例析初中物理焦耳定律的應(yīng)用分類

摘 要：文章從家庭電路導(dǎo)線發(fā)熱問題分析、利用焦耳定律進(jìn)行電熱的比值計(jì)算、利用焦耳定律計(jì)算用電器消耗的電能和焦耳定律在實(shí)際問題中的應(yīng)用等幾個(gè)方面，對初中物理中焦耳定律常見應(yīng)用進(jìn)行分類例析，旨在幫助學(xué)生深入理解和掌握焦耳定律，提高運(yùn)用焦耳定律解決實(shí)際問題的能力，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

關(guān)鍵詞：初中物理；焦耳定律；應(yīng)用分類

中圖分類號：G632 ""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""文章編號：1008-0333（2025）02-0103-03

收稿日期：2024-10-15

作者簡介：黃東輝，本科，中小學(xué)一級教師，從事初中物理教學(xué)研究.

焦耳定律是電學(xué)中一個(gè)重要定律，它揭示了電流通過導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)化為熱能的定量關(guān)系．在初中物理學(xué)習(xí)中，焦耳定律的應(yīng)用廣泛，涉及電路中的發(fā)熱現(xiàn)象、電熱器的工作原理以及電路的安全問題等多個(gè)方面．對焦耳定律的應(yīng)用進(jìn)行分類例析，有助于學(xué)生更好地理解和掌握這一定律，提高解決實(shí)際問題的能力．

1 家庭電路導(dǎo)線發(fā)熱問題分析

例1 電動(dòng)自行車是很多人常用的代步工具，為了充電方便，不少居民直接從自家樓上引出電線接上一個(gè)插線板為電動(dòng)自行車“飛線”充電．這存在著許多安全隱患，其中之一是“飛線”充電時(shí)電線長期暴露在外，風(fēng)吹日曬導(dǎo)致絕緣皮老化破損引發(fā)火災(zāi)．為什么絕緣皮破損會(huì)引起火災(zāi)，請你用所學(xué)知識(shí)解釋其中的道理[1]．

解析 根據(jù)I=UR可知，絕緣皮破損會(huì)造成短路，此時(shí)火線與零線直接接觸，電路中只有導(dǎo)線，導(dǎo)線的電阻很小，電源電壓不變，所以電路中的電流非常大.由Q=I2Rt可知，在電阻和通電時(shí)間一定時(shí)，導(dǎo)線上的電流越大，產(chǎn)生的電熱越多，使導(dǎo)線的溫度急劇升高，很容易造成火災(zāi)．

點(diǎn)評 由Q=I2Rt可知，電路中電流增大n倍，相等時(shí)間內(nèi)在相同的電阻上產(chǎn)生的熱量將增大到n2倍，這些熱量在短時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)散失，會(huì)引起導(dǎo)線著火，產(chǎn)生火災(zāi)的可能性較大．

2 利用焦耳定律進(jìn)行電熱的比值計(jì)算

例2 如圖1所示電路，電源電壓恒定．當(dāng)開關(guān)S1、S2斷開，S3閉合時(shí)，電流表示數(shù)為0.4 A，電壓表示數(shù)為4 V；當(dāng)開關(guān)S1、S2閉合，S3斷開時(shí)，電壓表示數(shù)為12 V，此時(shí)電流表示數(shù)為"A．則該電路的電源電壓為"V，電阻R1在前后兩電路中各工作2 min產(chǎn)生的電熱之比為．

解析 當(dāng)開關(guān)S1、S2斷開，S3閉合時(shí)，分析電路圖可知，電源電壓恒定，R1和R2串聯(lián)，電流表的示數(shù)為0.4 A，電壓表測R2兩端的電壓，示數(shù)為4 V，則R2的阻值為R2=U2I=4 V0.4 A=10 Ω.當(dāng)開關(guān)S1、S2閉合，S3斷開時(shí)，R1和R2并聯(lián)，電壓表測電源電壓，示數(shù)為12 V，則R1的阻值為R1=U-U1I=12 V-4 V0.4 A=20 Ω，R1和R2并聯(lián)時(shí)，電流表測干路電流，示數(shù)I=UR1+UR2=12 V10 Ω+12 V20 Ω=1.8 A．

