18.4焦耳定律（教學設計）年級九年級授課時間課題18.4焦耳定律教學目標1.能通過生活實例，認識電流的熱效應。2.能在實驗的基礎上引出焦耳定律，會用焦耳定律進行計算。3.通過學習電熱的利用和防止，學會辯證地看待問題。教材分析焦耳定律是初中物理學習的重要定律之一，是能量守恒定律在電能與內能之間轉化的具體體現，教材在電功、電功率之后安排焦耳定律，符合學生的認知規律。本節由“電流的熱效應”“焦耳定律”和“電熱的利用與防止”三部分組成，研究電熱與電阻、電流、通電時間的定性關系，焦耳定律的理解及應用既是教學重點又是教學難點。教學中，做好實驗及分析實驗現象是關鍵。教學器材學生電源、焦耳定律演示器一套（含有2個密閉容器、2個內裝等量液體的U形管、電阻絲）、導線、開關、滑動變阻器等。多媒體ppt，含視頻：《電流通過導體產生的熱量跟電阻的關系》、《電流通過導體產生的熱量跟電流的關系》等。教學過程教師活動學生活動導入新課【提問】①導線和電熨斗串聯，為什么電熨斗很熱而導線并不很熱？②小明的爸爸出門前囑咐他好好寫作業，不要看電視。爸爸回來時看到他在認真寫作業，電視機也沒打開，很高興，可是用手一摸電視機的后蓋就知道，小明剛看過電視。你知道他爸爸是根據什么判斷的嗎？電熨斗發的“熱”與電視機發的“熱”都是有用的嗎？通過這節課的學習，你就明白了。—《18.4焦耳定律》。學習新課一、電流的熱效應1.電流的熱效應【提問】（1）尋找以下用電器的共同特點電熱毯、電水壺、電飯煲、烤箱等。分析：這些用電器工作時都要消耗電能，都會發熱，在工作過程中，電能轉化為內能。（2）電流的熱效應電流通過導體時電能轉化成內能，這種現象叫做電流的熱效應。2.探究影響電流熱效應的因素【提出問題】電流通過導體時產生熱的多少跟什么因素有關?【猜想及其依據】（1）可能與通過導體的電流有關。因為導體在通入電流時才會發熱，所以電流通過導體時產生熱的多少跟電流有關；（2）可能與導體的電阻有關。導線和電熨斗串聯接入電路，電流是相同的，電熨斗熱的溫度高，而導線幾乎不熱，電流產生的熱可能與電阻有關。（3）可能與通電時間有關。由生活經驗可知，通電時間越長，電流產生的熱量也會越多。【設計實驗】（1）實驗裝置介紹（焦耳定律演示器）兩個透明的塑料容器內部密閉著等量的空氣；容器內部的空氣與U形管一端相連通。兩個容器中各有一段電阻絲，兩個容器里的電阻絲串聯在一起接入電路。（2）實驗原理如圖所示，兩個透明容器中密封著空氣，U形管中液面高度的變化反映密閉空氣的體積變化。同時使用兩個密閉容器時，哪一側U型管中液柱出現的高度差大，表明哪一側的電阻絲產生的熱量多。圖中，因為Δh右＞Δh左，所以電流通過右側的電阻絲產生的熱量多。（3）研究方法①控制變量法：在探究電流通過導體產生熱的多少跟電流、電阻、通電時間的關系時，每次實驗應該控制兩個物理量不變。②轉換法：實驗中通過觀察U形管液面的高度差來比較電流產生熱量的多少，這種研究方法叫轉換法。（4）實驗器材學生電源、焦耳定律演示器、電流表、滑動變阻器等。為了進行多次實驗，需要改變通過兩個電阻絲的電流，所以在電路中串聯一個滑動變阻器，通過移動滑片改變電流。（5）實驗記錄表實驗次數實驗次數電流關系電阻大小/Ω通電時間關系U形管液面高度差⊿h左右左右左右左右1相等510相等2大小相等相等【進行實驗】（1）探究電流通過導體產生的熱量跟電阻的關系如圖所示，將兩根阻值不等的電阻絲串聯接入電路。閉合開關，通電一段時間后，觀察U形管液面高度差的變化。