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专题 15 焦耳定律实验
【知识储备】
1. 电流产生的热量与电阻
的关系
如图 1 所示，两个透明容器
中密封着等量的空气，
U 形管中液面高度的变
化反映密闭空气温度的
变化。两个密闭容器中
都有一段电阻丝，右边容器中的电阻比较大。两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过
两段电阻丝的电流相同。通电一定时间后，比较两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象
说明了什么?
[实验结论]在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。
2. 电流产生的热量与电流大小的关系
如图2所示，两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器的外部,将一个电阻和这个容器内的电
阻并联因此通过两容器中电阻的电流不同。在通电时间相同的情况下，观察两个T形管中液面
高度的变化。你看到的现象说明了什么?
[实验结论]在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量
越多
【专题突破】
1．如图是探究“电流通过导体时产生热量与哪些因素有关”的实验装置，两个透明容器中密封着
等量的空气。同学猜想电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间有关。（1）实验中，要比较电阻丝产生的热量的多少，只需比较与之相连的 U形管中液面的高度差。
理由是 电阻丝产生的热量越多，空气的温度越高，空气膨胀程度越大， U 形管中液面的高度
差越大 。
（2）甲装置可探究电流产生的热量与电阻的关系，通电一段时间后，右侧容器中 U形管中液面
的高度差比左侧的大，说明电流通过导体产生的热量多少跟电阻 有关 。
（3）乙装置中的电阻R 的作用主要是 使通过 R 、 R 的电流不同 。实验结果发现左侧U形
3 1 2
管中液面的高度差更大。
（4）按图乙所示，实验过程中发现通电一段时间后，右侧U形管液面没有变化，排除了装置漏
气的可能，电路的故障可能是： R 短路或断路 。
2
（5）请设计探究“电流通过导体时产生热量与电流关系”的实验记录表格。
【解答】解：（1）电阻丝产生的热量无法直接观察到，电阻丝产生的热量越多，空气的温度越
高，空气膨胀程度越大，U形管中液面的高度差越大，所以实验中可以通过比较 U形管中液面
的高度差来反映电阻丝产生的热量的多少，这是采用了转换法的研究方法；
（2）甲装置中，左右两侧容器中的电阻丝串联，通过的电流和通电时间相同，而电阻不同，右
侧容器中U形管中液面的高度差比左侧的大，这说明右侧电阻产生的热量多，由此可知，电流
通过导体产生的热量多少跟电阻有关；
（3）乙装置中，右侧容器中的电阻与外面的电阻并联后，再与左侧容器中的电阻串联，两容器
中的电阻和通电时间相同，而通过两容器中电阻的电流不同，因此乙装置中的电阻R 的作用主
3
要是使通过R 、R 的电流不同；
1 2
（4）通电后，图乙中出现右侧U形管液面高度几乎无变化，说明右侧容器内电阻没有产生热量，
由Q＝I2Rt可知，电阻的阻值和通电时间不会为0，说明电阻R 中没有电流通过，因此电路故障
2
可能为R 短路或断路；
2
（5）探究“电流通过导体时产生热量与电流关系”的实验时，需要控制电阻、通电时间相同，
电流不同，实验表格如下所示：实验次数 左侧容器 右侧容器 通电时间 通过R 的 通过R 的 左侧U形 右侧U形
1 2
内电阻的 内电阻的 t/min 电流I /A 电流I /A 管液面的 管液面的
1 2
