18.4 焦耳定律（考点解读）（原卷版）

184 焦耳定律（考点解读）（原卷版） 1、电热的利用与防止 （1）电流的热效应：电流通过导体时电能转化成热，这个现象叫做电流的热效应。 （2）电流热效应的实质：是电流通过导体时，由电能转化为内能。 （3）电热器：电流通过导体时将电能全部转化为内能的用电器。其优点是清洁、无污染、 热效率高，且便于控制和调节电流。 （4）有时人们利用电热，如电饭锅、电熨斗等；有时人们防止电热产生的危害，如散热 孔、 散热片、散热风扇等。 （5）方法点拨：①电流有三大效应：热效应、磁效应、化学效应。②任何用电器，只要 有电阻存在，电流通过时就会有热效应；电流流过超导体不会有热效应。 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，这个规律叫焦耳定律； （2）公式：Q= 2 Rt ，公式中的电流的单位要用安培（），电阻R 的单位要用欧姆 （ Ω ） ，通过的时间t 的单位要用秒（ s ） 这样，热量Q 的单位就是焦耳（）； （3）变形公式： ，Q=Ut。 （3）在纯电阻电路中，电能全部转化为热能，电功等于电热，即=Q；在非纯电阻电路中， 电能大部分转化为其他能，已小部分转化为热能，电功大于电热，=Q+其他； （4）探究电热与哪些因素有关：①怎样用转换法体现电热：用温度计升高的度数；用细 管内液柱升高的高度；用气球膨胀的大小；②怎样用控制变量法研究与电阻的关系：串联 时控制电流和通电时间一定，并联时控制电压与通电时间一定。 3、焦耳定律在实际中的应用 （1）纯电阻电路：纯电阻电路就是除电源外，只有电阻元件的电路，或有电感和电容元 件，但它们对电路的影响可忽略．电压与电流同频且同相位．电阻将从电源获得的能量全 部转变成内能，这种电路就叫做纯电阻电路． 基本上，只要电能除了转化为热能以外没 有其他能的转化，此电路为纯电阻电路； （2）焦耳定律的推导公式： ，Q=Ut，适用范围，纯电阻电路； （3）电热器的“双挡”问题： ①“双挡”中的电阻：电热器通常设计有“高温挡”和“低温挡”。根据 可知， 当U 一定时，电阻越大，电功率越小；电阻越小，电功率越大，所以高温挡总电阻最小， 低温挡总电阻最大。 ②“双挡”的控制开关 短路式：两个电阻串联，把开关与其中一个电阻并联，如下图所示。 当闭合开关时，有一个电阻短路，只有一个电阻工作，此时为高温挡；当断开开关时，两 电阻串联，电阻大一些，电热器的功率小一些，此时为低温挡； b 单刀双掷式：主要工作电阻放在干路上，一条支路用导线，一条支路连接在附加电阻上， 如下图所示。 当开关掷向附加电阻的支路时，两电阻串联，为低温挡；当开关掷向导线支路时，只有主 要工作电阻工作，此时为高温挡。 ※注意：电流通过电动机做功消耗的电能，一部分转化为机械能，另一部分是转化为内能， 也就是≠Q．那么，用来计算电功的公式=Ut 不能用来计算电热，电热智能用焦耳定律 Q=2Rt 来计算。 4、焦耳定律的计算公式及其应用 （1）公式：Q=2Rt。 Q 表示电热，单位是焦耳； 表示电流，单位是安培； R 表示电阻，单位是欧姆 Ω ； t 表示时间，单位是秒 s 。 （2）推导式： 和Q=Ut。（仅适用于纯电阻电路） （3）电热与电能的关系：纯电阻电路时Q=；非纯电阻电路时Q＜； （4）电热与电功的关系： 应用公式 电功 电功率 焦耳定律 适用范围 基本公式 =Ut P=U Q=2Rt 普遍适用 导出公式 =2R t =2R =Ut 纯电阻电路=Q （5）公式Q=2Rt 是电流产生热效应的公式，与=Ut 不能通用．