（2）探究電流通過導體產生的熱量跟電流的關系在右方密封盒外并聯一個5Ω的電阻R3，目的是改變通過盒內電阻的電流大小，由于R3的分流作用，因此通過兩個容器中電阻的電流不同：I1=2I2。從而研究電流通過導體產生的熱量跟電流的關系。閉合開關，通電一段時間后，觀察U形管液面高度差的變化。（3）探究電流通過導體產生的熱量跟時間的關系閉合開關，通電一段時間后，觀察同一個密封盒內U形管液面高度差的變化大小。【收集證據】甲甲乙【分析論證】（1）分析實驗步驟（1）可發現：在電流和通電時間相等的情況下，電阻越大，電流產生的熱量越多。（2）分析步驟（2）可發現：在電阻和通電時間相等的情況下，電流越大，電流產生的熱量越多。（3）分析步驟（3）可知，在電流和電阻相等的情況下，通電時間越長，電流產生的熱量越多。歸納實驗結論（1）在電流相同、通電時間相同的情況下，電阻越大，這個電阻產生的熱量越多。（2）在電阻相同、通電時間相同的情況下，通過一個電阻的電流越大，這個電阻產生的熱量越多。（3）在電流相同、電阻相同的情況下，通電時間越長，這個電阻產生的熱量越多。【播放視頻】——《電流通過導體產生的熱量跟電阻、電流的關系》【交流討論】實驗結束后，小紅說她在一本書上看到用如圖所示的裝置也可以探究電流通過導體產生的熱量跟哪些因素有關。請你對該裝置進行評價。【評價】該裝置中，兩個相同的燒瓶盛有質量相同、溫度相同的同種液體；燒瓶內插有溫度計，可以測量液體的溫度。燒瓶內部有兩個阻值不同的電阻絲，組成串聯電路接入電路中。通過比較燒瓶內液體的溫度可以探究影響電流通過導體產生熱量的因素。（1）當電阻絲通電后，電流產生熱量使煤油溫度升高，從而使溫度計示數上升，因此根據溫度計示數的變化可知電流產生熱量的多少。（2）甲圖中R1、R2兩電阻串聯，通過兩電阻的電流相等，但兩電阻的阻值不同，所以可探究電流產生熱量的多少與電阻的關系。（3）乙圖中R1、R2兩電阻并聯，甲、乙兩裝置中，電源電壓相同，乙圖中電阻R1兩端的電壓大于甲圖中電阻R1兩端的電壓，則乙實驗裝置中通過電阻R1的電流大。所以由a、c（或b、d）可以探究電流通過導體產生的熱量與電流的關系。【例題1】如圖所示，在研究電熱與哪些因素有關的驗中，同學們猜想電熱可能與電流大小、電阻大小以及通電時間長短有關。（1）左側密閉容器內電阻絲阻值為5Ω，右側密閉容器外部，將一個阻值為5Ω的電阻與這個容器內的電阻絲并聯，目的是使通過左右兩密閉容器內電阻絲的______不同，右側容器內電阻絲的阻值應為______Ω，才能符合實驗研究的要求；（2）本實驗是研究電流的____效應；實驗中通過U形管中液面的高度差反映密閉空氣溫度的變化，左側U形管中液面高度差大于右側U形管中液面高度差，說明：______。【答案】（1）電流，5；（2）熱，見解析.【解析】（1）右側密閉容器內外兩段電阻絲并聯，左側電阻絲在干路上，根據并聯電路電流特點可知，通過左側密閉容器內電阻絲的電流大于右側密閉容器內電阻絲的電流，即二者電流大小不相同；兩密閉容器內電阻絲的電流不同，目的是探究電熱與電流的關系，要控制兩電阻絲的阻值相同，左側容器內電阻絲阻值為5Ω，那么右側容器內電阻絲的阻值應為5Ω，才能符合實驗研究的要求。（2）電流通過電阻絲時，電能轉化為內能，這種現象叫電流的熱效應。實驗中通過U形管中液面的高度差反映密閉空氣溫度的變化，高度差越大，說明電阻絲產生熱量越多。左側U形管中液面高度差大于右側U形管中液面高度差，說明左側電阻絲產生的熱量大于右側電阻絲產生的熱量，可以得出結論：當電阻和通電時間一定時，電流越大，產生的熱量越多。