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专题 23 焦耳定律
——划重点之精细讲义系列
考点1：电流的热效应
1.电流的热效应
电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应。
2.影响电流通过导体时产生热量的因素：
通过导体的电流、导体的电阻、通电时间。通过导体的电流越大、导体的电阻越大、
通电时间越长，电流通过导体时产生的热量越多。
电流通过导体时产生热量的比较
①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在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，这个电阻产生的热量
越多。
考点2：焦耳定律
英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电
流、电阻和通电时间的关系，即焦耳定律。
1.内容：
电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间
成正比。
2.定义式：Q=I2Rt
3.公式适用范围：
普遍适用，适用于任何用电器和电路。
4.公式应用注意事项：
①同体性：Q、I、R、t必须对应同一段导体或同一个用电器；②同时性：Q、I、R必
须是同一时间t内同一段电路中的三个物理量；③统一单位：Q、I、R、t四个物理量的单
位都必须是国际单位。
5.焦耳定律公式的理论推导：
在纯电阻电路中，电流所做的功全部转化为热量，而没有转化为其他形式的能，那么，
此时电流产生的热量Q就等于消耗的电能W ，即Q=W ，因W =UIt，根据欧姆定律的变形
电 电 电
式U=IR，可推导出Q=W =UIt=IR·lt=I2Rt。
电纯电阻电路与非纯电阻电路的公式应用规律：
电能 内能（热能） 备注
电能全部转化为内
纯电阻电路 能，所以求电能的公
式全部适用于求内能
在非纯电阻电路中，
电流做的功只有一部
分转化为热量，故Q
非纯电阻电路
＜W 。如电动机
电
考点3电热的利用和防止
1.电热的利用
电热的主要作用是制成各种各样的电热器。电热器的主要部分是发热体，发热体一般
由电阻大、熔点高的金属导体制成。电热器工作时主要将电能转化为内能，常见电热器如
热水器、电饭锅、电熨斗、电热孵化器等。
很多用电器在工作时，虽然也会将一部分电能转化为内能，但其目的并不是利用电热，
而是将电能转化为其他形式的能，这样的用电器不是电热器。比如电动机和电风扇工作时
主要将电能转化为机械能，电视机工作时主要将电能转化为声能和光能等，它们都不是电
热器。
2.电热的防止
用电器在工作的过程中，总有一部分电能转化为内能，很多情况下我们不希望用电器
的温度太高，这样既浪费能源，还可能造成危害，因此就需要使用电器通风散热。很多用
电器采用设置散热孔、散热片或在发热体部分安装风扇等方法散热。如电视机外壳的散热
窗；计算机内的散热风扇、电动机外壳的散热片等。
【典例1】如图所示是两挡电饭锅内部加热部分的简化电路图，R、R 均为发热电阻，将
1 2
开关S分别置于1、2两位置时，电饭锅处于不同挡位。已知高温挡功率为1000W，R 的阻
2
值为 。当开关S置于2位置时，电饭锅处于_________挡（选填“高温”或“低
温”），该挡位正常工作10min产生的热量是_________J。用电饭锅蒸米时，满屋都弥漫
着米饭的香味，是由于_________。【典例2】“等效替代”是分析物理问题时经常用到的一种方法。已知R＝10Ω，R＝
1 2
20Ω，R＝30Ω，电源及电流表内阻忽略不计。如图甲中，R 和R 串联后，可以用总电阻R
3 1 2
来替代R 和R。类比图甲的方法，若将a、c接入丙电路的A、B端点，闭合开关后，通电
1 2
10s电路中产生的热量为 _____J。
【典例3】某品牌电动玩具警车的内部等效电路如图，阻值为5Ω的警灯与线圈电阻为1Ω
的电动机串联。当玩具警车正常匀速行驶时，通过电动机线圈的电流为1A，则警灯两端的