=Ut 是电流做功的计算 公式，如果电流做功时，只有热效应，则两公式是等效的；如果电流做功时，同时有其他 能量转化，像电动机工作时，电能既转化为热能，也转化为动能，则Q=2Rt 只是转化为 电热的部分，=Ut 则是总的电功，只有对纯电阻电路才有=Q，对非纯电阻电路Q＜。 【考点1 电流的热效应】 【典例1-1】（2022 秋•武冈市期末）下列家用电器正常工作时，在相等的时间内产生热量 最多的是（ ） ． 抽油烟机 B． 电视机 ． 电饭锅 D． 电风扇 【典例1-2】（2022 秋•祁阳县期末）石墨烯是一种新材料，具有优异的光学、电学、力学 特性，石墨烯还具有很好的韧性，且可以弯曲。北京冬奥会运动场馆的最低温度可达﹣ 30℃左右，利用石墨烯制作的智能温控加热羽绒服可帮助工作人员抵御寒冷，有效提升 保暖效果。可见，这种材料具有密度 （选填“较大”或“较小”）、电阻 （选填“较大”或“较小”）的特点。 【变式1-1】（2022 秋•天河区期末）下列电器属于利用电流热效应工作的是（ ） ． LED 灯 B． 电热毯 ． 电视机 D． 电风扇 【变式1-2】（2022 秋•西安校级期末）下列属于防止电流热效应产生危害的实例是（ ） ．冬天用电暖器取暖 B．电脑使用微型风扇散热 ．用电饭锅煮饭 D．用电熨斗熨衣服 【变式1-3】（2021 秋•交口县期末）在研究电动机的过程中，他注意到了热量的问题。于 是他开始研究电流，用近40 年的时间做了400 多次实验，最终提出了热量的多少与电 流、电阻和时间的关系，他就是著名的物理学家 。电热在生活中的应用有 （试举一例）。 【考点2 焦耳定律概念】 【典例2-1】（2022 秋•市北区校级期末）如图是探究焦耳定律实验的装置图，下列说法正 确的是（ ） ．图示实验可探究电流通过导体产生的热量与电阻大小的关系 B．通过液面高度差来反映热量的多少，运用了类比法 ．R1的电功率比R2的大 D．通电时间相同，右侧U 形管中液面高度差较大，说明电流通过R2产生的热量比R1 多 【典例2-2】（2022 秋•昆明期末）如图是探究电流通过导体产生的热量与 关系的实 验装置，通电一段时间后容器 （选填“甲”或“乙”）内电阻丝产生的热量较多。 【变式2-1】（2022 秋•南开区校级期末）如图所示是“探究在通电时间一定时，电流产生 热量与哪些因素有关”的实验装置。下列关于此实验的一些描述，正确的是（ ） ．在甲图中，探究的是电流产生热量与电阻的关系 B．在乙图中，探究的是电流产生热量与电阻的关系 ．在甲图中，闭合开关一段时间后容器连接的U 形管液面高度差更明显 D．在乙图中，可得到结论：相同时间内，电流越大，容器内空气吸收热量越少 【变式2-2】（2022 秋•邓州市期末）英国物理学家 经过大量的实验研究，于1840 年 精确测定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系。根据他研究得出的结论， 连接大功率用电器的导线应 （选填“粗”或“细”）一些，既安全又可以减少电 能的额外损耗。 【考点3 焦耳定律的应用】 【典例3-1】（2022 秋•平顶山期末）如图甲是小灯泡L 和电阻R 的﹣U 图象，将小灯泡L 和电阻R 接入图乙所示的电路中，只闭合开关S1时，小灯泡L 的实际功率为1，下列说 法正确的是（ ） ．只闭合开关S1时，小灯泡L 的电阻为40Ω B．再闭合开关S2后，在1m 内电阻R 产生的热量为24 ．再闭合开关S2后，电阻总功率为15 D．再闭合开关S2后，电流表示数增加02 【典例3-2】（2022 秋•阿克苏市校级期末）电饭煲、电水壶和电熨斗分别标有“220V 1000”、“220V 1800”、“220V 500”的字样，它们各自正常工作相同时间， （选 填“电饭煲”、“电水壶”或“电熨斗”）产生的热量最多。