1、專題30 焦耳定律的實驗探究及其應用知識點1：探究焦耳定律實驗思路1.控制變量法在探究電熱的多少與電流的關系時，應控制兩個電阻絲的阻值相同；在探究電熱的多少與電阻的關系時，要控制通過兩個電阻絲的電流相同，最好的方法當然是采用串聯。這里就應用了控制變量法。 當要研究的一個物理量與另外幾個物理量都有關系時，為簡化和方便，先研究與其中一個量的關系，而要控制其余幾個量不變這種研究問題的方法叫控制變量法。這種方法在實驗數據的表格上的反映為：某兩次試驗只有一個條件不相同，若兩次試驗結果不同，則與該條件有關，否則無關。反過來，若要研究的問題是物理量與某一因素是否有關，則應只使該因素不同，而其他因素均應相同。

2、控制變量法是中學物理中最常用的方法。2.轉化法實驗中電流產生的熱量不能直接觀察到，但熱量的變化可以用溫度的變化來感知。通過溫度的變化多少來間接知道電流產生的熱量的多少，這是轉化法。物理學中對于一些看不見、摸不著的現象或不易直接測量的物理量，通常用一些非常直觀的現象去認識，或用易測量的物理量間接測量，這種研究問題的方法叫轉換法。3.注意的問題由于實驗中電流產生的熱量較少，液體溫度升高的也較小，所以用溫度計不易直接測量比較。為了使現象明顯，實驗采用了兩種方法：不用溫度計，但采用了放大的“溫度計”。整個燒瓶相當于一個溫度計的玻璃泡。由于燒瓶里的液體較多，使升溫膨脹效果更明顯。采用煤油代替常見的水，用

3、玻璃管插入密封燒瓶里的煤油中代替溫度計。用煤油代替水，是因為煤油比水的比熱容小，在吸收相等的熱量時溫度上升的多，這樣現象更明顯。當然還有一個重要原因，那就是煤油不導電?？梢栽O想由于水導電，若用水由水產生的電阻就無法控制電路中的電阻情況。知識點2：焦耳定律及其應用1.電流通過導體產生的熱量求解公式(1)焦耳定律：QI2Rt(2)純電阻電路中，QW=Pt=U2t/R=UIt=I2Rt2.在利用焦耳定律求解計算題注意(1)涉及的四個物理量要一一對應，簡單來說就是導體的電阻為R，通過這個導體的電流為I，通電時間為t，則電流通過導體產生的熱量為QI2Rt(2)公式中各個物理量的單位必須都得是國際單位，即

4、電流I 的單位是安培(A)、電阻R的單位是歐姆()、時間t的單位是秒(s)，則熱量的單位是焦耳(J)3.當發電廠電功率一定，送電電壓與送電電流成反比，輸電時電壓越高，電流就越小。此時因為輸電線路上有電阻，根據P=I2R可知，電流越小時，在電線上消耗的電能就會越少。所以電廠在輸電時增大送電電壓，減少電能在輸電線路上的損失。4. 應用和防止電熱的實例利用電熱的例子：熱水器、電飯鍋、電熨斗、電熱孵化器等。防止電熱的例子：電視機外殼的散熱窗；計算機內的散熱風扇、電動機外殼的散熱片等?！纠}1】(2020四川南充)小明將線圈電阻為4.84的電動機接人220V的家庭電路中，關閉其它用電器，只讓電動機工作時

5、，觀察到他家標有2000imp/(kW.h)的電能表3min內閃爍了100次，則電動機在這段時間內消耗的電能為_kW.h，電動機線圈產生_J的熱量。【答案】 (1) 0.05 (2) 【解析】(1)電動機在這段時間內消耗的電能為 (2)根據公式可以求出電動機線圈的電流為電動機線圈產生熱量為【對點練習】一只標有”8V 0.4A”的小燈泡，接在電源電壓為12V的電路中，為使其正常發光，應串聯一個的電阻；該電阻通電10s所產生的熱量是J?！敬鸢浮?0；16?！窘馕觥扛鶕撾娐分锌傠妷旱扔诟鞣蛛妷褐?，則串聯電阻R兩端電壓：UR=UUL=12V8V=4V，因串聯電路中各處的電流相等，所以燈泡正常工作