了解焦耳定律演示器的組成及原理。知道探究方法。特別是轉換法的應用。設計出實驗電路。了解記錄表格。觀看演示實驗，收集證據。學習新課1.焦耳定律英國物理學家焦耳用近40年的時間做了400多次實驗，發現了電流通過導體產生的熱量跟導體電阻、通過導體的電流及通電時間之間的關系，即焦耳定律。（1）內容：電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。（2）公式：Q=I2Rt

（3）公式中Q=I2Rt各量及其單位：I表示電流，單位是安培（A）R表示電阻，單位是歐姆（Ω）t表示時間，單位是秒（s）Q表示熱量，單位是焦耳（J）1焦耳=1安2×1歐×1秒2.推導焦耳定律

若電流做的功全部用來產生熱量，即Q=W

因為電功W=Uit，

根據歐姆定律U=IR所以Q=W=UIt=I2Rt可見，在消耗的電能全部用來產生熱量時，根據電功公式和歐姆定律推導出的結論與焦耳定律一致。3.電功與電熱（1）電功與電熱的區別電功是指電流通過一段電路所做的功，它的大小表示電路消耗電能的多少，或表示有多少電能轉化為其他形式的能。電熱是指電流通過一段電路做功時，電能轉化為內能的那一部分。兩者表示的意義不同，是兩個不同的概念。（2）電功與電熱的聯系①純電阻電路（如電爐、電熱器、電熨斗等電路）該類電路中，電流通過用電器時，電能全部轉化為內能，電流產生的熱量就等于電流做的功（消耗的電能），即Q=WQ放=W總=Pt=UIt=U2t/R=I2Rt上述公式適用于純電阻電路。②非純電阻電路在該類電路中，當電流通過用電器時，電能主要轉化為其它形式的能量，只有一部分轉化為內能。此時電能=內能+機械能，所以內能＜電能。例如，當電扇工作時，消耗的電能主要轉化為電機的機械能，有少部分轉化為內能發熱。W總＝UIt=W機械能＋Q熱量4.電功、電功率、焦耳定律計算公式及其適用范圍電功電功電功率焦耳定律適用條件基本公式W=UItP=UIQ=I2Rt普遍適用推導公式W=U2Rt=IP=U2R=IQ=U2純電阻電路Q=W5.想想議議（1）你現在明白了嗎？電爐絲通電時，為什么電爐絲熱得發紅，而導線卻幾乎不發熱？【分析】因為電爐絲與導線串聯，電流與通電時間相等，但是電爐絲的電阻遠大于電線的電阻，根據焦耳定律Q=I2Rt可知，在相同時間內，電爐絲產生的熱量遠大于導線產生的熱量，所以電爐絲熱得發紅，而導線卻幾乎不發熱。（2）額定電壓相同的燈泡，額定功率越大，電阻越小，正常工作時單位時間內產生的熱量越多。可是按照焦耳定律，電阻越大，單位時間內產生的熱量越多。二者似乎有矛盾，這是怎么回事?【分析】第一種說法，在通電時間和電壓相同的情況下，根據Q=U2t/R可知，電阻越小，產生的熱量越多；第二種說法，在通電時間和電流相同的情況下，根據Q=I2Rt可知，電阻越大，產生的熱量越多。兩種說法在各自前提下都是正確的，所以二者不矛盾。【例題2】一根60Ω的電阻絲接在36V的電源兩端，在5min內共產生多少熱量？【解析】先利用歐姆定律計算出通過電阻絲的電流。I=U/R=36V/60Ω=0.6A再用焦耳定律公式計算電流產生的熱量：Q=I2Rt=(0.6A)2×60?×5×60s=6480J【例題3】將規格都是“220V100W”的一臺電風扇和一床電熱毯，接入家庭電路中，通電時間相同，下列說法正確的是（B）A.電風扇產生的熱量多B.電熱毯產生的熱量多C.二者產生的熱量一樣多

