通过生活情境体验焦耳定律

丁慎兵

【摘要】焦耳定律在初中阶段的学习中并不是非常难理解的一个知识点，但在各类考察中因为牵涉电功和电热，往往给那些对物理概念理解并不深入的学生带来困扰.本文就这一问题，结合几个与生活情境相关的例题来帮助学生解答.

【关键词】初中物理;焦耳定律;生活情境

1 知识扫描

1.1 焦耳定律

定义：电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比.

公式：Q=I2Rt.

单位：焦耳（J）.

1.2 电功与电热的对比

区别：电功是指某段电路中输入的全部电能或某段电路中消耗的全部电能，计算公式是W=UIt;电热是指某段电路中因发热而消耗的电能，计算公式是Q=I2Rt.

联系：两者大小关系为W≥Q.

当研究对象是纯电阻电路时，电流做功全部转化为电阻发出的热能，此时电功与电热的关系为W=Q.生活中的应用如：电热炉、电饭锅、电熨斗、白炽灯等.涉及的计算公式：W=Q=UIt=I2Rt=U2R·t=Pt.

当研究对象是非纯电阻电路时，电流做功分成了两部分，一部分转化为电阻发热，另一部分则转化为了机械能、光能、化学能等其他形式的能量，此时电功与电热的关系为W>Q.生活中的应用如：电动机、日光灯、蓄电池等.涉及的計算公式：W=Q+E其他.

通过以上对知识点的简单回顾，我们可以发现：在处理焦耳定律相关问题时，首先需要做的就是分析研究对象的电功与电热的关系，也即研究对象的做功方式.

1.3 焦耳定律在生活中的应用

（1）电热的利用.这是初中阶段对欧姆定律最常见的考查方向，试题多以电热器为命题元素.电热器是生活中对焦耳定律的应用最常见的表现形式，比如电炉、电熨斗、电饭锅、电烙铁等，这类电热器的突出优点是热效率高、控制和调节方便，且清洁卫生，能有效减少环境污染.这类电热器的最重要工作部件的核心电学元件是电阻比较大的耐高温电阻丝，在解题中遇到，我们可以将其视为纯电阻电路进行分析.

（2）电热的危害与防治.此方面知识，虽然初中阶段考查较少，但是生活中却有很多实例，比如电视机、收音机上，除开音响部位外，还有一些特定部位设置有很多圆圆的小孔，那就是机器的散热孔.很多电器之所以设有散热孔甚至散热装置（如电脑中的散热扇），主要原因在于电流在通过导线时，因为电阻的存在，必然会产生热量，这些热量，如果是对于电热器是有益的，但对于其他电器来说则未必，一方面这些热量是对输入功率的浪费，降低了做功效率;另一方面，这些热量会加速电器绝缘部分的老化速度，甚至烧坏电器.在教学过程中如果我们善于利用生活中的这些元素，就能提高学生物理来源于生活、服务于生活的意识，加深学生对焦耳定律的理解，也能提高学生的物理学科素养.

2 实例探析

以上是对焦耳定律的知识点以及相关解题规律的简单总结.但我们都知道，考试中的题目都不是简单的知识填空，考查内容、考查目的都可能很隐蔽地藏在题中文字或图表中，我们只掌握知识点还不足以解决问题，还要善于审题，甚至还要有较强的物理建模能力.

焦耳定律因为与生活联系紧密，题目的表现形式多样，需要我们认真审题，找到关键信息，将生活情境转换为物理情境，并能准确提炼和判断出电路类型，然后选择合适公式进行解题.

接下来，我们就通过几个典型例题来体会一下.

2.1 最常用的电饭煲

电饭煲是完美应用焦耳定律的家用电器，这其中，为何只有加热电阻温度升高而连接电路的导线温度没有多大变化，是值得我们思考的问题之一.

例1 电饭煲是我们生活中最常用到的家用电器.如图1所示是一台多功能电饭煲，其工作部分的电路图可以简化为图2所示.其中两个开关中，S1是限温开关（需手动闭合），当温度达到设定温度（一般为103℃）时会自动断开;S2是温控开关，当温度高于80℃时会自动断开，当温度低于60℃时会自动闭合;三个电阻中，R1是保护电阻，R2和R3组成加热和保温电路，其中电阻R1=R2=500Ω，R3=50Ω;红灯表示加热，黄灯表示保温，且两个灯的电阻不计.据此解答下列问题.

（1）完整叙述电饭煲加热和保温的工作过程.

