1.6 电流的热效应
[学习目标定位] 1.知道电流热效应的决定因素，学习用实验方法研究导体通电时发热的规律.2.理解焦耳定律的内容，并能用焦耳定律解决一些实际问题．
一、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、导体的电阻、通电时间成正比．这个规律叫做焦耳定律．
2．公式：如果用Q表示热量，用I表示电流、R表示导体的电阻，t表示通电的时间，焦耳定律可以用Q＝I2Rt表示．
二、热功率
1．定义：在物理学中，把电热器在单位时间消耗的电能叫做热功率．如果一个电暖器在时间t内产生的热量为Q，那么，它的热功率为P＝＝I2R.
2．单位：在国际单位制中，热功率的单位是瓦特，简称瓦，符号是W.
三、白炽灯
1．白炽灯的工作原理是利用电流的热效应，使通电的金属丝温度升高，达到白热，从而发光．
2．以美国发明家爱迪生和英国化学家斯旺为代表的一批发明家，发明和改进了电灯.
一、电阻和电流的热效应
[问题设计]
阅读教材，思考并回答下列问题：
1．教材在研究电阻与电流的热效应关系时采用了先猜想后实验的研究方法，在实验中研究影响热效应的几个因素时，应用了什么研究方法？
2．安装在电路中的保险丝是根据什么原理设计的，它的作用是什么？
答案 1.控制变量法.2.电流的热效应，保护电路．
[要点提炼]
1．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、导体的电阻、通电时间成正比．即Q＝I2Rt.
(2)应用：根据电流的热效应制成各种电热器，如电热水器、电熨斗、电热毯等．
2．电功率：单位时间内电流所做的功叫做电功率．公式：P＝W/t＝IU，单位：瓦(W)．
3．热功率：电热器在单位时间内消耗的电能叫做热功率．公式：P＝Q/t＝I2R.
(1)电动机：电能主要转化为机械能，少部分转化为内能，电功率大于(填“大于”、“等于”或“小于”)热功率．
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(2)电热器：电能全部转化为内能，电功率等于热功率．
各种电热器上都有铭牌，上面标明的额定功率就是它的热功率．
4．额定功率是指用电器正常工作时的功率，这时加在用电器两端的电压叫额定电压，通过用电器的电流叫额定电流．
二、电功和电热的关系
[问题设计]
有的用电器消耗电能直接转化为内能，有的用电器消耗电能大部分转化为机械能，部分转化为内能．怎样理解纯电阻和非纯电阻电路？
答案 所谓纯电阻电路，就是电路消耗的电能全部转化为内能的电路，则有：W＝Q，即有IUt＝I2Rt，进而得出U＝IR.所以欧姆定律适用于纯电阻电路．计算该电路消耗电能的公式和计算在相同时间内产生热量的公式是相同的，可为：W＝UIt＝I2Rt＝t.同理可得，电功率和热功率关系为：P＝UI＝I2R＝.
所谓非纯电阻电路，就是电路消耗的电能只有一部分转化为内能，另一部分转化为其他形式的能，则有：W>Q.即有UIt>I2Rt，进而得出：U>IR，所以欧姆定律不适用于非纯电阻电路．所以计算该电路消耗电能的公式只能用W＝UIt；计算在相同时间内产生热量的公式只能用W＝I2Rt.而公式W＝UIt＝t不再成立．
[要点提炼]
1．从能量转化的角度来看电功与电热的关系：(1)纯电阻电路把消耗的电能全部转化成了内能；(2)非纯电阻电路把消耗的电能一部分转化成了内能，另一部分转化为其他形式的能．
2．公式适用的范围
(1)在计算消耗的电能、电功及电功率时，E＝W＝UIt，P＝UI对所有的用电器都适用；
(2)在计算产生的电热和热功率时，Q＝I2Rt，P＝I2R对所有的用电器都适用；
(3)只有纯电阻电路Q＝W，这些公式才通用；对非纯电阻电路W>Q，这些公式不能通用；欧姆定律只适用于纯电阻电路．
[延伸思考]
你能说明电风扇在工作时的能量转化情况吗？
答案 电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能．
三、白炽灯和节约用电
[要点提炼]
1．白炽灯
(1)原理：利用电流的热效应，使通电的灯丝温度升高，达到白热，从而发光，这就是白炽灯的发光原理．
(2)能量转化：白炽灯工作时，电能先转化为内能，一部分内能再转化为光能．
2．节约用电的途径
(1)家电不要待机；
(2)换用节能灯．
一、焦耳定律
例1 通过电阻R的电流为I时，在时间t内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流为
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时，则在时间t内产生的热量为( )
A．4Q B．2Q C. D.
