18.4 焦耳定律（考点解读）（解析版）

184 焦耳定律（考点解读）（解析版） 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 【答】 【分析】根据这四种用电器工作时的能量转化分析。 【解答】解：抽油烟机、电风扇工作时主要把电能转化为机械能；电视机工作时主要把 电能转化为声能、光能等；电饭锅工作时主要把电能转化为内能； 四种用电器中，电饭锅的额定功率最大，它们正常工作时，在相等时间内电饭锅消耗的 电能最多，故在通电时间相同时，电饭锅工作时产生的热量最多。 故选：。 【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 较小 （选填“较大”或“较小”）、电阻 较小 （选填“较大”或“较小”）的特点。 【答】较小；较小。 【分析】石墨烯是一种新发现的材料，它的物理性质是密度小、延展性好、导电性和导 热性好、硬度大、熔点高等，根据它的这些特性我们就能知道它的用途。 【解答】解：石墨烯特殊晶体结构使其具有多项优异的物化性能，是目前电阻率最小的 材料，石墨烯作填料能够有效提升涂料的导电性，利用的就是其电阻较小的特点； 其次石墨烯是一种超轻材料，故其密度很小，由此可知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利用了石墨烯密度小且电阻小的特点。 故答为：较小；较小。 【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 【答】B 【分析】解答本题应掌握：（1）电流流过导体时导体发热，这种现象是电流的热效应。 （2）电流流过导体时导体周围产生磁场，这种现象是电流的磁效应。 （3）电流流过导体时导体发生化学变化，这种现象是电流的化学效应。 【解答】解：、LED 灯是把电能转化为光能，故不符合题意； B、电热毯是根据电流的热效应工作的，故B 符合题意； 、电视机主要把电能转化为光能和声能，故不符合题意； D、电风扇是利用磁场对电流的作用工作的，故D 不符合题意。 故选：B。 【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 【答】B 【分析】当导体中有电流时，导体会发热，这种现象叫做电流的热效应，此时消耗电能 转化为内能。生活中，有时候可以利用电流的热效应，例如各种电热器；有时候，需要 防止电流的热效应带来的危害。 【解答】解：、冬天用电暖器取暖，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故不 符合题意； B、电脑使用微型风扇散热，是为了及时将热量散出去，防止电热产生危害，故B 符合 题意； 、家里使用电饭锅煮饭，消耗电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故不符合题意； D、使用电熨斗熨衣服，将电能转化为内能，属于利用电流的热效应，故D 不符合题意。 故选：B。 【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 焦耳 。电热在生活中的应用有 电暖气 （试举一例）。 【答】焦耳；电暖气 【分析】在大量实验的基础上，英国物理学家焦耳找出了电流产生的热量与电流、电阻、 通电时间间的关系，即发现了焦耳定律。由焦耳定律Q＝2Rt 可知，Q 与、R 及t 有关 【解答】解：英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840 年最先精确地确定了电流产生 的热量跟电流、电阻和通电时间的关系，得出Q＝2Rt 为了纪念他做出的贡献，人们将 他的名字命名为热量（能量）的单位； 电热在生活中的应用有电暖器、电饭锅、电烙铁、电熨斗等。 故答为：焦耳；电暖气。 【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 【答】 【分析】（1）电流产生的热量跟电流大小、电阻大小、通电时间有关，探究电流产生 热量跟电流关系时，控制电阻和通电时间不变；探究电流产生的热量跟电流大小和电阻 大小关系时，要控制电流和通电时间不变； （2）电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，但液体温度的变化可以通过液面高 度差的变化来反映，体现的是转换思想； （3）根据P＝2R 可知两电阻电功率的大小； （4）根据焦耳定律Q＝2Rt 判定电阻产生热量的多少，从而判定出U 形管中液面的高度 差的变化关系。 