电压是_____V；2min内电动机线圈产生的热量是______J。
【典例4】如图所示电路中，电源电压U＝4.5V，内阻r＝2Ω，闭合开关后，通过电路的电
流是0.25A，通电100s，电动机产生的热量是10J，在这段时间内电动机对外做了________J
的机械功。
【典例5】某电饭煲设有“加热”和“保温”两档，其内部简化电路如图所示，当开关S
闭合时，电饭煲处于______（填“加热”或“保温”）状态；若R∶R=1∶24，则电饭煲保温
1 2
和加热各5min时产生的热量之比为______。【典例6】打造成渝地区双城经济圈，新建智慧公园中的智能座椅有供暖、提供5G等功能，
如图甲所示。其中供暖部分主要由坐垫和靠背组成，其发热电路如图乙所示，供电电压恒
为30V。坐垫内的电热丝R、R、R 的阻值分别为5Ω、20Ω、10Ω，靠背内的电热丝R 的
1 2 3 4
阻值为40Ω。闭合开关S ，调节开关S ，可使坐垫分别处于“低暖”“中暖”“高暖”三
1 2
挡。求：
（1）开关S 接c时，电路中的电流；
2
（2）10秒内智能座椅能够产生的最大电热；
（3）调节开关S ，坐垫在“高暖”挡时消耗的功率。
2
【典例7】如图所示，通过电脑可以看2022卡塔尔世界杯足球比赛的直播。下列有关说法
中正确的是（ ）
A．一般台式电脑的电功率约2000W
B．台式电脑的显示屏跟外置音箱是串联接在电路中的
C．电脑里面的二极管主要是由绝缘体材料制成的
D．电脑运行时温度会升高，需要用微型风扇及时散热，防止过多的电热造成安全隐患【典例8】如图所示，从甲地通过两条输电线向乙地用户供电，若甲地电源电压恒为U，
输电线的总电阻为r，当乙地用户用电时，下列说法正确的是（ ）
A．用户使用的用电器两端电压为U
B．输电线上消耗的电功率为
C．当用户使用的用电器增多时，用电器两端的电压升高
D．当用户使用的用电器增多时，输电线上因发热而损失的功率增大
考点4：探究影响电流通过导体时产生热量的因素全过程
1.控制变量法
①在探究热量的多少与电流的关系时，应控制两个电阻丝的阻值相同，应采用并联多
一个相同阻值的电阻；
②在探究热量的多少与电阻的关系时，应控制通过两个电阻丝的电流相同，应采用串
联的方式。这里就应用了控制变量法。
2.转化法
实验中电流产生的热量不能直接观察到，但热量的变化可以用温度的变化来感知。通
过温度计升高的示数或者U型管的高度差间接知道电流产生的热量的多少，这是转化法。
3.实验探究过程
【实验目的】研究电流通过导体产生的热量跟那些因素有关？
【实验方法】控制变量法，转换法。
【实验原理】Q=I2Rt
【实验器材】密闭容器两个、U形管两个、导线若干、不同阻值电阻丝若干、电源。
【实验步骤】
①电流产生的热量与电阻的关系
如甲所示，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。
【实验结论】在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，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
如乙所示，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U形管中液面高度的变化。
【实验结论】在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，电阻产生的热
量越多。
4.探究电流产生的热量与哪些因素有关考点
（1）实验采用煤油的目的：煤油比热容小，在相同条件下吸热温度升高的快；而且是
绝缘体。
（2）被加热材料选用空气的原因：空气受热易膨胀，实验现象更明显。
（3）选用加热材料的要求：质量、初温、材料相同。
（4）探究电热与电流的关系是需控制电热丝的电阻和通电时间相同，采用在其中一个
电阻的两端多并联一个电阻的方式。探究电热与电阻的关系是需控制电流和通电时间相同
采用串联的方式；探究电热与通电时间的关系时需控制电阻和电流相同，通过改变通电时
间的长短的方式。
（5）通过温度计升高的示数或者U型管液面的高度差来比较热量的多少.