阻值R / 阻值R / 高度差 高度差
1 2
h /cm h /cm
1 2
Ω Ω
1
2
3
故答案为：（1）电阻丝产生的热量越多，空气的温度越高，空气膨胀程度越大，U形管中液面
的高度差越大；（2）有关；（3）使通过R 、R 的电流不同；（4）R 短路或断路；（5）见解
1 2 2
析。
2．如图所示为“探究电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关”实验的部分装置，两个相同的
透明容器中封闭着等量的空气。
（1）实验中通过观察 U 形管内的液面高度差 的变化来反映电阻产生热量的多少。
（2）连接好电路后闭合开关，通电一段时间，观察到右侧液面高于左侧液面，如图甲所示，表
明在电流和通电时间相同的情况下， 电阻 越大，产生的热量越多。
（3）乙图中R 与R 并联，目的是使通过R 与R 的 电流 不同，如果通过电阻丝R 的电流
3 2 1 2 1
是2A，则电阻丝R 在1min内产生的热量是 30 0 J。
2
【解答】解：（1）电阻丝产生的热量不易直接观察，可给等质量的气体加热，气体吸热越多，
气体膨胀程度越大，故实验中通过观察U形管内的液面高度差的变化来反映电阻产生热量的多
少U形管内的液面高度差越大，采用了转换法；
（2）甲图中，两电阻丝串联，通过的电流相等，通电时间也相同，右侧容器中电阻值较大，连
接好电路后闭合开关，通电一段时间，观察到右侧液面高于左侧液面，如图甲所示，由转换法，
表明在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多。
（3）乙图中R 与R 并联，根据串联电路电流的规律及并联电路电流的规律，通过R 与R 的电
3 2 1 2
流不同；如果通过电阻丝R 的电流是2A，由并联电路电流的规律，则I +I ＝2A，因并联电路各支路两
1 2 3
端电压相等，根据欧姆定律可得通过R 和R 电流相等，故有：I ＝I ＝1A；
2 3 2 3
电阻丝R 在1min内产生的热量是
2
Q＝I 2R t＝（1A）2×5 ×60s＝300J。
2 2
故答案为：（1）U形管Ω内的液面高度差；（2）电阻；（3）电流；300。
3．如图所示，甲、乙完全相同的玻璃瓶内有阻值分别为 R甲 、R乙 的电阻丝，瓶中插入温度计a、
b。
（1）利用此装置探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关时，在两瓶中加入质量、初温均
相同的煤油。此方案是探究电流通过电阻产生的热量与 电阻 的关系。
（2）在甲、乙两瓶内换用质量、初温都相同的不同液体，且电阻丝的阻值 R甲 ＝ R乙 时，可
以比较不同物质的吸热能力。若温度计a比温度计b温度升高得快，则甲、乙两瓶内液体比热容
关系c甲 ＜ c乙 。
【解答】解：（1）由图可知，此时两电阻丝串联，所以电流相同，通电时间也相同，两电阻丝
的阻值分别为R甲 、R乙 ，故该装置可以探究电流通过电阻产生的热量和电阻的关系；
（2）探究“不同物质的吸热能力”的实验，应在甲、乙两瓶内换用质量、初温都相同的不同液
体，并使甲、乙两烧瓶中电阻丝的阻值相同，即电阻丝的阻值 R甲 ＝R乙 时，相同时间内两电阻
丝上产生的热量相同；
温度计a比温度计b温度升高得快，即Δt ＞Δt ，根据Q＝cmΔt可知，甲液体的比热容小于乙液
a b
体的比热容。
故答案为：（1）电阻；（2）＝；＜。
4．小虎用如图所示装置探究“电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关”，甲、乙是完全
相同的密闭容器，里面密封着等量的空气。
（1）闭合开关前，应保持A、B两U形管内液面相平。（2）通电后U形管中液面高度的变化反映密闭空气的 温度 的变化，下面应用了相同研究方
法的实验是 C 。
A.探究“杠杆的平衡条件”
