九年级物理上册《第4节 焦耳定律》教学课件

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第十八章 电功率第 4 节 焦耳定律 人教 版 物理 九 年级 下册 　　电炉丝和导线通过电流相同，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热 ? 电 流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关 ? 1 . 理 解 焦耳定律 ，并能用焦耳定律进行有关计算，会解释有关 电热现象 ；了解电热的利用和防止。 2. 在实验中过程，体验控制变量法和转换法的应用，进一步提高实验设计和操作能力，养成实事求是和严谨的科学态度。 电流通过导体时电能转化成内能，这个现象叫做电流的热效 应。 利用电流的热效应来加热的设备： __ __ ____ 。 电热器 电热水器 电热水壶 电炉 电烤箱 电饭锅 电热取暖器 这些用电器工作时有什么共同特点？ 知识点 1 电流的热效应 点亮的灯泡过一会儿会烫手，说明什么？ 导线和电熨斗串联，为什么电熨斗很热而导线并不很热？说明什么？ 电 流的热效应与哪些因素有关？ 猜想： 与 电 流、 电阻、时 间 有关。 观察与猜想 讨论 1 ：当一个物理量被猜测与多个因素有关，应该用什么方法去研究？ （控制变量法） 讨论 2 ：实验中通过观察什么现象来比较电流产生的热量的多少？ （转换法） 实验 装置 当电流通过电阻丝时，电流产生的热量就使瓶中的空气温度升高、体积膨胀，导管里面原来一样高的液柱就会逐渐上升 。电流产生的热量越多，液面就会上升得越高 。 实验中， 通过观察 _________________ 来 比较电流产生的热量的多少 。 管中液面上升的高度 这种研究方法 叫 实验方法 R 1 = 5 Ω R 2 = 10 Ω A 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 。 现象 ： 电阻较大 的这边的液柱 上升较高 。 结论 ： 控制不变的量是： __________ 、 ____________ 。 电流 通电时间 实验 1 ：研究电热与电阻关系 点击图片播 放实验视 频 I = 2 I 1 I A R = 5 Ω R = 5 Ω R = 5 Ω I 1 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 。 现象： 电流较大 的这边的液柱 上升较高 。 结 论： 控制不变的量是： ____________ 、 ______________ 。 电阻 通电时间 实验 2 ：研究电热与电流关系 点击图片播 放实验视 频 √ × × × 图 是课本“探究电流通 过导 体产生 的 热量与 导体电阻间关系”的 实验 装 置，两 个 透明容器中封闭着等量的 空气 ，电路 正 确 连接后，通电进行实验过 程中 ，下列 说 法 正确的是 （ 　） A．左边容器电阻丝中的电流比右边容器电阻丝中的电流大 B．U形管中液面高度的变化反映电阻丝产生热量的多少 C．要保持两个电阻丝两端电压相等 D．通电时间相同，两个容器中空气吸收的热量相同 B 两电阻丝串联电流相等 热量的多少不能直接观察，可通过U型管液面高度差的变化来反映 电路中两电阻串联，电流相等，各电阻分得电压不等 根据 Q = I 2 Rt 可知， I 和 t 相同时，电阻大的电阻丝产生的热量较多 Q = I ² R t 热量 电流 电阻 时间 J A Ω S 公式： 物理量： 单位： 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 。 知识点 2 焦耳定律 焦耳（ James Prescott Joule ， 1818—1889 ），英国物理学家 。 用 近 40 年的时间做 了 400 多次实验，研究热和功的关系 。 通过大量的实验， 于 1840 年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系 。 焦 耳 物理学 史 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 2 Rt ( 如：电暖 器 、 电 饭 锅、电 炉子等 ) 此时： Q = W = Pt = UIt = U 2 R t 适用于 纯电阻电路 （只发热） = I 2 Rt 【问题回顾】 电炉丝和导线通过的电流相同 。 为 什么电炉丝热的发红，而导线却几乎不发热？ 原因： 导线与电热丝串联，电流、时间都相同， 导线电阻远小于电炉丝电阻 ， 由 Q = I 2 Rt 可知，导线产生的热量 少。 电能和电热关系 例 题 一 根 60Ω 的电阻丝接在 36V 的电源 上，在 5min 内共产 生多少 热量？ 解： 通过电阻丝的电流为： 电流产生的热量为： Q = I 2 Rt =(0.6A) 2 ×60Ω×5×60s= 6480J 还有其他方法吗？ U 2 Q = W = R t 　　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? 　 　