電阻R1在前后兩電路中各工作2 min產(chǎn)生的電熱為Q1=I2R1 t=（0.4 A）2×20 Ω×2×60 s=384 J，Q′1=U2R1t=（12 V）220 Ω×2×60 s=864 J，Q1Q′1=384 J864 J=49．

點(diǎn)評 當(dāng)一個(gè)電路中存在多個(gè)開關(guān)時(shí)，需要學(xué)生冷靜思考，根據(jù)各開關(guān)的通斷情況分析電路的連接方式，簡化電路，然后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算．

3 利用焦耳定律計(jì)算用電器消耗的電能

例3 某電火鍋的部分參數(shù)如表1所示，該鍋具有雙控溫兩用分體多功能涮烤功能，能夠?qū)崿F(xiàn)燒烤、火鍋同時(shí)進(jìn)行，還能分開單獨(dú)控制.電火鍋的部分簡化電路圖如圖2所示，開關(guān)S1控制對中央?yún)^(qū)域湯鍋進(jìn)行加熱，S2可以控制左右兩側(cè)的燒烤盤，R1為電熱絲，R0為調(diào)溫電阻，在加熱板外側(cè)．求：

（1）在湯鍋功能下加熱狀態(tài)正常工作時(shí)，通過R1的電流為多少？

（2）當(dāng)湯鍋處于正常加熱狀態(tài)，將鍋中2.0 kg的水由20 ℃加熱到100 ℃用時(shí)14 min，求該電熱絲加熱狀態(tài)時(shí)的效率（已知c=4.2×103 J/（kg·℃），計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)）

（3）若R0的電阻為56 Ω，則該湯鍋在保溫檔時(shí)1 s消耗的電能為多少？（電熱絲電阻不隨溫度的變化而變化）

解析 （1）湯鍋功能加熱時(shí)，只有R1接入電路，湯鍋正常工作時(shí)，通過R1的電流I=PU=1100 W220 V=5 A．

（2）水吸收的熱量Q吸=cm（t-t0）=4.2×103 J/（kg·℃）×2 kg×（100 ℃-20 ℃）=6.72×105 J，消耗的電能W=P加熱t(yī)=1100 W×14×60 s=9.24×105 J，電熱絲加熱狀態(tài)的效率η=Q吸W×100%=6.72×105 J9.24×105 J×100%≈72.73%．

（3）由P=U2R可得，電熱絲R1的阻值R1=U2P加熱=（220 V）21100 W=44 Ω，

湯鍋處于保溫狀態(tài)時(shí)，溫控開關(guān)斷開，R0與R1串聯(lián)，因串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和，所以，保溫時(shí)電路總電阻R總=R1+R0=44 Ω+56 Ω=100 Ω，湯鍋保溫時(shí)1 s消耗的電能W保溫=U2R總t=（220 V）2100 Ω×1 s=484 J．

點(diǎn)評 如果導(dǎo)線部分和其他部分發(fā)熱忽略不計(jì)，某純電阻電路消耗的電能就是該電阻產(chǎn)生的電熱，所以得出湯鍋保溫時(shí)1 s消耗的電能[2]．

4 焦耳定律在實(shí)際問題中的應(yīng)用

例4 如圖3所示的空氣炸鍋，它主要由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的電風(fēng)扇和電加熱絲組成，工作時(shí)電加熱絲將空氣加熱，利用高溫空氣來代替食用油，通過高功率的風(fēng)扇，高溫空氣在一個(gè)密閉空間內(nèi)形成循環(huán)熱流，熱流使食物迅速變熟，無油烹飪，更加健康．這個(gè)空氣炸鍋有兩個(gè)加熱檔，圖4是它的電路圖，技術(shù)參數(shù)如表2．