B.探究“光反射时的规律”
C.探究“影响压力作用效果的因素”
D.利用“伏安法”测量小灯泡的额定功率
（3）实验中，乙容器外部电阻丝的作用是为了使两个容器内电阻丝中的 电流不相等 。
（4）甲、乙两容器中的电阻丝在相同时间内产生的热量之比是 4 ： 1 。
（5）实验过程中乙容器外部的5 电阻损坏了，可以用 1 0 （选填“10 ”或“100 ”）的
电阻完成实验。 Ω Ω Ω Ω
【解答】解：（2）实验中是通过观察“U”形管中液面的高度差来显示甲、乙容器内空气温度
的变化，像这种用能直接观测的量来显示不容易直接观测的量的方法叫转换法；
探究“杠杆的平衡条件”、探究“光反射时的规律”采用归纳法寻找普遍规律，
利用“伏安法”测量小灯泡的额定功率，采用了间接测量法，
探究“影响压力作用效果的因素”时，压力作用效果不易直接观察，通过海绵或沙子的形变程
度来反映压力的作用效果，采用转换法，故选C；
（3）乙容器外部的电阻与乙容器内部的电阻并联后与甲容器内部的电阻串联接入电路，并联电
路干路电流等于各支路电流之和，甲容器内部的电阻在干路中，通过它的电流大于通过乙容器
内部电阻的电流，所以乙容器外部的电阻的作用是为了使甲、乙容器内导体的电流不相等；
（4）图中三个电阻的阻值相等，根据并联电路电流规律结合欧姆定律可知 I甲 ＝2I乙 ，根据焦耳
定律Q＝I2Rt可知甲、乙两容器中的电阻丝在相同时间内产生的热量之比是4：1；
（5）根据并联电路电流规律结合欧姆定律可知若选100 的电阻与乙容器内部的5 电阻并联，
通过100 的电阻的电流与通过5 电阻的电流相差较大，Ω且通过100 的电阻的电流Ω很小，也就
是说通过Ω甲、乙容器内两个5 的Ω电阻的电流相差不大，会造成实验现Ω象不明显，所以选10 的
电阻并联接入电路，才能起到Ω明显分流的作用，才可以完成实验。 Ω故答案为：（2）温度；C；（3）电流不相等；（4）4：1；（5）10 。
5．在探究“影响电流热效应的因素”实验中：（本题中，三个烧瓶中的Ω均装有质量相等的煤油）。
（1）为了探究电流通过电阻产生的热量与电流的关系，小明设计了甲图装置，在烧瓶内安装一
根电阻丝，并插入一支温度计，该实验通过比较 温度计示数变化 ，来判断相同时间内不同
电流产生的热量多少。
（2）小明先测量烧瓶内煤油的温度后，闭合开关，通电30s再测量烧瓶内煤油的温度，得到温
度的升高量填入表中；然后移动滑动变阻器滑片改变电流大小。重复上述操作，获得第二组数
据（见表）。
实验次数 电流/A 通电时间/s 电阻/ 温度升高量/℃
1 0.3 30 10 Ω 1.5
2 0.6 30 10 6.0
由此得出：电阻和通电时间相等时，电流 越大 ，其产生的热量 越多 。
（3）若要探究电流通过电阻产生热量与电阻的关系，可选择乙图中 B （选填“A”或
“B”）烧瓶中的电阻与甲图中的烧瓶电阻 串联 （选填“串联”或“并联”）。采用这种连
接方式的目的是 控制电流与通电时间相同 。
（4）小明提议利用上述实验装置改做“比较水和煤油比热容的大小”的实验，则他应选择乙图
中 A （选填“A”或“B”）烧瓶与甲图中的烧瓶 串联、并联均可 ，（选填“串联”、
“并联”或“串联、并联均可”）。并将其中一烧瓶中的煤油换成 等质量的水 。水和煤油
吸热的多少是通过 加热时间 （选填“温度计示数”或“加热时间”）来反映的。
【解答】解：
（1）电流产生的热量不能用眼睛直接观察，通过温度计示数变化来反映，这是转换法。温度计
示数变化越大，电流产生的热量越多。这是转换法。
A．力是看不见的，可以通过力的作用效果认识它，这是把力转换为物体的形变或运动状态的变
化，是转换法，符合题意。B．探究电流与电压、电阻的关系，探究电流跟电压关系时，控制电阻不变，探究电流跟电阻关
系时，控制电压不变，这是控制变量法。不符合题意。