6、時電路中的電流：I=0.4A，由I=U/R可得，串聯電阻R的阻值：R=UR/I=10；此時該電阻通電10s產生的熱量為：QR=I2Rt=(0.4A)2×10×10s=16J。【例題2】(2020連云港模擬)已知電流通過導體產生的熱量跟電流、電阻和通電時間有關在探究“電流通過導體產生的熱量跟電流的關系”時，可供選擇的器材有：8V穩壓電源一個；20和50的滑動變阻器各一個；停表和開關各一個；塑料盒與U形管相連的實驗裝置一個，盒內密封著空氣，盒內電阻絲的阻值為20；導線若干(1)該實驗選用 的滑動變阻器更好(2)連接好的實驗圖如圖所示每次實驗(即獲得一組數據)后，都要斷開開關，打

7、開盒蓋上的通氣孔，U形管內兩液面迅速回到原位，等片刻后，關閉通氣孔，再進行下一次實驗請畫出實驗用的表格，表中要有必要的信息(3)某同學對實驗方案進行了重新設計：第一次實驗記錄高度差后，立即移動滑片增大電流做第二次實驗，每次實驗加熱時間相同，記錄的U形管內兩液面高度差依次為h1、h2在處理數據時，該同學想用h2來間接反映第二次實驗電流通過導體產生的熱量，他這樣處理數據是否正確？ 理由是 【答案】(1)50 (2)記錄的實驗數據如下表(3)不正確 h2間接反映了第一次和第二次實驗電流通過導體產生的熱量的和不是第二次實驗電流通過導體產生的熱量【解析】(1)盒內電阻絲的阻值為20為定值電阻，選滑動變阻

8、器的電阻要大得好，因為這樣通過改變滑動變阻器電阻，電路電流能有效控制，不會太大，保護電源。(2)所畫表格要體現每次實驗電阻絲電阻為20為定值電阻。時間一定。要體現U形管液面高度差，電流大小，熱量。(3)該同學想用h2來間接反映第二次實驗電流通過導體產生的熱量實錯誤的。因為h2間接反映了第一次和第二次實驗電流通過導體產生的熱量的和不是第二次實驗電流通過導體產生的熱量該同學在設計方案就是錯誤的?！緦c練習】我們知道：“電流通過導體時產生的熱量，與電流的平方成正比，與導體的電阻成正比，與通電時間成正比。”這就是焦耳定律，用公式可表達為：Q=I2Rt。愛動腦筋的小明在探究這個問題時，設計了圖所示的實驗

9、，只連接一次電路就完成了實驗探究。他的方法是用電阻絲(其中R甲R乙)給燒瓶中的煤油(煤油質量相同)加熱，然后觀察煤油在插入密封燒瓶里的玻璃管中上升的高度，就可以對比電阻絲放熱的多少。請你仔細觀察小明設計的實驗電路，并應用所學知識分析回答下列問題：(1)探究電熱的多少與電流的關系，應該對比 兩個燒瓶中煤油柱上升的高度，而這兩個燒瓶中電阻絲阻值應該 。(2)探究電熱的多少與電阻的關系，應該對比 兩個燒瓶中煤油柱上升的高度。(3)有許多家用電器的工作原理即為焦耳定律，請舉兩個例子?！敬鸢浮?1)甲、丙或乙、丙 相等(2)甲、乙(3)電飯鍋、電熱毯、電暖爐等【解析】本題主要涉及兩種物理研究方法：一是控

10、制變量法。另一種是轉化放大的方法。 (1)探究電熱的多少與電流的關系，應該控制電阻和通電時間保持不變，甲和丙電阻控制相等，電流不等，可以通過玻璃管煤油上升高度，利用轉化法知道電熱與電流的關系。同理乙和丙也可以做到。(2)探究電熱的多少與電阻的關系，控制電流和通電時間不變。明顯甲乙電阻絲串聯，電流相同，所以答案很容易知道。(3)利用通電導體產生的熱量來工作，達到目的的設備，工作原理就是焦耳定律。一、選擇題1.圖甲是小燈泡的電壓電流圖像。將此燈泡L與滑動變阻器R串聯在電壓為4.5V的電路中(如圖乙)，閉合開關，移動滑片P，當小燈泡的功率為0.75W時，( )A電流表的示數為0.2A B滑動變阻器R