（6）U型管没有明显的高度差的原因：①电阻断路或者短路；②装置漏气。
【典例1】某同学采用了如图甲、乙所示的实验装置“探究电流通过导体产生的热量与哪
些因素有关”。两个透明容器中都有一段电阻丝且密封着等量的空气，U形管中液面高度
的变化反映密闭空气温度的变化。下列说法正确的是（ ）
①图甲装置能探究电流通过导体产生的热量与电流的关系。
②图甲装置能探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系。
③图乙中右边透明容器中电阻丝阻值为10Ω，可以探究电流产生的热量与电流的关系。
④图甲实验结论能解释“电炉丝热得发红而与电炉丝相连的导线几乎不发热”的现象。
A．①② B．②③ C．②④ D．③④
【典例2】如图是教材上探究电流产生的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。下列分析正确的是（ ）
A．U形管液面高度变化是因为管中液体热胀冷缩的缘故
B．甲实验是为了研究电流产生的热量与电阻的关系
C．甲、乙装置均无法探究电流产生的热量与通电时间的关系
D．乙图中，通电一段时间后左右两边容器内电阻产生的热量之比是4:1
【典例3】小杰利用图一和图二的装置“探究电流通过导体产生热量的多少跟什么因素有
关”。图一在两个透明容器中密封等量的空气，各放置一段电阻丝，并连接一个装水的U
形管，通过U形管中水面的高度差来判断电阻产生热量的多少，装置的密封性能良好。
（1）小杰猜想电流产生的热量与电阻大小有关，下列能支持她猜想的现象是 _____（选填
字母）；
A．正常工作时，“36V 54W”的灯泡比“12V 6W”的灯泡亮
B．接线板上接入的用电器越多，导线越容易发热
C．电熨斗工作时发热明显，而与之相连的导线却不怎么热
（2）图一装置中如果R 发生了断路，在通电时间相同的情况下，与R 未发生断路之前相
3 3
比较，左侧U形管中液面的高度差将 _____（选填“变大”“变小”或“不变”）；
（3）小杰利用图二装置探究电阻大小和产生热量的关系（R＞R），在a、b两瓶内加入
a b
质量和初温都相同的煤油。闭合开关一段时间后，他发现a烧瓶中温度计的示数大，表明
电流和通电时间相同时，电阻越大，电流通过导体产生的热量越 _____。根据上述规律，
小杰得出电烤箱低温挡接入电路电阻丝的阻值要比高温挡电阻丝的阻值小，此结论是
_____（填“正确”或“错误”）的；
（4）小杰把图二装置改成探究物质吸热能力的实验装置，需要进行一些改进：①在a、b两瓶内换用质量、初温都相同的 _____（选填“相同”或“不同”）液体，电阻
丝的阻值R_____R（填“＝”“＜“或“＞”）；
a b
②一段时间后，小杰观察到b瓶内液体温度高一些，可判断a、b两瓶内液体吸收的热量
Q_____ Q（填“＝”“＜”或“＞”），a的吸热能力 _____（填“强”或“弱”）。
a b
【典例4】为了“比较不同物质的吸热能力”，物理兴趣小组在实验室利用老师提供的器
材连接好如图所示的电路，A瓶中装的是水，B瓶中装的是煤油，两瓶中用的是电阻均为
5Ω的电热丝。
（1）为确保实验的准确性，水和煤油的质量和初温必须相等。闭合开关后，经过一段时间
发现______（选填“A”或“B”）瓶中的温度计的示数升高快，这是因为水的比热容较大的
缘故。若电热丝产生的热量完全被水和煤油吸收，在这段时间内，水和煤油吸收的热量
______（选填“相等”或“不相等”）；
（2）实验时，小明和小红发现电热丝热得很快，而连接的导线却不怎么热。小红猜想：发
热不同是因为通过电热丝和导线的电流不同。小明猜想：发热不同是因为电热丝和导线的
电阻不同。其他同学立刻判断小红的猜想是错误的，原因是______。小明和小红又利用此
装置探究了“通电导体产生热量的多少和电流的关系”，根据记录数据大致画出了产生的
热量Q和电流I关系的图象，其中正确的是______；
A． B． C． D．
（3）接着，兴趣小组探究“通电导体产生热量的多少和电阻的关系”，现有如下器材：足
量的水和煤油、天平、10Ω的电热丝两根、电流表和电压表各一只、秒表等。要完成实验，
他们应该在原来的装置上调整的器材及要求是①______；②______
【典例5】如图是探究“电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关”的三套实验装
置，甲、乙装置的两个透明容器中密封着等量的空气，丙装置的两个烧瓶中装有等质量的
煤油。（1）甲、乙实验通电前，需使两个U形管内的液面 _____；利用U形管中液面高度差来
判断电流产生热量的多少，利用的实验方法是 _____；
（2）乙装置可探究电流产生的热量与 _____的关系。将此装置接到电源两端，通电一段时
间，在 _____（选填“左”或“右”）侧容器中产生的热量较多。若通电一段时间后，其