C．用总电阻表示同一段电路中串联的两个电阻，总电阻和两个串联电阻的效果是相同的，是等
效替代法。不符合题意。
（2）由表格数据知，电阻相同，通电时间相同，电流越大，温度升高量越大，说明电流产生热
量越多。
（3）电流产生的热量跟电流大小、电阻大小、通电时间有关。探究电流产生热量多少跟电阻的
关系，控制电流和通电时间不变，改变电阻的大小。由于串联电路中电流处处相等，通电时间
相同，所以选择乙图中的B电阻与甲图中的烧瓶电阻串联。
（4）“比较水和煤油比热容的大小”根据Q＝cm△t，可以采用质量相同，吸收热量相同的不
同物质，所以选择A烧瓶，由于电阻相同，和甲图烧瓶并联；电阻相同，两个电阻串联或并联
时，其电压是相同的，电流产生热量相同，并且把烧瓶A的液体换成和甲图中质量相同的水。
水和煤油吸热的多少是通过加热时间来反映，加热时间越长，吸收的热量越多。
故答案为：（1）温度计示数变化；（2）越大；越多；（3）B；串联；控制电流与通电时间相
同；（4）A；串联、并联均可；等质量的水；加热时间。
6．物理兴趣小组同学在总结物理实验的过程中，发现同样器材可以完成多个实验，于是他们选取
如下实验器材，电源、开关、电流表、多个10 和30 的电热丝、滑动变阻器、玻璃瓶、导线、
煤油和水若干。 Ω Ω
探究实验一：探究不同液体吸热能力
（1）将电热丝包裹绝缘外壳后串联接入图a所示实验电路中，该实验所选电热丝R甲 等于 R
（选填“大于”“等于”或“小于”），甲、乙玻璃瓶中应装入 质量 相同的水和煤油，
乙
实验记录数据，并绘制图象如图b，从图象可以看出甲容器中装的是 水 。
（2）此实验中用 加热时间 反映液体吸收热量的多少。探究实验二：探究不同电热丝发热能力
甲、乙两瓶中装入100g煤油，瓶内各安装一根电阻丝。两瓶中各插入了一支温度计，在测量两
瓶煤油的温度后，闭合开关，记录数据如表：c煤油 ＝2.1×103J/（kg•℃）
电流/A 通电时间/min 电阻/ 初温/℃ 末温/℃
甲 0.6 20 10 Ω 20 37
第一次
乙 0.6 20 30 20 63
甲 0.6 30 10 20 44
第二次
乙 0.6 30 30 20 76
（3）此实验中用 煤油升高的温度 反映液体吸收热量的多少。
（4）分析表中第一次甲、乙数据，可得出：在 通过导体的电流和通电时间 相同时，导体电
阻越大，导体发热越多。
（5）有同学提出，煤油吸收的热量不一定等于电热丝放出的热量。经小组讨论后一致认为他的
观点是正确的，并且提出在不同的加热过程中，加热效率很可能不同，请你计算第一次实验中
甲的加热效率为 82.6% 。（百分号前保留一位小数）
【解答】解：探究实验一：探究不同液体吸热能力。
（1）为控制不同液体吸收的热量相同，应把两电阻丝串联接入电路中，根据串联电路电流的规
律，通过的电流相等，根据Q＝I2Rt，故应控制电阻相等，即R甲 ＝R乙 ；
比较不同物质的吸热能力，要控制质量相同，故甲乙烧瓶中应装入质量相同的水和煤油；
根据实验记录绘制图象2知，升高相同的温度（30℃﹣10℃＝20℃），甲加热的时间为乙的2倍，
根据比较吸热能力的第1种方法，即甲容器中装的液体吸热能力强，故甲容器中装的为水；
（2）根据转换法，此实验中用加热的时间反映液体吸收热量的多少；
探究实验二：探究不同电热丝发热能力。
Q
（3）电热丝通电产生的热量被质量相等的煤油吸收，根据Q＝cm△t，有△t= ，在比热容和
cm
质量相同的情况下，煤油吸收的热量越多，煤油升高的温度越高，即煤油升高的温度反映液体
吸收热量的多少；
（4）分析表中第一次甲、乙数据知：通过导体的电流和通电时间相同，乙电热丝电阻大于甲电
热丝的电阻，乙中煤油温度升高的多，故可得出：在通过导体的电流和通电时间相同时，电热
丝越大，导体发热越多；
（5）根据焦耳定律，第一次实验中甲电热丝产生的热量：
Q放 ＝I2Rt＝（0.6A）2×10 ×20×60s＝4.32×103J；