解析 由功率公式P＝I2R，则Q＝I2Rt，Q′＝()2(2R)t＝t，所以Q′＝，只有选项C正确．
答案 C
针对训练 一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同的时间内( )
A．电炉放热和电动机放热相等
B．电炉两端的电压大于电动机两端的电压
C．电炉两端的电压等于电动机两端的电压
D．电动机消耗的功率大于电炉的功率
答案 AD
解析 由于电炉与电动机的电阻相等，电流也相等，由Q＝I2Rt得，相同的时间内放热相等，选项A正确；由于电动机消耗的电能有一部分要对外做功，所以电动机消耗的功率大于电炉的功率，由P机＝U机I，P炉＝U炉I知，U机I>U炉I，所以电动机两端的电压大于电炉两端的电压，因此选项B、C错误，选项D正确．
二、电功和电热
例2 下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是( )
A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多
B．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝t只适用于纯电阻电路
C．在非纯电阻电路中，UI>I2R
D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路
解析 电功率公式P＝，功率越大，表示电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝，焦耳热Q＝()2Rt，可见Q与P、U、t都有关，所以P越大，Q不一定越大，A错；W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路．而I＝只适用于纯电阻电路，则W＝I2Rt＝t也只适用于纯电阻电路，B正确；在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C正确；Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D正确．
答案 BCD
针对训练 一台直流电动机的额定电压为U，额定功率为P，电动机内电枢导线的电阻为R，那么它正常工作时的电流是( )
A．等于U/R B．等于P/U
C．大于U/R D．大于P/U
答案 B
解析 由于电动机电路不是纯电阻电路，U>IR，所以选项A、C不正确．电动机的额定功率P是电动机的输出功率P＝IU，所以I＝，故选项D不正确，选项B是正确的.
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1．(对电流热效应的理解)下列用电器的工作原理是利用电流的热效应的是( )
A．电烙铁 B．电炉子
C．电磁炉 D．微波炉
答案 AB
解析 电烙铁、电炉子是电流通过电热丝而发热，是利用了电流的热效应，故A、B正确；电磁炉是利用交变电流产生交变的磁场，从而在锅体中产生涡流而发热；微波炉的工作原理是电流在微波管中产生了电磁波(微波)，微波使水分子高速振荡而加热食物，所以C、D项错．
2．(焦耳定律的理解)为了使电炉消耗的电功率减小到原来的一半，应采取下列哪些措施( )
A．保持电阻不变，使电流减半
B．保持电阻不变，使电压减半
C．保持电炉两端电压不变，使其电阻减半
D．使电压和电阻各减半
答案 D
解析 电阻一定时，使电流减半，由P＝I2R知，电功率减为原来的，可见A项错；同理，使电压减半，由P＝知，电功率也减为原来的，故B项错；当电压不变，电阻减半时，由P＝知，电功率变为原来的2倍，可见C项错；由P＝知，当U和R各减半时，电功率变为原来的，可见D项正确．
3．(电功和电热的关系)有一只小型直流电动机和一只白炽灯，它们的铭牌上都标有“220 V 40 W”的字样，现将它们并联接在电源电压为220 V直流电路中，当电路接通后( )
A．在相同的时间内发出的热量相同
B．在相同的时间内消耗的电能相同
C．对它们来说IU＝I2R都是成立的
D．对电动机来说IU＝U2/R不成立
答案 BD
4．(焦耳定律的应用)一电热壶工作状态下电热丝电阻为44 Ω，通过电流为5 A，要使3升水由20 ℃升温到100 ℃，需多少时间？(已知电热壶工作时的效率为80%，水的比热为4.2×103 J/kg·℃，水的密度为1×103 kg/m3)
答案 19 min
解析 设所用时间为t，则有I2Rt·80%＝cmΔt＝cρVΔt
故t＝cρVΔt/(I2R·80%)
＝ s
＝1 145 s≈19 min.
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