（2）如果在做饭时我们忘记按下开关S1会发生什么情况？

（3）分别求出电饭煲保温和加热状态时消耗的电功率.

解析 （1）当接入电源后，由开关S2的功能可知此时S2处于闭合状态，手动闭合开关S1后，黄灯和电阻R1被短路，红灯亮，电阻R2和R3处于加热状态;当温度达到80℃时，开关S2断开，开关S1仍闭合，直到电饭锅中水烧干进而电饭煲内温度达到103℃，此时开关S1断开，黄灯和电阻R1接入电路，加热电路处电流被分流，电饭煲处于保温状态;当由于散热，电饭煲内温度低于60℃时，开关S2闭合，电饭煲再次进入加热状态，直到温度高于80℃时开关S2断开，再次进入保温状态……如此循环，直到我们断开电饭煲的电源.

（2）根据（1）中对电饭煲工作流程的分析，我们可以知道，如果在做饭时我们忘记按下开关S1会出现的情况就是电饭煲内的食物只能被加热到80℃，如果是生的食物将不能被煮熟.

（3）电饭煲可认为是一个纯电阻电器，因此可根据公式W=Pt=U2R·t直接得到功率的计算公式P=U2R，设电阻R2和R2的并联电阻为R23，可得保温状态下电饭煲的电功率为

P1=U2R23=2202（50×50050+500）W=1064.8W

加热状态下电饭煲的电功率为

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

2.2 经常见的电动机

电动机作为最常见的非纯电阻电路，是各类考试中经常被拿出来考查的.这类问题的本质就是注意区分电热和电功，然后根据题目灵活利用“万能”公式W=Q+E其他，进行列式求解即可.

此类题目设计的巧妙之处在于将电路中的电阻隐藏起来，需要我们根据题给信息找到它.

例2 夏日炎炎，除了空调，我们还经常用风扇来纳凉.如图3所示，是一款小型风扇，其中用到的动力装置就是一台电动机.假设该风扇上所用电动机的额定电压U额=36V，额定电流I额=1A.有一次，小明给电扇接入电压U1=10V的电源时，扇叶并不转动，他测得此时通过电动机的电流I1=2A.求该电风扇中的电动机在额定电压下工作时输出的机械功率.

解析 在风扇扇叶不转动时，电动机可视为纯电阻，由欧姆定律列式可得电动机的电阻

R=U1/I1=10V/2A=5Ω

在额定电压下工作时，电源输入的总功率为

P总=U额I额=36V×1A=36W

在额定电压下工作时，电动机电阻消耗的功率为

P热==I2R= I额2R=（1A）2×5Ω=5W

电动机在额定电压下工作时输出的机械功率

P= P总-P热=36W-5W=31W.

3 总结

焦耳定律的應用是中考中最常见的考点之一，考查内容通常是焦耳定律的内容及应用、焦耳定律实验（控制变量法探究）、电热器的构造和原理等，题型多是实验题和计算题，难点是与焦耳定律的应用相关的计算题.

因为这类题型常与生活联系，以生活为背景设题，学生遇到的第一道难关就是物理建模——将生活情境转换为物理场景.在成功建模后，有关焦耳定律的计算还有一个关键点：分清研究对象是纯电阻电路还是非纯电阻电路.

在上面“电功与电热的对比”中，我们已经对两类电路的适用公式做了明确区分，在此再次强调一定要注意公式的应有范围，切忌公式误用.

关于电热的计算，也是欧姆定律问题常见的计算内容.在这类计算中，需要综合串、并联电路的特性的相关知识，且要对求电流热效应的各个公式理解透彻，根据题目准确选用最合适的公式.而在练习过程中，我们要引导学生多归纳总结，让他们清楚电热问题归根结底就是求电功率.这在上面“电功与电热的对比”中，我们也有涉及，可以参照，但外在的知识想要内化为内在的能力，勤学苦练是基础，多思考、善总结是方法和根本.

总之，在焦耳定律相关问题中，通过生活实际的场景来设计题目.这部分题目，涉及定量思想、电和热的综合应用，对学生的综合能力有较高要求.做题时需要认真审题，在材料中提取隐含的关键信息.

参考文献：

[1]曲志敏.《焦耳定律》的教学设计[J].中学物理：初中版， 2015（7）：3.

[2]沈涛.物理教学生活化的应用——焦耳定律[J].新课程， 2018（24）：1.

[3]高翔.关于探究电流热效应影响因素实验设计的缺陷及改进策略[J].中学物理：初中版，2014（3）：2.