Ω煤油吸收的热量：
Q吸 ＝c煤油m△t＝2.1×103J/（kg•℃）×0.1kg×（37℃﹣20℃）＝3.57×103J，
故第一次实验中甲的加热效率为；
Q 3.57×103J 100%≈82.6%；
= 吸= ×
Q 4.32×103J
η 放
故答案为：（1）等于；质量；水；（2）加热的时间；（3）煤油升高的温度；（4）通过导体
的电流和通电时间；（5）82.6%。
7．在“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验中，实验电路如图 1所示，其中R ＞R 。
1 2
实验一：探究电流产生的热量与电阻大小的关系：
（1）请按照图1中的电路图将图2实物图连接完整；
（2）实验电路按照图1中的电路图连接是为了控制通电时间相同和控制 电流相同 ；电阻丝
放出热量的多少，通过 温度计的示数变化 来进行判断。
（3）为了便于比较两根电阻丝通过电流后产生热量的多少，a、b两瓶中要装入 质量 相等、
初温相同的同种液体。为了在较短时间内达到明显的实验效果，实验时选用煤油而不选水，是
因为煤油的比热容 小于 水的比热容（选填“大于”、“等于”或“小于”）。
实验二：探究电流产生的热量与电流大小的关系：
（4）闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，使电路中的电流变成实验一中电流的 2倍，且通电时
间相同。实验发现：用电阻丝R 加热的煤油，在实验一中温度升高△t ，在实验二中温度升高
1 1
△t ′，则△t ′ 大于 2△t （选填“大于”、“等于”或“小于”），该实验说明电流产生
1 1 1的热量与电流大小 不成 正比例关系（选填“成”或“不成”）。实验中，用电阻丝R 加热
2
煤油重复以上实验步骤，也可以得出相同的结论。
（5）如果在两烧瓶中分别装入质量相等的不同液体，并接入两根阻值 相同 的电阻丝（选填
“相同”或“不同”），就可用这个装置来探究两种不同液体的吸热性质。假设a烧瓶中液体的
质量为m，瓶中电阻丝的阻值为R，测出通过它的电流为I，通电一段时间t后，温度计的示数
I2Rt
变化量为△t，若不计热量损失，则a液体的比热容为 c= （用所给出的物理量写出比
m△t
热容的表达式）。
【解答】解：（1）由电路图可知，滑片左移时变阻器接入电路中的电阻变小，则变阻器左下方
接线柱必须接入电路中，如下图所示：
（2）由电路图可知，两电热丝串联在电路中，这是为了控制通电时间相同和控制电流相同；
根据转换法可知，电阻丝放出热量的多少，是通过温度计示数的变化进行比较的；
（3）为了便于比较两根电阻丝通过电流后产生热量的多少，a、b两瓶中要装入质量相等、初温
相同的同种液体；
因为煤油的比热容比水的比热容小，相同质量的煤油和水比较，吸收相同的热量，煤油温度升
高的多，用煤油做实验效果更明显，便于观察；
（4）闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，使电路中的电流变成实验一中电流的 2倍，且通电时
间相同，
由Q＝I2Rt可知，电阻丝产生的热量是原来的4倍，
Q
由Q吸 ＝cm△t的变形式△t= 可知，用电阻丝R
1
加热的煤油，温度升高量△t
1
′大于2△t
1
，
cm
该实验说明电流产生的热量与电流不成正比例关系；
（5）实验中两电阻丝串联，通过的电流和通电时间相同，为控制相同时间两液体吸热相同，根据Q＝I2Rt可知，选用的两根电阻丝的阻值应相同；
假设a烧瓶中液体的质量为m，瓶中电阻丝的阻值为R，测出通过它的电流为I，通电一段时间t
后，电热丝放出的热量Q＝I2Rt，
温度计的示数变化量为△t，若不计热量损失，放出的热量全部被液体吸收，由Q吸 ＝cm△t可得，
Q I2Rt
a液体的比热容：c= = 。
m△t m△t