11、接入電路中的電阻為15C電路消耗的總功率為1.35W。 D10s內滑動變阻器R產生的熱量為13.5J【答案】C【解析】當小燈泡的功率為0.75W時，根據圖甲，可知，燈泡L兩端的電壓為2.5V，通過燈泡的電流為0.3A，電路中的等效電阻15.電路消耗的總功率P=IU總=4.5V0.3A=1.35W。變阻器R在10s產生的熱量Q=W=UIt=2V0.3A10s=6J。A電流表的示數為0.2A ，錯誤。 B滑動變阻器R接入電路中的電阻為15，錯誤。C電路消耗的總功率為1.35W，正確。D10s內滑動變阻器R產生的熱量為13.5J，錯誤。2如圖甲所示，兩電熱絲R1與R2并聯，R1=20，電源電壓保持不

12、變，閉合開關，電流表A1和電流表A2表盤指針均指如圖乙所示位置，則以下判斷正確的是()AR1：R2=5：1B電源電壓是10VCR2的電功率是20WDR1工作2分鐘所放出的熱量為600J【答案】BCD【解析】由電路圖可知，R1與R2并聯，電流表A1測干路電流，電流表A2測R1支路的電流。因并聯電路中干路電流等于各支路電流之和，且兩電流表指針的位置相同，所以，電流表A1的量程為03A，分度值為0.1A，干路電流I=2.5A，電流表A2的量程為00.6A，分度值為0.02A，通過R1的電流I1=0.5A，根據并聯電路的電流特點可得，通過R2的電流：I2=II1=2.5A0.5A=2A，因并聯電路中各

13、支路兩端的電壓相等，所以，由I=可得，電源的電壓：U=I1R1=0.5A×20=10V，故B正確；則R2的阻值：R2=5，則R1：R2=20：5=4：1，故A錯誤；R2的電功率：P2=UI2=10V×2A=20W，故C正確；R1工作2分鐘所放出的熱量：Q1=I12R1t=(0.5A)2×20×2×60s=600J，故D正確。二、填空題3.(2020安徽)如圖所示的電路中，電源電壓U=9V，電阻R1=200，R2=100，則通電1min該電路產生的熱量為_J?！敬鸢浮?62【解析】由電路圖可知，兩個電阻串聯，故電路的電流為則通電1min該電路產生

14、的熱量為4.(2020四川成都)小彬用圖所示的實驗裝置探究“電流的熱效應跟電阻大小的關系”，電源電壓為3V，電阻絲R1=10，R2=20，兩氣球相同。閉合開關后，密閉燒瓶內的空氣被加熱，他觀察到_氣球先鼓起來。甲氣球乙氣球通電1min，R2產生的熱量為_J?！敬鸢浮?(1) 乙 (2) 12【解析】(1)從圖中可以看到，加熱時間相同，通過的電流也相同，根據焦耳定律可知，R2的電阻較大，那么R2所在的密閉燒瓶產生的熱量較大，乙氣球先鼓起來。(2)甲氣球乙氣球通電1min，電路中的電流大小R2產生的熱量R2產生的熱量為12 J。5(2020甘肅天水)現有兩電熱絲，甲標有“10 1A”，乙標有“15

15、 0.6A”，把它們并聯起來，通電10s后，甲、乙兩電熱絲產生的總熱量最多是 J?！敬鸢浮?35。【解析】由I可得，兩電熱絲兩端允許所加的最大電壓：U甲I甲R甲1A×1010V，U乙I乙R乙0.6A×159V，因并聯電路中各支路兩端的電壓相等，所以，兩電熱絲并聯時，電路中的最大電壓UU乙9V；兩電熱絲并聯的總電阻：R6，通電10s后，甲、乙兩電熱絲產生的總熱量最多為：QWt×10s135J?！军c評】本題考查電熱的計算，關鍵是正確得到并聯后電路兩端最大的電壓值。6.有一臺電動機，額定電壓3V，額定電流1A，電動機線圈電阻0.5這臺電動機正常工作1min，消耗的電能為