标有“220V 500”的电熨 斗正常工作02，电流通过电熨斗产生的热量为 。 【变式3-1】（2022 秋•汉阴县期末）现有“6V 3”和“12V 6”字样的甲、乙两只灯泡，不考 虑灯丝电阻的变化，下列说法正确的是（ ） ．通电时间相同时，甲灯泡消耗的电能一定比乙灯泡少 B．通电时间相同时，电流通过乙灯泡比甲灯泡做功一定快 ．两只灯泡串联工作时，甲灯泡产生的热量一定比乙灯泡多 D．两只灯泡并联工作时，干路中允许通过的最大电流为075 【变式3-2】（2022 秋•北京期末）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。长度相 同的锡箔纸较宽处与较窄处相比较，下列判断正确的是（ ） ．较窄处电阻较小 B．较窄处电流较大 ．较窄处电压较大 D．较窄处电功率较小 【变式3-3】（2022 秋•会同县期末）洗衣机的机芯就是电动机，它正常工作电压为 220V，通过它的电流为15，电动机线圈阻抗（工作电阻）为11Ω，则洗衣机正常工作 的功率为 ，线圈每分钟产生的热量是 ，效率为 。 【考点4 电功与电热的综合计算】 【典例4-1】（2022 秋•嵩县期末）小李家使用的贮热式电热水器额定功率为72k，额定容 量为100L。在额定电压下该热水器将100L 的水从20℃加热到60℃用了40 分钟。已知 水的比热容为42×103/（kg•℃），下列与该过程有关的计算结果和分析正确的是（ ） ．水吸收的热量是42×106 B．水吸收的热量是168×106 ．热水器消耗的电能为288×106 D．热水器的工作效率约为97% 【典例4-2】（2022 秋•郏县期末）如图甲所示为一款电煎药壶，工作电路简化为图乙，它 在工作时，有高温、中温和低温三个挡。已知正常工作时，高温挡功率为600，中温挡 功率为200。当S 接1，同时Sb 断开时，电路处于 挡，其中电阻R2 的阻值为 Ω；用该电器的“高温”挡正常工作20m，放出热量的70%全部被药液吸收，能将 kg 的药液从20℃升高到100℃。（假如药液的比热容等于水的比热容）[水＝42×103/（k g•℃）] 【典例4-3】（2022 秋•云州区期末）某品牌饮水机的加热水槽部分工作原理电路图如图所 示，其中S 是温控开关，R1为电加热丝（阻值不随温度而变化），R2为限流电阻（不参 与加热饮用水）。、B 是两种不同颜色的指示灯（指示灯的电阻忽略不计），红灯表示 加热，绿灯表示保温。饮水机的部分参数如表所示。当饮水机处于加热状态时，水被迅 速加热，达到预定温度时，自动切换到保温状态。 额定电压 220V 保温挡功率 484 加热挡功率 1000 预定温度 100℃ 最大容量 1kg （1）饮水机装满初温为20℃的水正常加热7m 时绿灯亮，求饮用水的热效率；[水＝ 42×103/（kg•℃）] （2）求电阻R2的阻值。 【变式4-1】（2022 秋•长寿区期末）如图甲所示，是某家用电热壶“加热”和“保温”两 个挡位的简化电路。电热丝的阻值R1＝484Ω，R2＝4356Ω。小明为测量电热壶的实际 电功率，他把家中的其它用电器都与电源断开，仅让电热壶工作，如图乙所示的电能表 在1m 内转盘转动了16 转[不计热量损失，已知水的比热容＝42×103/（kg•℃）]。下面 说法正确的是（ ） ．电热壶的正常加热功率为100 B．开关S 接“2”时，电热壶为“加热”挡位 ．测量时电热壶的实际加热功率为800 D．