故答案为：（1）如上图所示；（2）电流相同；温度计的示数变化；（3）质量；小于；（4）
I2Rt
大于；不成；（5）相同；c= 。
m△t
8．如图所示，甲、乙两个完全相同的玻璃瓶内有阻值分别为R甲 、R乙 的电阻丝，瓶中插入温度计
a、b。
（1）利用此装置探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关时，在两瓶中加入 质量 、初
温都相同的煤油。闭合开关一段时间，可以通过温度计 升高 情况，判断电阻丝产生热量的
多少。此方案是探究 电流 和时间相同时，电流通过电阻丝产生的热量与 电阻 大小的关
系。
（2）在甲、乙两瓶内换用质量、初温都相同的不同液体，且电阻丝的阻值 R甲 等于 R乙 时，
可以比较不同物质的吸热能力。若温度计a比温度计b温度升高得快，则甲、乙两瓶内液体的比
热容关系是c甲 小于 （填“大于”“小于”或“等于”）c乙 。
【解答】解：
（1）控制变量法的要求在探究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关时，需要在两瓶中加入质量、初温都相同的煤油；
电流通过导体产生的热量不易直接观察，本实验中通过温度计升高的示数来反映电流产生热量
的多少。
由图可知，两电阻丝串联，通过的电流相同，通电时间也相同，而两电阻丝的阻值不同，故该
装置可以探究电流通过电阻丝产生的热量与电阻的关系；
（2）探究“不同物质的吸热能力”的实验，应在甲、乙两瓶内换用质量、初温都相同的不同液
体，并使甲、乙两烧瓶中电阻丝的阻值相同，即R甲 ＝R乙 ，则相同时间内两电阻丝上产生的热
量相同，若温度计a比温度计b温度升高得快，由Q＝cm△t可知，甲的比热容小于乙的比热容。
故答案为：（1）质量；升高；电流；电阻；（2）等于；小于。
9．实验桌上有两个完全相同的烧瓶甲和乙，烧瓶内装有质量相等、初温相同的煤油和相同的温度
计，甲烧瓶内装有阻值为5 的电阻丝R ，乙烧瓶内装有阻值为10 的电阻丝R ．实验桌上还
1 2
有满足实验要求的电源、开Ω关各一个，电流表、停表各一块，导线Ω若干。小安把两段电阻丝
R 、R 串联接入电路，如图所示，闭合开关通电一段时间。
1 2
（1）小安利用如图想探究的问题是电流通过导体产生的热量与 电阻 大小的关系。
（2）实验过程中通过观测温度计的 示数变化 反映导体产生热量的多少。
（3）小汪想探究电流产生的热量与电流的关系，他利用上述实验器材进行实验，实验步骤如下：
a．如图所示，将装有R 的烧瓶甲连入电路，闭合开关，同时按下停表开始计时，通电时间为
1
2min时，停止计时，记录相关数据，断开开关。
b．用装有R 的烧瓶乙替换烧瓶甲连入电路，闭合开关，同时按下停表开始计时，通电时间为
2
2min时，停止计时，记录相关数据，断开开关。
请你分析并回答下列问题：
小刘认为小汪的实验操作不能验证他的猜想。其理由是： 没有控制导体的电阻大小不变； 。
请你针对小汪实验步骤中存在的问题，适当增减器材，写出改进措施： 保持电阻大小不变，
应调节滑动变阻器改变电阻的电流大小。 。【解答】解：（1）根据题意，两个电阻串联，通过两电阻的电流、通电时间都相同，只有电阻
的阻值不同，所以是研究电流和通电时间相同时，通过导体产生的热量与电阻大小的关系。
（2）通电后电流通过电阻丝做功，产生热量被煤油吸收，使煤油的温度升高，通过观察温度计
的示数变化来判断电流产生的热量的多少；
（3）小刘认为小汪的实验操作不能验证他的猜想。其理由，由于小明是控制导体的电阻大小不
变，所以不能验证自己的猜想；
针对小汪实验步骤中存在的问题，适当增减器材，写出改进措施：保持电阻大小不变，应调节
滑动变阻器改变电阻的电流大小。
故答案为：（1）电阻；（2）示数变化；（3）没有控制导体的电阻大小不变；保持电阻大小不
变，应调节滑动变阻器改变电阻的电流大小。