16、J產生的熱量為J，輸出的機械能為J?！敬鸢浮?80；30；150?！窘馕觥勘绢}考查了電動機產生熱量、電功、輸出機械能的計算，關鍵是知道只有在純電阻電路中電能才完全轉化成內能。這臺電動機正常工作1min=60s，電動機消耗的電能：W=UIt=3V×1A×60s=180J，產生的電熱：Q=I2Rt=(1A)2×0.5×60s=30J，輸出的機械能：W機械=WQ=180J30J=150J。7.如圖所示，電源電壓恒定不變，小燈泡L標有“2.5V 0.75W”的字樣，R1、R2為定值電阻，其中R1=25，R2=50，當S1、S2都斷開時，小燈泡正常發光，電源電壓是

17、 V：當S1閉合，S2斷開時，電流表的示數是 A：當S1、S2都閉合時，R2通電1分鐘產生的熱量為 J(不考慮溫度對電阻的影響)。 【答案】10；0.4；120【解析】當S1、S2都斷開時，小燈泡L與R1串聯，小燈泡正常發光，根據小燈泡L標有“2.5V 0.75W”由P=UI可求電路中電流，再根據歐姆定律求出R1兩端的電壓，電源的電壓等于小燈泡兩端電壓與R1兩端電壓之和；當S1閉合，S2斷開時，小燈泡L短路，R2斷開，只有R1接入電路，根據歐姆定律可求電流表示數；當S1、S2都閉合時，R1、R2并聯，根據Q= Q= U2t/ R可求R2通電1分鐘產生的熱量。當S1、S2都斷開時，小燈泡L與R1

18、串聯，小燈泡正常發光，根據小燈泡L標有“2.5V 0.75W”，電路中的電流：I=IL= PL / UL = 0.75W /2.5V =0.3A，由I=U/R可得R1兩端的電壓，U1=IR1=0.3A×25=7.5V，電源的電壓等于小燈泡兩端電壓與R1兩端電壓之和，U=U1+UL=2.5V+7.5V=10V；當S1閉合，S2斷開時，小燈泡L短路，R2斷開，只有R1接入電路，由I=U/R可得電流表示數：I=U/ R1=10V/25=0.4A；當S1、S2都閉合時，R1、R2并聯，R2通電1分鐘產生的熱量：Q= Q= U2t/ R2=(10V)2×60s/ 50=120J。8.

19、如圖所示，電源電壓不變，R2=30，R3=10只閉合S1，電流表示數為0.2A，電壓表示數為4.0V，則定值電阻R1為 ，電源電壓為 V閉合S1、S2、S3，電流表A1、A2示數之比為 ，通電lmin電阻R1產生的熱量為 J。 【答案】20；6；5：2；108【解析】(1)只閉合S1，電阻R1、R3串聯，電流表測量的是整個電路中的電流，電壓表測量的是電阻R1兩端的電壓。由歐姆定律可得R1的阻值：R1= U1/I=4V/0.2A=20；根據串聯電路的特點和歐姆定律可得，電源電壓：U=I(R1+R3)=0.2A×(20+10)=6V；(2)閉合S1、S2、S3，電阻R1、R2并聯，電流表

20、A1測量的是干路中的總電流，A2測量R2的電流，電壓表測量的是電源電壓；則通過R1的電流：I1=U/ R1=6V/20=0.3A，A2的示數(通過R2的電流)：I2= U/ R2=6V/30=0.2A，所以干路中電流表A1的示數：I=I+I2=0.3A+0.2A=0.5A，電流表A1、A2示數之比為I/ I2=0.5A/0.2A=5/2；通電lminR1產生的熱量：Q1=I12R1t=(0.3A)2×20×60s=108J。三、分析簡答題9.小明冬天取暖時發現：電暖器的電熱絲熱的發紅，而與電熱絲相連的導線卻不怎么熱(1)請你根據小明發現的現象提出一個需要探究的物理問題；(2

21、)如圖是小明進行實驗探究的部分電路，A、B燒瓶中裝有質量相等、初溫相同的煤油，金屬絲電阻分別為RA、RB，RARB通電一段時間后，發現B燒瓶中溫度計的示數大些請用所學的知識解釋此現象【答案】(1)“電流通過導體產生的熱量與哪些因素有關”；(2)當通過的電流和通電時間相同時，導體的電阻越大、電流產生的熱量越多【解析】(1)電流一起通過電熱絲和與之相連的導線，電熱絲熱的發紅，由此提問“電流通過導體產生的熱量與哪些因素有關”；(2)如圖，鎳鉻合金絲和銅絲串聯，通過的電流和通電時間相同，因為鎳鉻合金絲的電阻大于銅絲的電阻，電流通過鎳鉻合金絲產生的熱量多，使B瓶中的煤油溫度上升的快，由此得出，當通過的電