【解答】解：、右侧两电阻并联后与左侧电阻串联接入电路，根据串联电路电流特点和 并联电路电流特点可知通过瓶中两电阻的电流不同，通过左侧电阻的电流大于通过右侧 电阻的电流，所以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，故错误； B、电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，但烧瓶中的空气会热胀冷缩，会使的 U 形管液面高度差发生变化，据此来判定放热多少，这种研究方法叫转换法，故B 错误； 、根据P＝2R 可知R1的电功率比R2的大，故正确； D、根据焦耳定律Q＝2Rt 可知通电时间相同左侧电阻产生的热量较多，故D 错误； 故选：。 【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 电流 关系的 实验装置，通电一段时间后容器 甲 （选填“甲”或“乙”）内电阻丝产生的热量 较多。 【答】电流；甲。 【分析】电流产生的热量跟电流大小、电阻大小、通电时间有关。 （1）探究电流产生热量跟电阻关系时，控制通电时间和电流不变；探究电流产生热量 跟通电时间关系时，控制电流和电阻不变； （2）探究电流产生的热量跟电流大小和电阻大小关系时运用了控制变量法； （3）电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，但液体温度的变化可以通过液面高 度差的变化来反映，体现的是转换思想。 【解答】解：由图知，装置中一个5Ω 的电阻与两个5Ω 的电阻并联后再串联，根据串 联电路的电流特点可知，右端两个电阻的总电流和左端的电阻电流相等，即右＝左，两 个5Ω 的电阻并联，根据并联电路的电流特点知右＝1+2，两电阻阻值相等，则支路中电 流相等，1＝2，所以右边容器中的通过电阻的电流是左侧通过电流的一半，即是研究电 流产生的热量与电流的关系； 由Q＝2Rt 可知，左边容器中的电阻产生的热量是右侧容器电阻丝产生的热量的4 倍。 故答为：电流；甲。 【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 【答】 【分析】对于甲图，两个阻值不同的电阻串联在电路中，通过两导体的电流相同；对于 乙图，右边的两个5Ω 的电阻并联后再与左边的5Ω 的电阻串联，电阻相同，通过容器 内的电阻的电流是不同的，根据控制变量法和焦耳定律分析每个选项。 【解答】解： 、在甲图中，两个电阻串联在电路中，通电时间和电流是相同的，电阻不同，故探究的 是电流产生热量与电阻的关系；故正确； B、在乙图中，容器内的电阻相同，通电时间相同，但电流是不同的，探究的是电流产 生热量与电流的关系，故B 错误； 、在甲图中，闭合开关一段时间后，阻值大的电阻产生的热量多，故b 容器连接的U 形 管液面高度差更明显，故错误； D、在乙图中，电阻相同，通电时间相同，但通过中电阻的电流大，故中电阻产生的热 量多，则空气吸收的热量也多，故D 错误。 故选：。 【变式2-2】（2022 秋•邓州市期末）英国物理学家 焦耳 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 粗 （选填“粗”或“细”）一些，既安全又可 以减少电能的额外损耗。 【答】焦耳；粗。 【分析】（1）根据对焦耳和焦耳定律内容的了解回答； （2）导体的电阻与导体的材料、长度、横截面积有关，材料和长度一定时，横截面积 越大，电阻越小，根据焦耳定律分析得出结论。 【解答】解：（1）社会的发展离不开物理学家的突出贡献。英国物理学家焦耳经过大 量的实验研究，归纳出了电流通过导体产生的热量与电流、电阻及通电时间的关系，用 公式表示为Q＝2Rt。 （2）导体的电阻与导体的材料、长度、横截面积有关，材料和长度一定时，横截面积 越大，电阻越小，根据焦耳定律Q＝2Rt 可知，在电流和通电时间一定时，电阻越大， 导线产生的热量越多，所以从安全用电的角度考虑，连接大功率用电器的导线应选择粗 一些的导线来制作。 故答为：焦耳；粗。 