答：前者说电阻越小， 正常工作时 单位时间内产生的热量越多，前提条件是电压相同；而后者说，电阻越大，单位时间内产生的热量越多，前提条件是电流相同，两者并不矛盾 。 所以我们在应用公式时应该特别注意条件 。 想 想议议 2. 小 明在一次野炊活动中，将中间剪得较窄的口香糖锡箔纸（可看做导体）接在干电池正负两极上，如图所示，锡箔纸较窄处最先燃 烧。这 是因为与长度相同的锡箔纸较宽处相比，较窄处 （ 　） A．电阻较大 B ．电流较大 C．电压较小 D ．电功率较小 A 材料和长度相同时，导体越细，电阻越大 串联电路中各处的电流相等 锡箔纸较窄处电阻大，电压较大 锡箔纸较窄处电压大，电功率较大 （相当于纯电阻电路） 当 电动机工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能（有用功），同时，电动机线圈也会发热（额外功）： 电能（ W ） 内能（ Q ） + 机械能（ E ） W = UIt Q = I 2 Rt E = W–Q 当电 动机通电但 转子被卡住 时，消耗的电能只会让电动机线圈发热， 此时， W = UIt=Q=I 2 Rt 有关电动机的电热讨论 例 题 家用电风扇正常工作时电流为 0.3A ，电 阻等效为 200Ω ，求在 5min 内共产生多少热量？消耗的电能，转化的机械能是多少？效率呢？ 解： 消耗的电能 （ 总的 ） 为： 电流产生的热量为： Q = I 2 Rt = ( 0.3A ) 2 ×200Ω×300s= 5.4 × 10 3 J W = UIt =220V×0.3A×300s= 1.98 × 10 4 J 机械能 ( 有用 ） ： E = W – Q =1.98 × 10 4 J–5.4 × 10 3 J= 1.44 × 10 4 J 效率： η = E W 1.44 × 10 4 J 1.98 × 10 4 J × 100% × 100% =72.7% = 3. 一 直流电动机，把它接入0.2V电压的电路时，电机不转，测得流过电动机的电流是0.4A；若把电动机接入2.0V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1.0A 。 求：（1）电动机线圈电阻 。 （ 2）电动机正常工作时的输出功率多大？ （ 3）电动机的机械效率多大？ （ 4）如果在动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大？ 解： （1）当电机不转时，由欧姆定律 得 ， 电 机的 内阻 为 ： （2）当电机正常工作时，输出功率为 ： P 输出 = P 电 P 内 = UI I 2 R =2V×1A （1A） 2 ×0.5Ω=1.5W ； （ 3）电动机的机械效率 ： （4）电动机的转子突然被卡住时，此时相当于纯电阻，发 热 功率为 ： 电饭锅 电烙铁 热得快 电热毯 电熨斗 1 ．电热的利用 　　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 。 电热孵化器 知识点 3 电热的利用和防止 很 多情况下我们并不希望用电器的温度过 高。如 电视机的后盖有很多孔，是为了通风散热；电脑运行时要用微型风扇及时散热等 。 2 ．防止 电热的危害 散热窗 散热风扇 将用电器 烧坏 使绝缘材料 老化 1. （ 安徽 中考 ） 如图所示的电路中，电 源 电 压保持 6V 不变，电阻 R 1 =10Ω ， R 2 =20Ω ， 闭 合开关 S ，则 R 1 消耗的电功率为 ______ W ； 若 通电 30s ，电阻 R 2 产生的热量为 ______J 。 0 . 4 24 解： 由电路图可知，电路中的电流 ： R 1 的电功率 P 1 = I 2 R 1 =（ 0.2A） 2 ×10Ω= 0.4W 电阻 R 2 产生的热量 Q 2 = I 2 R 2 t ═（ 0.2A） 2 ×20Ω×30s =24J 连接中考 2. （2018 •广安）如图，灯泡L 上标有 “ 6V 3W ” 字样 ，电源电压6V且保持不变，定值电阻 R =8Ω （ 不计灯丝电阻的变化）。只闭合S 1 和S 3 ，电阻 R 在100s产生的热量是 _______ J ； 电路在工作状态下，整个电路消耗的最小功率是 _______ W。 450 1.8 U 2 R L = _ _ P (6V) 2 = 3W =12Ω R L = 12Ω 解析 只闭合S 1 和S 3 ，电阻 R 与灯泡并联，电阻 R 两端的电压为电源电压6V ，电 阻 R 在100s产生的热量： U 2 Q=W = _ _ R (6V) 2 t = 8Ω × 100s=450J; 解析 闭合开关S 2 ，断开开关S 1 、S 3 ，电阻R和灯泡L串联，使接入电路的阻值最大，则整个电路消耗的电功率最小 。 最小电功率： U 2 P 最小 = R+R L (6V) 2 = 8Ω+12Ω = 1.8W 连接中考 连接中考 3. （2019•无锡）如图所示，在接线柱间接入熔丝和铜丝，熔丝电阻大于铜丝。接通电源，闭合开关S，依次闭合各小灯泡支路的开关，可以看到电流表的示数逐渐增大；再闭合电炉丝支路的开关时，会发现熔丝被熔断。 下列说法正确的是（ 　　） ①实验说明电路超负荷运行会引起 安全事故 ②实验中通过熔丝的电流大于铜丝 ③通电相同的时间，熔丝所产生的 热量多于铜丝 ④随着支路开关依次闭合，熔丝最 终熔断说明电流通过导体产生的热量与电流强度有关 A．