（1）當(dāng)S斷開時(shí)，空氣炸鍋處于（選填“高溫”或“低溫”）檔加熱狀態(tài)；

（2）該空氣炸鍋低溫檔正常工作時(shí)，電路中的總電流為多大？

（3）該空氣炸鍋高溫檔正常工作，將200 g薯?xiàng)l從40 ℃加熱到200 ℃，若不計(jì)熱量損失，求需要加熱的時(shí)間？（結(jié)果保留整數(shù)位，不考慮薯?xiàng)l質(zhì)量的變化，c=3×103 J/（kg·℃））

（4）按國家規(guī)定大功率用電器的電源線不宜過長．從用電安全角度考慮，試說明空氣炸鍋電源線都很短的原因．

解析 （1）當(dāng)S斷開時(shí)，R1、R2串聯(lián)，當(dāng)S閉合時(shí)，只有R1工作.根據(jù)串聯(lián)電路的電阻特點(diǎn)可知，串聯(lián)電路的總電阻大于任一分電阻.電源電壓不變，由P=U2R可知，當(dāng)S斷開時(shí)，R1、R2串聯(lián)，電路中的電阻最大，電功率最小，空氣炸鍋處于低溫檔；當(dāng)S閉合時(shí)，只有R1工作，電路中的電阻最小，電功率最大，空氣炸鍋處于高溫檔．

（2）由P=UI可知，空氣炸鍋低溫檔正常工作時(shí)，通過電動(dòng)機(jī)的電流IM=PMU=110 W220 V=0.5 A，通過R1、R2的電流I低=P低U=660 W220 V=3 A，電路中的總電流I=I低+IM=3 A+0.5 A=3.5 A．

（3）薯?xiàng)l的質(zhì)量m=200 g=0.2 kg，薯?xiàng)l吸收的熱量Q吸=c薯?xiàng)lm（t-t0）=3×103 J/（kg·℃）×0.2 kg×（200 ℃-40 ℃）=9.6×104 J，不計(jì)熱損失，消耗的電能W＝Q吸=9.6×104 J，需要加熱的時(shí)間t′=WP高=9.6×104 J1 210 W≈79 s．

（4）根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt分析可知，在電流較大的情況下，如果導(dǎo)線越長，電阻R就越大，在相同時(shí)間內(nèi)線路中產(chǎn)生的熱量就越多，會(huì)造成能源浪費(fèi)和安全隱患，所以按國家規(guī)定大功率用電器的電源線不宜過長．

點(diǎn)評 本題考查了電學(xué)綜合知識(shí)，熟練掌握焦耳定律是解題的關(guān)鍵．第（3）問中，根據(jù)能量守恒得出消耗的電能，根據(jù)焦耳定律解得需要加熱的時(shí)間．第（4）問中，問到了“大功率用電器的電源線不宜過長”，因?yàn)殡娫淳€越長，電阻越大，相等時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越大，會(huì)造成能源浪費(fèi)，或因產(chǎn)生熱量過多引發(fā)火災(zāi)．

5 結(jié)束語

焦耳定律是初中物理電學(xué)中的重要定律，在純電阻電路和非純電阻電路、串聯(lián)電路和并聯(lián)電路以及實(shí)際生活中都有廣泛的應(yīng)用．通過對焦耳定律的深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用，學(xué)生能夠更好地理解電與熱的轉(zhuǎn)化關(guān)系，提高解決實(shí)際問題的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理和其他科學(xué)知識(shí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．同時(shí)，焦耳定律的應(yīng)用也提醒我們在日常生活和工作中合理利用電能，注意用電安全，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、安全、節(jié)能的用電目標(biāo)．

參考文獻(xiàn)：［1］ 王浩楠.活學(xué)活用焦耳定律[J].中學(xué)生數(shù)理化（學(xué)習(xí)研究），2019（04）：65.

[2] 代曉兵.焦耳定律在電學(xué)中理解和應(yīng)用[J].初中生輔導(dǎo)，2016（36）：40-42.

［責(zé)任編輯：李 璟］