焦耳定律+電路中的能量轉(zhuǎn)化+講義 高二上學(xué)期物理教科版（2019）必修第三冊

《焦耳定律電路中的能量轉(zhuǎn)化》講義同學(xué)們好，今天咱們要學(xué)習(xí)高中教科版（2019）必修第三冊第二章里的焦耳定律，這可是和電路中的能量轉(zhuǎn)化有關(guān)的重要知識呢。咱們先來講個故事吧。我有個朋友小李，他特別喜歡擺弄電器。有一次，他買了一個電暖器，想在冬天的時候讓自己的小房間暖和暖和。這個電暖器插上電之后啊，沒一會兒房間就暖和起來了，但是他發(fā)現(xiàn)電暖器的電線有點(diǎn)發(fā)燙。他就覺得很奇怪，這電線怎么會發(fā)燙呢？這其實(shí)就和咱們今天要學(xué)的焦耳定律有關(guān)系。一、電路中的能量轉(zhuǎn)化1、電能的來源大家都知道，我們生活中的電大多是從發(fā)電廠來的。發(fā)電廠通過各種方式，像火力發(fā)電用煤燃燒產(chǎn)生熱量，把水變成蒸汽推動發(fā)電機(jī)；水力發(fā)電就是利用水的落差產(chǎn)生的能量推動發(fā)電機(jī)；還有風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)一吹，那些大風(fēng)車似的風(fēng)機(jī)一轉(zhuǎn)，就產(chǎn)生電了。這些電能通過電線就傳輸?shù)轿覀兗依锢?。那電能到了我們家里的電路里會發(fā)生什么呢？它可不會就這么閑著，它會在電路里進(jìn)行轉(zhuǎn)化。比如說，像小李的電暖器，電能就轉(zhuǎn)化成了熱能，讓房間暖和起來。那像我們的電燈呢，電能就轉(zhuǎn)化成了光能，讓我們能看見東西。2、能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)在電路里，能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)其實(shí)就是電荷在電路中移動的時候，電場力在做功。這個有點(diǎn)抽象哈，咱們可以想象成一群小電荷在電路里奔跑，它們在電場力的推動下，從一個地方跑到另一個地方，這個過程中就發(fā)生了能量的轉(zhuǎn)化。就好比我們跑步的時候，我們用力向前跑，這個過程中我們的身體就消耗能量，把身體里儲存的能量轉(zhuǎn)化成了動能。電荷在電路里跑的時候也是這樣，它們帶著電能，在電路元件里就把電能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量。二、焦耳定律1、焦耳定律的內(nèi)容那焦耳定律到底是個啥呢？焦耳定律說的是電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量（也就是電能轉(zhuǎn)化成熱能的多少），跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時間成正比。用公式表示就是Q＝I2Rt。這里的Q就是熱量，單位是焦耳（J）；I是電流，單位是安培（A）；R是電阻，單位是歐姆（Ω）；t是時間，單位是秒（s）。咱們再回頭看看小李的電暖器。電暖器的電阻比較大，電流通過的時候，根據(jù)焦耳定律，就會產(chǎn)生很多熱量。那為什么電線也會發(fā)燙呢？電線也是有電阻的，雖然電阻比較小，但是當(dāng)電流通過的時候，也會產(chǎn)生熱量。如果電流太大或者電線的電阻比較大，產(chǎn)生的熱量就會讓電線發(fā)燙。這就像我們跑步的時候，如果我們跑得太快（類比電流大）或者道路比較崎嶇（類比電阻大），那我們身體消耗能量產(chǎn)生的熱量就會很多，我們就會感覺很熱。2、焦耳定律的推導(dǎo)咱們來簡單推導(dǎo)一下焦耳定律。根據(jù)歐姆定律，我們知道I＝U／R（U是電壓），那么U＝IR。我們還知道電功W＝UIt，把U＝IR代入進(jìn)去，就得到W＝I2Rt。在純電阻電路里，電能全部轉(zhuǎn)化成熱能，所以Q＝W，這樣就得到了焦耳定律Q＝I2Rt。這個推導(dǎo)過程有點(diǎn)像我們玩搭積木，我們從已經(jīng)知道的歐姆定律這個小積木塊，和電功的這個積木塊，搭出了焦耳定律這個新的積木塊。3、焦耳定律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了證明焦耳定律是正確的，科學(xué)家們做了很多實(shí)驗(yàn)。我們也可以做一個簡單的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下。我們可以找一個電阻絲，把它接到電路里，再在電路里串聯(lián)一個電流表來測量電流，并聯(lián)一個電壓表來測量電壓，然后再找一個秒表來計(jì)時。