电热壶将1kg 的水从25℃加热到75℃，需要正常工作2100s 【变式4-2】（2022 秋•平泉市期末）某家庭浴室中的浴霸由四只标有“220V，500”的同规 格发热灯组成，如图所示。四只发热灯同时正常工作15m，消耗的电能是 k•，此 过程中浴室内空气的内能 （选填“增加”、“不变”或“减少”）。若此过程中 浴室内温度从20℃上升到25℃，室内空气质量为03kg ，空气的比热容为 10×103/（kg•℃），浴室内空气吸收的热量是 。 【变式4-3】（2022 秋•西华县期末）小明家购买了一款全自动智能遥控茶吧机，如图所示， 茶吧机的主要参数如表，请完成以下问题： 额定电压 220V 制热功率 1400 制冷功率 60 容积 1L （1）额定电压下茶吧机烧水时电路中的电流为多少？（结果保留两位小数） （2）水壶中装满初温为20℃的水，茶吧机正常工作加热5m，可使水温升高到100℃， 则水吸收的热量为多少？[水的比热容为42×103/（kg•℃），水的密度为10×103kg/m3] （3）上述加热过程中，全自动智能茶吧机的加热效率是多少？ 【考点5 探究影响电流通过导体时产生热量】 【典例5-1】（2022 秋•永吉县期末）如图是李雷“探究电流通过导体产生热量与哪些因素 有关”的实验。装置中各有两个相同的透明容器，其中密封着等量的空气和一段电阻丝 （阻值在图中已标出），U 形管中装有等量的液体，接通电源，观察现象。 （1）实验中通过观察U 形管中 的变化来比较导体所产生热量的多少。 （2）图中电路是探究电流产生的热量跟 关系的装置，一段时间后， 侧密闭 容器中电阻丝产生的热量较多。（选填“左”或“右”） 【变式5-1】（2022 秋•镇平县期末）为了探究电流通过导体时产生热的多少与哪些因素有 关，设计如图甲的装置，将两段阻值不同的电阻丝（R1＝5Ω，R2＝10Ω）分别密封在两 个完全相同的容器内，密闭容器内封闭等量的空气。 （1）从实验装置的原理可知，U 形管两管中的液柱高度差是由于U 形管中 （选 填“气体”或“液体”）热胀冷缩导致的。U 形管中液柱高度差的大小，反映出电流通 过电阻丝时产生 的多少。 （2）图甲所示是用来探究电流产生的热量跟 的关系。 （3）图乙所示是用来探究电流产生的热量跟 的关系。 （4）让实验装置乙冷却到初始状态，把右瓶并联的电阻丝都放入瓶内，接通电源，此 电路工作一段时间后， （选填“左瓶”或“右瓶”）内电阻丝产生的热量多。 【变式5-2】（2022 秋•云州区期末）“圆梦”小组探究“电流通过导体产生的热量与哪些 因素有关”的实验装置如图所示，甲、乙两瓶中装有质量与初温都相同的同种液体，甲 瓶中电阻丝的电阻比乙瓶中电阻丝的电阻小。 （1）为了在较短的时间内达到明显的实验效果，应选用 （选填“煤油”或 “水”）装入甲、乙两瓶中。 （2）实验中通过比较温度计示数升高的多少来反映电阻丝产生热量的多少，下列实验 应用了该研究方法的是 （选填序号）。 探究串联电路中电压的特点 B 探究电流与电阻的关系 探究什么情况下磁可以生电 （3）闭合开关，将滑片P 固定在某一位置，通电一段时间后，观察温度计的示数，发 现甲瓶中的温度计示数 （选填“高于”、“低于”或“等于”）乙瓶中的温度计 示数。 （4）小明在甲、乙两瓶中加入质量、初温都相等的不同液体，用来探究比较不同物质 的吸热能力。该方是否可行？并说明理由： 。 一、选择题。 1．（2022 秋•南华县期末）下列用电器中，利用电流热效应工作的是（ ） ．电饭煲 B．电风扇 ．洗衣机 D．LED 灯 2．（2022 秋•威县期末）如图所示的用电器中，利用电流热效应工作的是（ ） ． 洗衣机 B． 电饭锅 ． 笔记本电脑 D． 家用音响设备 3．