八、课堂练习电流通过导体时，导体发热的现象叫做______，在这一过程中，______能转化为______能。焦耳定律的表达式是______，其中各物理量的单位分别是：Q 的单位是______，I 的单位是______，R 的单位是______，t 的单位是______。在纯电阻电路中，电流产生的热量______电流所做的功；在非纯电阻电路中，电流产生的热量______电流所做的功（均选填 “大于”“小于” 或 “等于”）。一个电阻为 10Ω 的导体，通过的电流为 1A，通电 5 分钟产生的热量是______J。电热水器是利用______工作的，电动机工作时产生的热量需要通过______等方式散发出去，防止损坏电机。九、课后作业一个标有 “220V 500W” 的电熨斗，正常工作时的电阻是多少？工作 30 分钟产生的热量是多少焦耳？某导体的电阻为 15Ω，通过的电流为 0.5A，求通电 10 分钟产生的热量。如果通过该导体的电流变为 1A，其他条件不变，产生的热量是原来的几倍？一台电动机的电阻为 4Ω，接在 220V 的电源上，正常工作时通过的电流为 4A，求电动机工作 5 分钟消耗的电能和产生的热量。为什么电熨斗的电阻丝要用电阻较大、熔点较高的材料制作？设计一个实验，比较不同导体在相同电流和通电时间下产生热量的多少，写出实验方案和预期结论。2024沪粤版物理九年级上册15.4 焦耳定律第十五章 电能与电功率授课教师： . 班 级： . 时 间： . 1.了解电流热效应的应用与控制。2.知道电流通过导体时产生的热量和电流、电阻及通电时 间的定性关系。3.了解焦耳定律，会利用焦耳定律的公式进行简单的计算小明的爸爸出门前嘱咐他好好写作业，不要看电视。爸爸回来时看到他在认真写作业，电视机也没打开，很高兴，可是用手一摸电视机的后盖就发现，小明刚看过电视。你知道他爸爸是根据什么判断的吗？电油炸锅电饭煲电熨斗这些用电器通电后，都伴有热现象，这是为什么呢？电流通过导体时，电能转化成内能，导致导体发热的现象，叫做电流的热效应。 观察与思考探究通电导体产生的热量与哪些因素有关（1）可能与电阻有关，因为电炉丝发热，而跟电炉丝相连的铜导线却不太热。（2）可能跟电流有关，因为常听说，电流大容易引发火灾。（3）可能与通电时间有关，因为通电时间越长，用电器产生的热量越多。实验与探究（1）如图所示，R2＞R1，控制通过导体的电流和通电时间不变，比较温度计的示数。电阻R2温度计的示数比电阻R1温度计的示数大 实验与探究（2）相同时间内通过R 的电流为I，移动R0的滑片，使通过R 的 电流为2I。比较R 两次所产热的多少。 通过电流为2I 时比通过电流为I 时的温度高（3）如图所示，控制电阻R、电流I 相同，闭合开关，每隔一定时间记录一次温度计的示数，比较通电时间对电热的影响。通电时间越长温度计示数越大1.当通过导体的电流一定时，通电导体的电阻越大，产生的热量越多。2.实验表明，当电阻一定时，通过导体的电流越大，导体产生的热量越多。3.实验还表明，通电时间越长，导体产生的热量越多。归纳与小结通电导体产生的热量与导体的电阻、通过导体的电流以及通电时间有关。导体的电阻越大，通过导体的电流越大，通电时间越长，导体产生的热量越多，那么导体产生的热量和电阻、电流及通电时间之间有什么样的定量关系？观察与思考英国物理学家焦耳经过多年的研究，做了大量的实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和时间的关系： 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，这个规律叫做焦耳定律。 I 的单位是安培(A)，R 的单位是欧姆(Ω)，t 的单位是秒(s)，Q 的单位是焦耳(J)。如果用Q 表示电流流过导体时产生的热量，I 表示通过导体的电流，R 表示导体的电阻，t 表示通电时间，那么焦耳定律可以用公式表示为焦耳定律是在实验的基础上总结出来的，你能用电功率公式把它推导出来吗?W=Pt =UIt =I 2Rt如图所示，电吹风工作时，消耗了1000J的电能，电流在电阻线上产生的热量等于1000J吗？观察与思考当电流通过导体时，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 （即纯电阻电路），如：电暖器，电饭锅，电炉子等。而电吹风工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能：电能=内能+机械能，即W＞Q热。交流与讨论例题：某电热器接在220V的电源上，其电阻是100Ω，则通电8min约产生多少热量?典例与精析（1）电流热效应的应用(a)电压力锅 (b)电暖手宝 (c)电养生壶 (d)电饼铛(a)电视机外壳多孔散热 (b)台式电脑CPU散热器 (c)笔记本电脑铝合金散热器（2）电流热效应的控制优点：清洁、无污染、热效率高，便于控制和调节等。 缺点：浪费电能，造成电线老化，影响用电器使用寿命。电流的热效应有什么利和弊？交流与讨论 通电导体放出的热量的有关因素1. 如图所示为“探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系”的实验装置。 (1)实验中通过观察 ⁠来比较电流产生的热量的多少，这运用了 (填“转换”或“等效替代”)法。(2)为了便于比较两种电阻丝通过电流后产生热量的多少，甲、乙两瓶中要装入 相等、初温 (填“相同”或“不同”)的同种液体。温度计示数变化多少　转换　质量　相同　(3)为了在较短的时间内达到明显的实验效果，实验时选用煤油而不选用水，是因为煤油的比热容 (填“大于”“等于”或“小于”)水的比热容。(4)若实验中发现乙烧瓶中温度计的示数升高较快(R甲＜R乙)，据此可初步得出结论：当电流和通电时间相同时，电阻越 ，产生的热量越 ⁠。小于　大　多　 焦耳定律2. [2023·马鞍山模拟]某导体的电阻为20 Ω，当通过它的电流为2 A时，则其1 min产生的热量为 J。4 800　3. [2024年1月阜阳期末]物理学家 ⁠做了大量的实验，最先精确地确定了电产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系。将一阻值为10 Ω的电热丝(不考虑电阻随温度的变化)，接入12 V的电路中，1 min内电热丝产生的热量为 J。焦耳　864　4. 【易错题】一台电动机的额定电压是220 V，其电阻是1 Ω，正常工作时通过的电流为5 A，则电动机消耗电能的功率是 W，工作10 s后电动机产生的热量是 J。易错点睛：纯电阻电路中，Q＝W；非纯电阻电路中，Q＜W。电动机是非纯电阻用电器，消耗的电能和产生的热量不相等。1 100　250　5. [2022·安徽中考]如图所示，电源电压保持3 V不变，电阻R1＝10 Ω，R2＝20 Ω。闭合开关S，则通电100 s电阻R1产生的热量为 J。10　【变式】如图所示，电源电压保持3 V不变，电阻R1＝10 Ω，R2＝20 Ω。闭合开关S，则通电1 min，电阻R1、R2产生的总热量为 J。81　 电流热效应的应用与控制6. [2023·福建中考]下列利用电流热效应工作的用电器是(　D　)D7. 【教材改编题】下列事例，属于防止电流热效应产生危害的是 ⁠。A. 养鸡场使用电热孵化器孵小鸡B. 家里使用电饭锅煮饭C. 小明妈妈用电熨斗熨衣服D. 电视机的后盖有很多孔E. 电脑机箱内有小风扇F. 电热水器利用电热丝加热水DE　8. 将规格都是“220 V　1 000 W”的一台空调、一台吹风机和一台电烤箱分别接入家庭电路中，通电时间相同，下列说法正确的是(　A　)A9. 【新情境题】[2023·安徽中考改编]在某汽车尾部的挡风玻璃上，有一种电加热除雾装置，它由5条阻值均为12 Ω的电阻丝并联而成，简化结构如图所示。该装置与电压恒为12 V的汽车电池接通工作1 min，产生的总热量为 J。若想加快除雾速度，可以 (填“增大”或“减小”)电阻丝的阻值。3600　 减小　10. [2023·佛山模拟改编]某同学为了探究“电流通过导体产生的热量与电流大小、导体的电阻是否有关”，设计了如图甲、乙所示的电路。(1)图甲探究的是电热与 ⁠的关系；图乙探究的是电热与 ⁠的关系。电阻　电流　(2)实验中通过观察 ⁠来判断产生电热的多少，下列实验中与此物理方法相同的选项是 ⁠。U形管液面的高度差　B　(3)图乙中R3主要作用是 ⁠ ⁠。【拓展】根据本实验得出的结论，请思考电炉工作时，电炉丝热得发红，而与电炉丝连接的导线却几乎不发热的原因是电炉丝的 比导线的 ⁠大得多，产生的 ⁠也远多于导线。使通过R1和R2的电流不相等　电阻　电阻　热量　11. [2024年1月铜陵期末]如图所示的电路中，定值电阻R2＝12 Ω，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，闭合开关S，电动机转动稳定后，电压表的示数U＝4 V，电阻R2的电功率P2＝3 W，干路电流I＝1 A，不计电动机的摩擦损耗等。求：(1)电阻R2两端的电压。 11. [2024年1月铜陵期末]如图所示的电路中，定值电阻R2＝12 Ω，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，闭合开关S，电动机转动稳定后，电压表的示数U＝4 V，电阻R2的电功率P2＝3 W，干路电流I＝1 A，不计电动机的摩擦损耗等。求：(2)电动机M的发热功率。 11. [2024年1月铜陵期末]如图所示的电路中，定值电阻R2＝12 Ω，电动机M的线圈电阻R＝0.5 Ω，闭合开关S，电动机转动稳定后，电压表的示数U＝4 V，电阻R2的电功率P2＝3 W，干路电流I＝1 A，不计电动机的摩擦损耗等。求：(3)R1的阻值。 12. 【中考趋势题】生活中导线与插座连接时，有人会将直导线的裸露端直接插入接线孔，但更好的接法是先将导线裸露端折成“U”形再插入，如图所示。这种“U”形接法可以增大连接处的接触面积，会更安全。请你用学过的物理知识解释其中的道理。解：“U”形插入法可以增大连接处的接触面积，在长度、材料不变时，减小连接处的电阻，根据Q＝I2Rt可得，当电流、通电时间一定时，连接处的电阻越小。连接处产生的热量越少，更安全。15.4 焦耳定律一、通电导体产生的热量与哪些因素有关二、焦耳定律 1.焦耳定律的内容 2.焦耳定律的公式三、电流热效应的应用与控制 1.电流热效应的应用 2.电流热效应的控制谢谢观看！