當(dāng)電路接通之后，電流就會通過電阻絲，電阻絲就會發(fā)熱。我們可以用溫度計(jì)測量電阻絲的溫度變化，根據(jù)比熱容的知識，算出電阻絲吸收的熱量。我們改變電流的大?。梢酝ㄟ^改變電源電壓或者串聯(lián)電阻的方式），再重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)。我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流增大的時候，電阻絲產(chǎn)生的熱量明顯增多，而且和電流的二次方成正比關(guān)系。同樣的，我們改變電阻絲的電阻（換不同阻值的電阻絲）和通電時間，也能得到和焦耳定律一致的結(jié)果。這就好比我們做一個做飯的實(shí)驗(yàn)，我們改變放米的量（類比電流）、鍋的大?。惐入娮瑁┖椭箫埖臅r間，來看看煮出來的飯（類比產(chǎn)生的熱量）有什么變化，最后發(fā)現(xiàn)和我們預(yù)想的規(guī)律是一樣的。三、焦耳定律在生活中的應(yīng)用1、電熱器電熱器可是我們生活中常見的東西，像電暖器、電熱水器、電飯鍋這些都是電熱器。它們的工作原理就是焦耳定律。比如說電飯鍋吧。電飯鍋里面有一個發(fā)熱盤，這個發(fā)熱盤的電阻比較大。當(dāng)我們把電飯鍋接通電源，電流通過發(fā)熱盤的時候，根據(jù)焦耳定律，就會產(chǎn)生大量的熱量。這些熱量就可以把鍋里的米飯煮熟。而且電飯鍋還有一個溫控裝置，當(dāng)米飯煮熟了，溫度達(dá)到一定程度的時候，它就會自動斷電，這樣就不會讓米飯燒焦了。這就像一個小管家，看著火候，到時候就關(guān)火。2、防止電熱的危害雖然焦耳定律讓我們有了電熱器這么方便的東西，但是電熱也有危害的。像我們前面說的小李的電暖器電線發(fā)燙，如果電線一直這么發(fā)燙，就可能會引發(fā)火災(zāi)。所以我們要防止電熱的危害。在電路設(shè)計(jì)的時候，我們要根據(jù)用電器的功率來選擇合適粗細(xì)的電線。功率大的用電器，電流就大，如果電線太細(xì)（電阻大），根據(jù)焦耳定律，產(chǎn)生的熱量就多，就容易出問題。這就好比我們要給大力士（大功率用電器）選一個合適的扁擔(dān)（電線），如果扁擔(dān)太細(xì)，大力士一用力（電流通過），扁擔(dān)就可能會斷（電線發(fā)燙甚至引發(fā)火災(zāi)）。還有像電腦里面的CPU，它工作的時候會產(chǎn)生很多熱量，如果不及時散熱，電腦就會死機(jī)甚至損壞。所以電腦里面有散熱器，把CPU產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去。這就像我們?nèi)嗽谶\(yùn)動的時候會出汗，汗水蒸發(fā)就會帶走熱量，讓我們的身體保持正常的溫度。3、焦耳定律在其他方面的應(yīng)用除了在電熱器和防止電熱危害方面，焦耳定律在其他方面也有應(yīng)用。比如說，在工業(yè)上，有些金屬的加工需要對金屬進(jìn)行加熱。我們就可以利用焦耳定律，通過電流通過金屬產(chǎn)生熱量來加熱金屬。這就比傳統(tǒng)的用火加熱要方便和精確得多。還有在一些科學(xué)研究中，我們要測量一些材料的電阻隨溫度的變化關(guān)系。我們可以給材料通上電流，根據(jù)焦耳定律產(chǎn)生熱量讓材料溫度升高，同時測量材料的電阻變化，這樣就能得到我們想要的數(shù)據(jù)。四、課程重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn)（1）焦耳定律的內(nèi)容、公式和理解。這是這節(jié)課的核心知識，同學(xué)們一定要記住公式Q＝I2Rt，并且要理解這個公式里每個量的含義，以及它們之間的關(guān)系。（2）焦耳定律在生活中的應(yīng)用。我們學(xué)習(xí)知識可不是為了考試，而是要能在生活中運(yùn)用。所以同學(xué)們要知道電熱器是怎么工作的，以及如何防止電熱的危害。2、難點(diǎn)（1）焦耳定律的推導(dǎo)。對于一些同學(xué)來說，從歐姆定律和電功公式推導(dǎo)出焦耳定律可能有點(diǎn)困難。這就需要同學(xué)們把前面學(xué)的知識掌握好，一步一步來推導(dǎo)。就像我們走樓梯，要一步一個腳印，不能著急。（2）理解焦耳定律中各個物理量之間的定量關(guān)系。尤其是電流的二次方這個關(guān)系，可能有點(diǎn)不好理解。同學(xué)們可以多做一些實(shí)驗(yàn)或者做一些練習(xí)題來加深理解。同學(xué)們，今天我們