通過生活情境體驗焦耳定律

丁慎兵

【摘要】焦耳定律在初中階段的學習中并不是非常難理解的一個知識點，但在各類考察中因為牽涉電功和電熱，往往給那些對物理概念理解并不深入的學生帶來困擾.本文就這一問題，結合幾個與生活情境相關的例題來幫助學生解答.

【關鍵詞】初中物理;焦耳定律;生活情境

1 知識掃描

1.1 焦耳定律

定義：電流通過導體產生的熱量與電流的平方成正比，與導體的電阻成正比，與通電時間成正比.

公式：Q=I2Rt.

單位：焦耳（J）.

1.2 電功與電熱的對比

區別：電功是指某段電路中輸入的全部電能或某段電路中消耗的全部電能，計算公式是W=UIt;電熱是指某段電路中因發熱而消耗的電能，計算公式是Q=I2Rt.

聯系：兩者大小關系為W≥Q.

當研究對象是純電阻電路時，電流做功全部轉化為電阻發出的熱能，此時電功與電熱的關系為W=Q.生活中的應用如：電熱爐、電飯鍋、電熨斗、白熾燈等.涉及的計算公式：W=Q=UIt=I2Rt=U2R·t=Pt.

當研究對象是非純電阻電路時，電流做功分成了兩部分，一部分轉化為電阻發熱，另一部分則轉化為了機械能、光能、化學能等其他形式的能量，此時電功與電熱的關系為W>Q.生活中的應用如：電動機、日光燈、蓄電池等.涉及的計算公式：W=Q+E其他.

通過以上對知識點的簡單回顧，我們可以發現：在處理焦耳定律相關問題時，首先需要做的就是分析研究對象的電功與電熱的關系，也即研究對象的做功方式.

1.3 焦耳定律在生活中的應用

（1）電熱的利用.這是初中階段對歐姆定律最常見的考查方向，試題多以電熱器為命題元素.電熱器是生活中對焦耳定律的應用最常見的表現形式，比如電爐、電熨斗、電飯鍋、電烙鐵等，這類電熱器的突出優點是熱效率高、控制和調節方便，且清潔衛生，能有效減少環境污染.這類電熱器的最重要工作部件的核心電學元件是電阻比較大的耐高溫電阻絲，在解題中遇到，我們可以將其視為純電阻電路進行分析.

（2）電熱的危害與防治.此方面知識，雖然初中階段考查較少，但是生活中卻有很多實例，比如電視機、收音機上，除開音響部位外，還有一些特定部位設置有很多圓圓的小孔，那就是機器的散熱孔.很多電器之所以設有散熱孔甚至散熱裝置（如電腦中的散熱扇），主要原因在于電流在通過導線時，因為電阻的存在，必然會產生熱量，這些熱量，如果是對于電熱器是有益的，但對于其他電器來說則未必，一方面這些熱量是對輸入功率的浪費，降低了做功效率;另一方面，這些熱量會加速電器絕緣部分的老化速度，甚至燒壞電器.在教學過程中如果我們善于利用生活中的這些元素，就能提高學生物理來源于生活、服務于生活的意識，加深學生對焦耳定律的理解，也能提高學生的物理學科素養.

2 實例探析

以上是對焦耳定律的知識點以及相關解題規律的簡單總結.但我們都知道，考試中的題目都不是簡單的知識填空，考查內容、考查目的都可能很隱蔽地藏在題中文字或圖表中，我們只掌握知識點還不足以解決問題，還要善于審題，甚至還要有較強的物理建模能力.

焦耳定律因為與生活聯系緊密，題目的表現形式多樣，需要我們認真審題，找到關鍵信息，將生活情境轉換為物理情境，并能準確提煉和判斷出電路類型，然后選擇合適公式進行解題.

接下來，我們就通過幾個典型例題來體會一下.

2.1 最常用的電飯煲

電飯煲是完美應用焦耳定律的家用電器，這其中，為何只有加熱電阻溫度升高而連接電路的導線溫度沒有多大變化，是值得我們思考的問題之一.

例1 電飯煲是我們生活中最常用到的家用電器.如圖1所示是一臺多功能電飯煲，其工作部分的電路圖可以簡化為圖2所示.其中兩個開關中，S1是限溫開關（需手動閉合），當溫度達到設定溫度（一般為103℃）時會自動斷開;S2是溫控開關，當溫度高于80℃時會自動斷開，當溫度低于60℃時會自動閉合;三個電阻中，R1是保護電阻，R2和R3組成加熱和保溫電路，其中電阻R1=R2=500Ω，R3=50Ω;紅燈表示加熱，黃燈表示保溫，且兩個燈的電阻不計.據此解答下列問題.

（1）完整敘述電飯煲加熱和保溫的工作過程.