中一个U形管中的液面高度几乎不变，发生此现象的原因可能是 _____；
（3）某同学利用丙装置改做“比较水和煤油比热容的大小”的实验，则他们应将其中一个
烧瓶中的煤油换成质量和初温相等的水，并使甲、乙两烧瓶中金属丝的电阻 _____（选填
“相等”或“不相等”），此实验中水和煤油吸热的多少是通过 _____（选填“升高的温
度”或“加热时间”）来反映的。
一、单选题
1．下列说法中错误的是（ ）
A．电流通过导体，导体会发热的现象叫做电流的热效应
B．将两只相同的“220V 40W”的灯泡串联接入家庭电路，两只灯泡总电功率为80W
C．当导体电阻不变时，通过导体的电流与导体两端的电压成正比
D．把一个100Ω的电阻和1Ω的电阻并联，并联后的总电阻小于1Ω
2．将规格都是“220V，180W”的一台电冰箱、一台电风扇和一床电热毯，分别接入同一家
庭电路中，若通电时间相同，则关于这三个用电器，下列说法正确的是（ ）
A．均能将电能全部转化为内能
B．电阻相等
C．消耗的电能一样多
D．产生的热量相等
3．探究“电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关”的实验如图甲和乙所示，两透
明容器中密封着等量的空气，两容器中的电阻丝串联起来连接到电源两端，通电一段时间
后，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。下列说法正确的是（ ）A．该实验装置是利用U形管中液体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量的多少
B．图甲和图乙都可以探究电流通过导体产生的热量与通电时间的关系
C．图乙的装置是在探究电流通过导体产生的热量与电流的关系，其中右侧容器内的电阻阻
值可以为10Ω
D．图甲中通电相同时间后，两U形管的液面高度差之比为2∶1
4．如图所示，在探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置中，两个
透明容器中分别接入了电阻丝R 和R，且密封着等量的空气。将该装置接入电路进行实验，
1 2
下列说法正确的是（ ）
A．若R 和R 阻值不相等，则可以探究电流通过导体产生的热量与电阻的关系
1 2
B．通电一段时间，两个透明容器中空气内能增大是通过做功的方式改变的
C．若R 和R 阻值相等，则可以探究电流通过导体产生的热量与电流的关系
1 2
D．U形管液面高度变化是因为U形管中液体吸收热量受热膨胀造成的
5．如图甲是小灯泡L和电阻R的I﹣U图象，将小灯泡L和电阻R接入图乙所示的电路中，
只闭合开关S 时，小灯泡L的实际功率为1W，下列说法正确的是（ ）
1
A．只闭合开关S 时，小灯泡L的电阻为40Ω
1
B．再闭合开关S 后，在1min内电阻R产生的热量为2.4J
2C．再闭合开关S 后，电路总功率为1.5W
2
D．再闭合开关S 后，电流表示数增加0.2A
2
6．如图所示的电路电源电压恒为3V，闭合开关S，电流表A 示数为0.5A，A 示数为
1 2
0.3A。则（ ）
A．通过R 和R 的电流之比是5：3
1 2
B．R 和R 的阻值之比是3：2
1 2
C．在5min的时间内R 消耗的电能是180J
2
D．电阻R 的电功率是1.5W
2
7．如图所示是“探究电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关”的实验装置。两个
透明容器中密封着等量的空气，下列说法错误的是（ ）
A．本实验利用了转换法，将电流通过电阻产生热量的多少转换成U形管液面高度差的变
化
B．利用任意一个容器中的电阻都可以探究电流通过电阻产生的热量与时间的关系
C．图甲中，通电一段时间后左右两边容器内电阻产生的热量之比是1︰2
D．图乙所示装置中，通电一段时间后两容器内电阻产生的热量之比为2︰1
8．如图所示，是探究“电流通过导体时产生的热量跟哪些因素有关”的实验装置。甲乙两
图中的电源电压是相同的，图乙中 。通电相同时间后（ ）
A．甲图中，左右两电阻发热量之比为2：1B．甲图中，两电阻串联主要是为了保证通电时间相同
C．乙图中，左右两电阻发热量之比为4：1
D．乙图中，若将右侧容器上面的电阻拆除，右侧发热电阻的发热量变为原来的4倍
二、实验题
9．为了探究影响电热的因素，小伟先设计了如图所示电路，烧瓶中盛有一定质量的煤油，
R >R 。
甲 乙
（1）为了在较短的时间内达到明显的实验效果，选用煤油而不用水，主要是由于：
_______；
（2）通电一段时间后，比较两烧瓶_______（选填“温度计的示数”或“加热时间”），
则可以探究出电热与_______的关系。观察发现甲烧瓶中温度计的示数大，表明其它条件相
同时，导体的电阻越_______，产生的热量越多；