【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 【答】D 【分析】（1）只闭合开关S1时，电路为L 的简单电路，根据图象读出小灯泡L 的实际 功率为1 时的电流和电压，据此得出电源的电压，根据欧姆定律求出小灯泡L 的电阻； （2）再闭合开关S2时，L 与R 并联，电流表测干路电流，根据并联电路的电压特点结 合图象读出通过R 的电流，根据并联电路中各支路独立工作、互不影响得出电流表示数 的增加量，根据并联电路的电流特点求出干路电流，利用P＝U 求出电路的总功率。 【解答】解：、只闭合开关S1时，电路为L 的简单电路， 由图象可知，当UL＝2V、L＝05 时，灯泡的实际功率PL＝ULL＝2V×05＝1， 则电源电压U＝UL＝2V，电流表示数为 05， 由＝ 可得，小灯泡L 的电阻为：RL＝ ＝ ＝4Ω，故错误； BD、再闭合开关S2时，L 与R 并联，电流表测干路电流， 因并联电路中各支路两端的电压相等，所以UR＝U＝2V， 由图象可知，通过R 的电流R＝02， 在1m 内电阻R 产生的热量为：Q＝URRt＝2V×02×60s＝24，故B 错误。 因并联电路中各支路独立工作、互不影响，所以电流表示数增加了02，故D 正确； 因并联电路中干路电流等于各支路电流之和，所以干路电流＝L+R＝05+02＝07， 电路的总功率P＝U＝2V×07＝14，故错误。 故选：D。 【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， 电水壶 （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 36×10 5 。 【答】电水壶；36×105。 【分析】电饭煲、电水壶和电熨斗三个用电器都为纯电阻用电器，消耗的电能全部转化 为内能，用电器正常工作时的功率和额定功率相等，根据Q＝＝Pt 比较相同时间内三用 电器消耗电能的多少以及电熨斗产生的热量。 【解答】解：电饭煲、电水壶和电熨斗三个用电器都为纯电阻用电器，消耗的电能全部 转化为内能， 用电器正常工作时的功率与额定功率相等，由题知，电水壶的额定功率最大，则根据Q ＝＝Pt 可知，在相同时间内，电水壶消耗的电能最多，产生的热量最多。 电熨斗正常工作02 产生的热量： Q＝＝P 电熨斗t＝500×02×3600s＝36×105。 故答为：电水壶；36×105。 【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 【答】D 【分析】（1）由于两灯工作状态未知，根据＝Pt 可知两灯消耗电能的大小关系； （2）电功率是表示电流做功快慢的物理量； （3）由P＝ 计算两灯电阻的大小，由串联电路特点和Q＝2Rt 分析判断； （4）根据两灯额定电压大小，结合并联电路的电流特点和欧姆定律计算干路中的最大 电流。 【解答】解：、由于两灯工作状态未知，即两实际功率大小未知，由＝Pt 可知，无法判 断两灯在相同时间内消耗电能的多少关系，故错误； B、由于两灯的实际功率未知，而电功率是表示电流做功快慢的物理量，所以电流通过 两灯做功的快慢无法确定，故B 错误； 、由P＝ 可得，两灯的电阻分别为：R 甲＝ ＝ ＝12Ω，R 乙＝ ＝ ＝24Ω， 由串联电路的电流特点知，两只灯泡串联工作时，通过的电流相等，由Q＝2Rt 知，相 等时间里甲灯产生热量比乙灯少，故错误； D、甲的额定电压小于乙灯的额定电压，由并联电路的电压规律知， 甲和乙灯并联时，电源电压最大为U＝U 实乙＝U 额甲＝6V， 由并联电路的电流规律和欧姆定律可得，干路中允许通过的最大电流： ＝甲+乙＝ + ＝ + ＝075，故D 正确。 故选：D。 【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 【答】 【分析】锡箔纸串联在电路中，根据串联电路的电流特点可知通过它们的电流关系，根 据影响电阻大小的因素可知较窄处和较宽处的电阻关系，根据欧姆定律可知它们两端的 电压关系，根据P＝U 可知它们的功率关系。 【解答】解： 、材料和长度相同时，导体越细，电阻越大，所以锡箔纸较窄处电阻较大，故错误； B、锡箔纸串联在电路中，因串联电路中各处的电流相等，所以通过整个锡箔纸的电流 相等，故B 错误； 、电流相等，由U＝R 可知，锡箔纸