22、流和通電時間相同時，導體的電阻越大、電流產生的熱量越多。10據生活報訊，2017年4月14日起，插線板新國家標準正式實施，要求插線板的插孔須設置“保護門”，“保護門”可有效防止兒童將手指插入插孔而造成觸電事故，同時可避免灰塵長期沉積而造成的內部(選填“斷路”或“短路”)在線材方面要求：如果最大工作電流16A的延長線插座，導線的最小橫截面積由原來的1mm2增加到1.5mm2請你根據所學物理知識解釋增加導線橫截面積的好處【答案】短路；材料、長度相同的導線，橫截面積越大，電阻越小，由焦耳定律Q=I2Rt可知，電流和通電時間相同時，電阻越小，產生的熱量越少，采用橫截面積更大的導線可以避免外部絕緣皮過熱

23、，引起火災【解析】(1)處處連通的電路為通路；某處斷開的電路為斷路；電源短路是指電源兩極不經過用電器直接連通的電路；(2)根據影響電阻大小的因素分析導線的橫截面積變大時其電阻的變化，根據焦耳定律可知電流和通電時間相等時產生的熱量關系，從而得出答案四、實驗探究題11小明利用圖所示的實驗裝置探究“導體產生的熱量與電阻大小的關系”甲、乙兩瓶中裝有質量與初溫都相同的煤油，甲瓶中銅絲的電阻比乙瓶中鎳鉻合金絲的電阻小(1)實驗中煤油吸熱的多少是通過 來反映的(選填“溫度計示數”或“加熱時間”)(2)為了在較短的時間內達到明顯的實驗效果，小明選用煤油而不用水做實驗，是因為煤油的比熱容水的比熱容(選填“大于”

24、或“小于”)(3)通電一定時間后，乙瓶中的溫度計示數升高的快，由此得出的實驗結論是 (4)該實驗中用到的研究物理問題的法是 (填對一種即可)【答案】(1)溫度計示數；(2)小于；(3)在電流和通電時間相同時，導體電阻越大產生的熱量越多；(4)控制變量法(或轉換法，填對一個即可)【解析】(1)兩電阻絲產生熱量的多少是通過溫度計示數的變化反映出來的由Q=cm(tt0)得，t=+t0，可見影響溫度計示數的不只是熱量，還有煤油的初溫和質量，所以要保證煤油的初溫和質量都相同，才能通過溫度的變化反映出熱量的多少(2)若將燒瓶中裝有水，則由Q=cmt可知：在相同質量的水和煤油中，吸收的相同的熱量時，由于水的

25、比熱容大，溫度升高的度數少，溫度計的示數變化不明顯；(3)綜合實驗過程，使用相同質量與初溫都相同的煤油，在電流和通電時間相同的前提下，乙瓶中的溫度計示數升高的快，說明乙瓶中的煤油吸收的熱量多，即乙瓶中的鎳鉻合金絲產生的熱量多；所以可得出的結論是：在電流和通電時間相同時，導體電阻越大產生的熱量越多(4)為保證通過兩個電阻的電流總是相等，電阻串聯；同時保證了它們的通電時間也相等，導體中產生的熱量就只與電阻有關了，為此采用控制變量法煤油吸熱的多少是通過溫度計示數的變化來反映的，這是采取的轉換法12在做“電流通過導體時產生的熱量與什么因素有關”的實驗時，小于采用了如圖甲所示的實驗裝置兩個透明的容器中密

26、閉了等量的空氣，U型管中液面變化反映了密閉空氣溫度的變化(1)若通電時間相同，發現B玻璃管內液面上升較高，這表明：在電流和通電時間相同的情況下，導體的越大，產生的熱量越多(2)小剛采用了如圖乙所示的實驗裝置，通電相同時間，發現A玻璃管液面上升較高，這表明：在電阻和通電時間相同的情況下，通過導體的越大，產生的熱量越多(3)該實驗中用到的研究物理問題的方法是 法和轉換法【答案】(1)電阻；(2)電流；(3)控制變量【解析】(1)將容器中的電阻絲串聯起來接到電源兩端，通過它們的電流I與通電時間t相同，左邊容器中的電阻小于右邊容器中的電阻，由Q=I2Rt可知，右邊容器中的電阻產生的熱量多，溫度升得較快