（3）本实验通过以两金属丝串联的方式，控制_______和______相同；还因为导体产生的
热量不易直接观察，便把导体产生热量的多少转换为_______，为了保证这种转换的科学性，
实验中采取的措施是煤油的______、_______相同；
10．小明在探究“电流产生的热量与哪些因素有关”的实验中，在两个透明容器中密封等
量的空气，各放置一段电阻丝，并连接一个装水的U形管，通过U形管中水面的高度差来
判断电阻产生热量的多少。已知装置的密封性能良好。
（1）利用甲装置可探究电流产生的热量与 ___________的关系，通电一段时间后，与
___________（选填“左”或“右”）侧容器相连的U形管中液面的高度差较大。
（2）乙装置中的电阻R 的作用主要是使电阻R 和R 中的电流 ___________（选填“相
3 1 2
等”或“不相等”），为了使实验现象更明显，可以将R 换成阻值 ___________（选填
3
“更大”或“更小”）的电阻。
（3）通过观察乙装置中的现象可得出结论：在电阻和通电时间相同时，电流越
___________，导体产生的热量越多。
（4）乙装置中，如果R 断路，在通电时间相同时，与R 没有断路时相比较，左侧U形管
3 3
中液面的高度差将 ___________，右侧U形管中液面的高度差将 ___________。（均选填
“变大”、“变小”或“不变”）三、填空题
11．如图所示，电源电压保持不变，R=10Ω，闭合开关S，开关S 拨至a时电压表示数是
1 0
拨至b时的3倍，则R=____________Ω；若电源电压为3V，当开关S 拨至b时，R 在
2 0 2
10min内产生的热量是___________J。
12．电热饮水机通过机内温控开关S进行自动控制，实现加热和保温两种功能。电路原理
如图乙所示。电源电压恒为220V，当开关S接a时，电路处于加热状态，电流为5A，此时
该饮水机加热功率为_________W；该饮水机在加热状态工作100s，产生的热量为
_________J；当开关S接b时，电路处于保温状态，消耗的功率为44W，则保温状态下，
电阻R₁两端电压为_________V。
13．电饭煲工作时通常有两种工作状态：一种是加热状态，另一种是保温状态，如图是电
饭煲的工作电路图，其中R 是加热用的电阻，则当自动开关处于______状态时（选填“断
2
开”或“闭合”），电饭煲处于加热状态；若电饭煲在保温状态时R 的电功率是加热状态
2
时的电功率的 ，则R:R＝______。
1 214．现有两个定值电阻R 和R，分别标有“10V 0.5A”和“5V 1A”的字样，将它们串联接在
1 2
同一电路中，则电路两端允许接入的最大电压是______V，当它们工作时间相同时，电阻
R 和R 上产生的热量之比Q︰Q=______。
1 2 1 2
15．如图所示，当开关S断开，甲、乙两表均为电流表，若两表示数之比I ：I =1：4，
甲 乙
R ：R =______；当开关S闭合，甲、乙两表均为电压表时，则两表示数之比U ：U
1 2 甲 乙
=______；相同时间内R 、R 产生的热量之比Q ：Q =______。
1 2 1 2
16．如图所示，电源电压不变，R =10Ω，R =20Ω。只闭合 S、S 时，电流表 A 示数为
1 2 2 1
0.2A。当开关都闭合时，电流表A 、A 示数之比为3∶1，则R =______Ω，通电10min电阻R
1 2 3 2
产生的热量为______J。
四、计算题
17．如图甲是一种电热紫砂壶，这种壶能自动调节炖汤的“火力”，炖出的汤不仅味道香
醇，还可节约能源。图乙是它的简化电路图，接通电源后防干烧开关S 闭合（无水加热超
1
过设定温度时自动断开），当汤的温度达到沸点时，开关S 自动断开，维持小火炖煮。图
2
乙中L为“6V，10mA”的指示灯，R 为限流电阻，R＝165Ω和R＝55Ω均为加热电阻且阻
0 1 2
值不随温度改变。求：
（1）指示灯L正常工作时，限流电阻R 阻值。
0
（2）正常工作时，电热紫砂壶在维持“小火”炖煮时，通过加热电阻R 的电流。
2
（3）正常工作时，求电热紫砂壶“大火”加热10min加热电阻产生的热量。18．百善孝为先，我们可以从点点滴滴的小事做起。佳佳将自己的压岁钱省下来给奶奶买
了一款足浴盆。这款足浴盆工作时的简化电路如图，它有加热功能和按摩功能。电动机线
圈电阻为4Ω，加热电阻正常工作时电功率为1kW，电源电压220V稳定不变。
（1）启动按摩功能时，电动机启动，通过电动机线圈的电流为0.1A，按摩20min，电动机
线圈产生的热量是多少？
（2）加热电阻正常工作时的电阻是多少？
（3）在足浴盆中加入体积为4L、初温为20℃的水升高至40℃，水吸收的热量为多少？若
加热时间为420s，它的电加热效率为多少？[c ＝4.2×103J/（kg•℃）]
水