D.無法比較二者產生的熱量【解析】接在家庭電路中，電壓U=220V，二個用電器的實際功率：P實=P額=100W相同；電風扇工作時，主要把電能轉化為機械能，產生的熱量很小；電熱毯工作時電熱絲把電能全部轉化為內能，所以產生熱量最多的是電熱毯。故選B。【例題4】某電動機上標有“220V2A”，它的線圈電阻為5?，當它正常工作1min后，消耗的電能為多少？線圈中產生的熱量為多少？如沒有其他能量的損失，則得到多少的機械能？【解析】消耗的電能為：W總=UIt=220V×2A×60s=26400J線圈中產生的熱量為：Q=I2Rt=(2A)2×5?×60s=120J得到的機械能為：W機=W總－Q=26400J－120J=25200J掌握焦耳定律的內容、公式及其單位。會推導出焦耳定律。分析找出電功與電熱的區別與聯系。知道電功、電功率、焦耳定律的基本公式與推導公式及其適用范圍。進行討論并回答引入新課時所提問題。對于問題（2），要明確是條件不同。做例題2，會用焦耳定律計算有關問題。做例題3與4，辨別電功與電熱。學習新課1.電熱的利用電流通過導體時，使導體只發熱的用電器是利用了電流的熱效應，這類用電器稱為電熱器，而電熱器的主要部分是發熱體。電熱器的優點:清潔衛生，沒有環境污染，熱效率高，還可以方便地控制和調節溫度。2.電熱的防止電流的熱量有時是有害的，應該及時解決。（1）例如我們的電腦在工作時，電路元件發熱，溫度升高，會影響到電腦的穩定性，甚至燒壞電腦CPU。人們常常采用安裝散熱窗、使用微型風扇等方法及時散熱。（2）電視機散熱方法：在后蓋開有很多孔，為了通風散熱。（3）投影儀的散熱方法：除在側壁開孔外，內部還裝有電風扇，工作時電風扇轉動把熱量吹到機器外面，可以降低燈泡、機器內部元件的溫度。【例題5】電流具有熱效應，學習了電流的熱效應后，關于電熱的下列幾個說法錯誤的是（A）A．電熱會燒毀電器元件，引發火災，有百害而無一利B．電流通過任何用電器都或多或少地會產生熱量C．因為電流過大產生電熱而燒壞局部電路，可用于整體電路的保護D．為防止電熱帶來的危害，要盡量減少電熱的產生并考慮如何加快散熱【解析】A.電流的熱效應有不利的因素，如電熱會燒毀電器元器件，引發火災。但在我們生活中和許多產業中都要用到電熱．如家里的電飯鍋、電熨斗，養雞場的電熱孵化器等都是利用電熱的，故選項A錯誤；B.任何用電器中都有導線，導線都有電阻，當電流經過電阻時，就會產生熱量，所以選項B的說法是正確的；C.保險絲是用電阻率大而熔點低的材料制成的，當電流過大時，它由于溫度升高而熔斷，切斷電路，起保護作用，所以選項C正確；D.為防止電熱帶來的危害，要盡量減少電熱的產生并考慮如何加快散熱，目的是為了防止由于溫度過高而損壞用電器，選項D正確．故選A.列舉生活中利用電熱的實例。列舉生活中防止有害電熱的實例。做例題5，進一步了解電熱的防止。課堂練習課堂練習1．將電能輸送到幾百千米之外的用戶，在輸電線上會有能量的損耗，這主要是由于電流的______效應引起的。某段輸電線路的總電阻為0.5Ω，輸送電流為100A，每輸電1min，這段線路便會損耗______J的電能。【答案】熱，3×105.【解析】由于輸電線有電阻，電流通過導體一部分電能轉化為內能，造成電能的損耗，這種現象叫電流的熱效應。根據焦耳定律可得，這段電路損耗的電能為Q=I2Rt=（100A）2×0.5?×1×60s=3×105J2．如圖是探究電流通過導體時產生熱量的多少跟什么因素有關的實驗裝置，兩個透明容器中密封著等量的空氣，U形管中液面的高度的變化反應密閉空氣溫度的變化，下列說法正確的是（）A．