（2）如果在做飯時我們忘記按下開關S1會發生什么情況？

（3）分別求出電飯煲保溫和加熱狀態時消耗的電功率.

解析 （1）當接入電源后，由開關S2的功能可知此時S2處于閉合狀態，手動閉合開關S1后，黃燈和電阻R1被短路，紅燈亮，電阻R2和R3處于加熱狀態;當溫度達到80℃時，開關S2斷開，開關S1仍閉合，直到電飯鍋中水燒干進而電飯煲內溫度達到103℃，此時開關S1斷開，黃燈和電阻R1接入電路，加熱電路處電流被分流，電飯煲處于保溫狀態;當由于散熱，電飯煲內溫度低于60℃時，開關S2閉合，電飯煲再次進入加熱狀態，直到溫度高于80℃時開關S2斷開，再次進入保溫狀態……如此循環，直到我們斷開電飯煲的電源.

（2）根據（1）中對電飯煲工作流程的分析，我們可以知道，如果在做飯時我們忘記按下開關S1會出現的情況就是電飯煲內的食物只能被加熱到80℃，如果是生的食物將不能被煮熟.

（3）電飯煲可認為是一個純電阻電器，因此可根據公式W=Pt=U2R·t直接得到功率的計算公式P=U2R，設電阻R2和R2的并聯電阻為R23，可得保溫狀態下電飯煲的電功率為

P1=U2R23=2202（50×50050+500）W=1064.8W

加熱狀態下電飯煲的電功率為

P2=U2R1+R23=2202500+500×50500+50）W≈88.8W

2.2 經常見的電動機

電動機作為最常見的非純電阻電路，是各類考試中經常被拿出來考查的.這類問題的本質就是注意區分電熱和電功，然后根據題目靈活利用“萬能”公式W=Q+E其他，進行列式求解即可.

此類題目設計的巧妙之處在于將電路中的電阻隱藏起來，需要我們根據題給信息找到它.

例2 夏日炎炎，除了空調，我們還經常用風扇來納涼.如圖3所示，是一款小型風扇，其中用到的動力裝置就是一臺電動機.假設該風扇上所用電動機的額定電壓U額=36V，額定電流I額=1A.有一次，小明給電扇接入電壓U1=10V的電源時，扇葉并不轉動，他測得此時通過電動機的電流I1=2A.求該電風扇中的電動機在額定電壓下工作時輸出的機械功率.

解析 在風扇扇葉不轉動時，電動機可視為純電阻，由歐姆定律列式可得電動機的電阻

R=U1/I1=10V/2A=5Ω

在額定電壓下工作時，電源輸入的總功率為

P總=U額I額=36V×1A=36W

在額定電壓下工作時，電動機電阻消耗的功率為

P熱==I2R= I額2R=（1A）2×5Ω=5W

電動機在額定電壓下工作時輸出的機械功率

P= P總-P熱=36W-5W=31W.

3 總結

焦耳定律的應用是中考中最常見的考點之一，考查內容通常是焦耳定律的內容及應用、焦耳定律實驗（控制變量法探究）、電熱器的構造和原理等，題型多是實驗題和計算題，難點是與焦耳定律的應用相關的計算題.

因為這類題型常與生活聯系，以生活為背景設題，學生遇到的第一道難關就是物理建模——將生活情境轉換為物理場景.在成功建模后，有關焦耳定律的計算還有一個關鍵點：分清研究對象是純電阻電路還是非純電阻電路.

在上面“電功與電熱的對比”中，我們已經對兩類電路的適用公式做了明確區分，在此再次強調一定要注意公式的應有范圍，切忌公式誤用.

關于電熱的計算，也是歐姆定律問題常見的計算內容.在這類計算中，需要綜合串、并聯電路的特性的相關知識，且要對求電流熱效應的各個公式理解透徹，根據題目準確選用最合適的公式.而在練習過程中，我們要引導學生多歸納總結，讓他們清楚電熱問題歸根結底就是求電功率.這在上面“電功與電熱的對比”中，我們也有涉及，可以參照，但外在的知識想要內化為內在的能力，勤學苦練是基礎，多思考、善總結是方法和根本.

總之，在焦耳定律相關問題中，通過生活實際的場景來設計題目.這部分題目，涉及定量思想、電和熱的綜合應用，對學生的綜合能力有較高要求.做題時需要認真審題，在材料中提取隱含的關鍵信息.

參考文獻：

[1]曲志敏.《焦耳定律》的教學設計[J].中學物理：初中版， 2015（7）：3.

[2]沈濤.物理教學生活化的應用——焦耳定律[J].新課程， 2018（24）：1.

[3]高翔.關于探究電流熱效應影響因素實驗設計的缺陷及改進策略[J].中學物理：初中版，2014（3）：2.