（2022 秋•宁阳县期末）探究“电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关”时，两个 相同的透明容器中密封着质量相等的空气，用电阻R1、R2 对容器中的空气进行加热， 如图所示。下列说法中正确的是（ ） ①该装置是探究电流产生的热量与电阻大小的关系 ②实验时通过装置中R1与R2的电流相同 ③电流产生的热量越多，U 形管内液面高度差越大 ④通电一段时间后左右两边容器内电阻产生的热量之比是4：1 ．只有①② B．只有②③ ．只有①④ D．只有③④ 4．（2022 秋•昌江县校级期末）利用如图所示的装置探究“电流产生的热量与什么因素有 关”，两个透明容器内密封着等质量的空气，U 形管中液面最初相平，两个透明容器中 都有一根电阻丝，通电一段时间后，发现左边U 形管中液面高度差大。该现象说明电流 产生的热量与下列哪个因素有关（ ） ．电荷量 B．电流 ．电阻 D．通电时间 5．（2022 秋•单县期末）下列有关电学知识的说法中，正确的是（ ） ．电功率是表示电流做功快慢的物理量 B．摩擦起电是指两个不同的物体在摩擦时产生了正电荷和负电荷 ．电动机工作时产生的热量可用Q＝Ut 进行数值计算 D．若电路中灯泡两端有电压，则一定有电流通过该灯泡 6．（2023•新邵县三模）某家用电热壶有“加热”和“保温”两个挡位，其简化电路如图 甲所示，电热丝R1＝48Ω，R2＝4356Ω。小滨为测量电热壶的实际功率，他把家中的其 他用电器都与电源断开，仅让电热壶工作，1m 内电能表（如图乙）的转盘转动了16 转 [不考虑热量损失，已知水的比热容＝42×103/（kg•℃）]。下面说法正确的是（ ） ．开关S 接“2”时，电热壶为“加热”挡位 B．电热壶的正常加热功率为100 ．电热壶将1kg 的水从25℃加热到75℃，需要正常工作210s D．测量时电热壶的实际加热功率为800 7．（2022 秋•环翠区期末）（多选）关于电功、电功率和电热，下列说法正确的是（ ） ．电流通过导体所做的功越多，导体消耗的电能就越多 B．用电器上标明的额定电功率越大，其消耗的电能就一定越多 ．额定电功率越大的用电器，正常工作时间越长，消耗的电能就越多 D．用电器消耗的电能越多，用电器上产生的热量不一定越多 8．（2022 秋•环翠区期末）（多选）某小型电动机标有“7V，35”字样，其电动机线圈电 阻为04Ω，配备的可充电电池的容量为2000m•，连续充电（电流为2）3 可使电池电量 从零到充满。若电动机正常工作20s，则下列说法正确的是（ ） ．电流通过电动机做的功为700 B．电流通过电动机产生的热量为32 ．消耗的电能中有500 转化为机械能 D．电池充满电后，贮存的化学能为1512×105 二、填空题。 9．（2022 秋•曲靖期末）如图所示，是汽车USB 的、B 两个充电接口，额定输出电压均为 5V，输出电流分别为21 和10，要快速给标配的手机充电，应选用 （选填“”或 “B”）接口，电热水壶是利用电流的 效应工作的。 10．（2022 秋•长寿区期末）家用豆浆机既能打浆又能加热，当豆浆机加热时，电流通过 导体将电能转化为内能，这种现象叫做电流的 效应；豆浆机工作时加热和打浆能 够交替进行，说明加热器和电动机的连接方式是 联。 11．（2022 秋•成都期末）如图所示，在“探究电阻的大小与什么因素有关”的实验中， 电阻丝1、2 是长度和横截面积相同的锰铜丝与镍铬丝，电阻丝2、3 是长度相同，横截 面积不同的镍铬丝。用电流表测出流经三条电阻丝的电流分别为：03、01 和02（电压 恒定）。分析数据，对比电阻丝