只有①② B．只有①③④ C ．只有②③④ D．①②③④都正确 B 连接中考 4. （2019•云南）一只标有“6V 3W”的小灯泡，接在电源电压为12V的电路中，为使其正常发光，应 _________ （选填“串”或“并”）联一个电阻（小灯泡灯丝电阻不变），该电阻通电20s产生的热量是 ___________ J。 串 60 灯泡正常工作电流： 电阻分压： U R = U–U L =12V–6V=6V I R = I L =0.5A Q = U R It =6V × 0.5A × 20s=60J 连接中考 5. （2019•大庆）某电热水壶及其铭牌如图所示，小明为了测量该电热水壶的实际功率和加热效率，进行了如下实验： 关 掉家里所有用电器，将该电热水壶装满水，接通电热水壶，测得壶中水温度从25℃上升到35℃所用的时间为50s，同时观察到家中“ 220V 10（40）A 3 200imp/kW · h”的电子式电能表的指示灯闪烁了80imp，水的比热容 c 水 =4.2×10 3 J/（kg · ℃）。请结合本次实验记录的数据，回答以下问题： 连接中考 （1）除电子式电能表外，小明还需下列哪些器材完成上述两个测量 ________ 。（选填器材前面的序号） ①刻度尺 ②温度计 ③电压表 ④秒表 ⑤弹簧测力计 （2）若小明利用水升温吸热计算消耗的电能，计算出电热水壶的功率和实际功率相比 ________ （选填“偏大”、“偏小”或“相等”），主要原因是 __________________________________ 。 （3）电热水壶的实际功率是 ______ W。 （4）电热水壶的加热效率是 _______ 。 ②④ 偏小 消耗的电能不可能完全转化成水的内能 1800 84% 1. 小明家电饭锅 的 电源线坏了，他在网上新买了一根，使用时 闻到橡胶的焦糊味，他立即拔下电源插头，发现这根电源线很 热，其他用电器仍然正常工作。你认为引起电源线过热的原因 可能是 （ 　　） A．电路的电压过高 B．新买的电源线过细 C．新买的电源线过粗 D．新买的电源线过短 B 基础巩固题 2 . 将 规格都是“220V 180W”的一台电冰箱、一台电脑和一床电热毯，分别接入同一家庭电路中，若通电时间相同，则下列说法正确的是 （ 　　） A．电冰箱产生的热量最多 B．电脑产生的热量最多 C．电热毯产生的热量最多 D．三者产生的热量一样多 C 基础巩固题 3. 甲、乙两电热丝电阻之比为3 ﹕ 4，通过的电流之比为3 ﹕ 1，则相同时间内产生的热量之比为（　　） A．27 ﹕ 4 B．9 ﹕ 4 C．4 ﹕ 9 D．4 ﹕ 27 A 基础巩固题 4. 电 热水壶上标有“220V 1800W”，小明发现烧水过程中热水壶的发热体部分很快变热，但连接的电线却不怎么热，是因为导线的电阻比发热体的电阻 ______ 。在额定电压下，烧开一壶水用时3min20s，这段时间内电热水壶发热体产生 的 热 量为 _________ J。 小 3.6×10 5 基础巩固题 用 如图所示的装置探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，相同烧瓶内装满了煤油 。 （1）烧瓶中装入的煤油是__ __ ____（选填“导体”或“绝缘体”） 。 （2）请根据实物电路，在虚线框图内画出对应的电路图 。 （3）为达到实验目的，选用的两电阻丝 R 1 与 R 2 的阻值应 ______ ，通过 R 1 的电流 _________ 通过 R 2 的电流 。 R 2 R 1 绝缘体 相等 小于 能力提升题 （4）通电一段时间后，乙烧瓶中玻璃管内液面上升的高度较大，说明 _____ _____________________________________________ 。 （5）小红用 如 左 下图 示的装置，进一步探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，经多次实验测量，收集实验数据，绘制了烧瓶中玻璃管内液面上升的高度 h 与电流的关系图象，根据焦耳定律可知 ，右 下 图 中能正确反映 h – I 关系的是 _________ 。 电阻和通电时间不变，电流越大产生的热量越多 A 【拓展】 用 Q = I 2 Rt 可以算电流通过任何用电器产生的热量，能用 Q = UIt 计算电流通过任何用电器产生的热量吗？请用实例说明原 因 。 ______________________________________________________ ______________________________________________________ 。 不 能。含 有电动机的电路，电流做的功大部分转化为机械能，有一小部分转换化为内能，即发热了， W = UIt ＞ Q = I 2 Rt 1. 电流的热效应：电流通过各种用电器时，温度都会升 高。 2. 焦耳定律： 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。 公式： Q = I 2 Rt 3. 电热的利用和防止。 作业 内容 教材作业 完成课后 “ 动手动脑学物理 ” 练习 自主安排 配套练习 册练 习