該實驗裝置是為了探究導體產生的熱量與電阻的關系B．將左邊容器中的電阻絲換成10Ω的電阻絲后，就可以探究電流產生的熱量與電阻的關系C．通電一段時間后，左側U形管中液面的高度差比右側的大D．該實驗裝置是利用U形管中液體的熱脹冷縮來反映電阻絲放出熱量的多少的【答案】C。【解析】A．圖中容器中的電阻阻值相同，通過兩個電阻的電流不同，所以該實驗裝置是為了探究導體產生的熱量與電流的關系，故A錯誤；B．將左邊容器中的電阻絲換成10Ω的電阻絲后，則兩個容器中的電阻阻值不同，通過兩個電阻的電流也不同，所以不能探究電流產生的熱量與電阻的關系，故B錯誤；C．圖中容器中的電阻阻值相同，通過左邊容器中電阻的電流大于通過右邊容器中電阻的電流，由Q=I2Rt可知，通電一段時間后，左邊容器中電阻產生的熱量大于右邊容器中電阻產生的熱量，所以左側U形管中液面的高度差比右側的大，故C正確；D．該實驗裝置中U形管中液體的的高度差反映電阻絲放出熱量的多少的，故D錯誤。所以選C.3．某同學用如圖甲所示的實驗裝置探究電流通過導體產生的熱量與哪些因素有關，兩個透明容器中封閉著等量的空氣。（1）實驗中通過觀察_____________來比較電流通過導體所產生熱量的多少；（2）采用圖乙中的實驗裝置探究“電流產生的熱量跟電流是否有關”時，右邊透明容器中應該選用阻值為____Ω的電爐絲；（3）電爐絲通過導線接到電路里，電爐絲熱得發紅，而導線幾乎不發熱的現象可以用圖_____（填“甲”或“乙”）的實驗結論來解釋。【答案】（1）U形管兩液面高度差；（2）5；（3）甲。【解析】（1）電流通過電阻絲產生的熱量的多少不能直接看出來。可以觀察兩個U形管中液面的高度差，液面的高度差越大，說明空氣體積膨脹的越多，吸收的熱量越多，電阻產生的熱量越多。因此實驗中通過觀察U形管液面高度差來比較電流通過導體所產生熱量的多少。（2）探究“電流產生的熱量跟電流是否有關”時，應控制電阻、通電時間相同，電流不同，故右邊透明容器中應選用阻值為5Ω的電阻絲。（3）圖甲中的實驗結論為電流產生的熱量的多少與電阻大小有關，電流、通電時間相同時，電阻越大，產生的熱量越多。電爐絲通過導線連接到電路里，電阻絲與導線串聯，電流是相同的，電阻絲的電阻比導線的電阻大，所以電阻絲產生熱量多發紅，導線產生熱量少不發熱。4．在探究電流通過導體產生的熱量與電流的關系的實驗中，實驗器材如圖所示。請：①選擇合適的電阻，并標在虛線方框內；（供選擇電阻：R1=5Ω，R2=10Ω，R3=10Ω）②用筆畫線代替導線補充完整電路的連接。【答案】右圖.【解析】探究電流通過導體產生的熱量與電流的關系，根據控制變量法可知：需要控制電流不同，電阻相同，通過比較相同阻值的電阻產生熱量的多少來進行實驗，故參與比較的電阻的阻值應該相等，通過R1和R3并聯，以此來改變通過R3的電流大小，實驗圖如下。5.一只電烙鐵的額定電壓是220V，在額定電壓下工作時的電阻是1210Ω，求：（1）電烙鐵的額定功率有多大？（2）電烙鐵在額定電壓下通電10min產生多少熱量？（3）當實際電壓只有額定電壓的80%時，電烙鐵的電阻保持不變，此時電烙鐵的實際功率是多少？【解析】（1）電烙鐵的額定功率P=UI=U2R

（2）電烙鐵在額定電壓下通電10min產生的熱量Q=W=Pt=40W×10×60s=2.4×104J（3）實際電壓U實=80%U=80%×220V=176V電烙鐵的實際功率P實=U實2R6.