27、，這表明：在相同時間內，電流相同的情況下，電阻越大，電流通過導體時產生的熱量越多；(2)裝置中一個5的電阻與兩個5的電阻并聯后再串聯，根據串聯電路的電流特點可知，右端兩個電阻的總電流和左端的電阻電流相等，即I右=I左，兩個5的電阻并聯，根據并聯電路的電流特點知I右=I1+I2，兩電阻阻值相等，則支路中電流相等，I1=I2，所以右邊容器中的通過電阻的電流是左側通過電流的一半，由Q=I2Rt可知，左邊容器中的電阻產生的熱量多，溫度升得較快；這表明：在相同時間內，電阻相同，電流越大，通過導體時產生的熱量越多；(3)該實驗中用到的研究物理問題的方法是控制變量法和轉換法13.小明和小華同學為了探究“電流

28、通過導體產生的熱量與電阻的關系”，設計了如圖所示的實際電路，兩個燒瓶A、B中盛有等量、初溫相等的煤油，RA與RB是阻值不同的電熱絲(1)RA與RB采用串聯的方式，其目的是為了控制通電時間、 相等(2)小明同學為了比較RA與RB阻值的大小，用電壓表分別測出RA與RB兩端電壓的大小，發現UAUB，則RARB(選填“”“”或“=”)(3)在相同的時間內，可通過觀察 來比較電流通過電熱絲產生的熱量多少；為了升溫較快，試驗液體選用煤油而不選水，主要是水的比熱容比煤油 (選填“大”或“小”)(4)通過實驗，發現燒瓶B中煤油吸熱多，這表明：在電流、通電時間相同的情況下，電阻 (選填“越大”或“越小”)，產生

29、的熱量越多(5)小華想改裝此實驗裝置用來“測量煤油的比熱容的大小”，則他們應將燒瓶A中煤油換成與其(選填“質量”或“體積”)相等的水，并將電熱絲RA換成 的電熱絲測量時，水和煤油的初溫均為t0，通電一段時間后，水和煤油的末溫分別為t水、t煤油，請寫出煤油比熱容的表達式：c煤油= (已知水的比熱容為c水)小明認為這樣測量煤油的比熱容會有較大的誤差，原因主要有： (只要寫出一條即可) 【答案】(1)通過的電流；(2)；(3)溫度計示數的變化；大；(4)越大；(5)質量；與RB阻值相等；水與煤油的散熱程度不同【解析】(1)兩電阻絲串聯連接的目的是：控制兩根電阻絲的電流和通電時間相等；(2)用電壓表分

30、別測出RA與RB兩端電壓的大小，發現UAUB，因為電壓與電阻成正比，則RARB；(3)實驗中通過觀察兩支溫度計示數變化來比較電流產生的熱量的多少；根據Q=cmt可知，在液體的質量和吸收的熱量相同的情況下，液體的比熱越小，溫度升高的越快，所以選用比熱容較小的煤油來做實驗；(4)根據焦耳定律可知，在電流和通電時間相同的情況下，導體的電阻越大，產生的熱量越多；(5)要比較水和煤油的比熱容，則應讓水和煤油的質量相等、吸收的熱量(加熱時間)相等，由溫度的變化大小得出比熱容的大小關系，故用相同質量的水代替煤油；把電熱絲RA換成與RB阻值相同的電阻絲，電阻相等，在相同時間內放出的熱量相同，所以水和煤油吸收的熱量相同；因為Q水=Q煤油，所以c水m(t水t0)=c煤油m(t煤油t0)，所以煤油的比熱：c煤油=；因為水和煤油的散熱程度不同，所以這樣測量煤油的比熱容會有較大的誤差五、計算題14.如圖所示的電路中，電源兩端電壓保持不變，電阻絲R1的阻值為10當開關S閉合后，電壓表的示數為2V，電流表的示數為0.4A求：(1)通電10s電阻絲R1產生的熱量；(2)電源兩端的電壓。【答案】(1)16J；(2)6V?！窘馕觥?1)通電10s電阻絲R1產生的熱量：QI2R1t(0.4A)2