例析初中物理焦耳定律的应用分类

摘 要：文章从家庭电路导线发热问题分析、利用焦耳定律进行电热的比值计算、利用焦耳定律计算用电器消耗的电能和焦耳定律在实际问题中的应用等几个方面，对初中物理中焦耳定律常见应用进行分类例析，旨在帮助学生深入理解和掌握焦耳定律，提高运用焦耳定律解决实际问题的能力，发展学生的物理学科核心素养．

关键词：初中物理；焦耳定律；应用分类

中图分类号：G632 ""文献标识码：A"""文章编号：1008-0333（2025）02-0103-03

收稿日期：2024-10-15

作者简介：黄东辉，本科，中小学一级教师，从事初中物理教学研究.

焦耳定律是电学中一个重要定律，它揭示了电流通过导体时电能转化为热能的定量关系．在初中物理学习中，焦耳定律的应用广泛，涉及电路中的发热现象、电热器的工作原理以及电路的安全问题等多个方面．对焦耳定律的应用进行分类例析，有助于学生更好地理解和掌握这一定律，提高解决实际问题的能力．

1 家庭电路导线发热问题分析

例1 电动自行车是很多人常用的代步工具，为了充电方便，不少居民直接从自家楼上引出电线接上一个插线板为电动自行车“飞线”充电．这存在着许多安全隐患，其中之一是“飞线”充电时电线长期暴露在外，风吹日晒导致绝缘皮老化破损引发火灾．为什么绝缘皮破损会引起火灾，请你用所学知识解释其中的道理[1]．

解析 根据I=UR可知，绝缘皮破损会造成短路，此时火线与零线直接接触，电路中只有导线，导线的电阻很小，电源电压不变，所以电路中的电流非常大.由Q=I2Rt可知，在电阻和通电时间一定时，导线上的电流越大，产生的电热越多，使导线的温度急剧升高，很容易造成火灾．

点评 由Q=I2Rt可知，电路中电流增大n倍，相等时间内在相同的电阻上产生的热量将增大到n2倍，这些热量在短时间内不能及时散失，会引起导线着火，产生火灾的可能性较大．

2 利用焦耳定律进行电热的比值计算

例2 如图1所示电路，电源电压恒定．当开关S1、S2断开，S3闭合时，电流表示数为0.4 A，电压表示数为4 V；当开关S1、S2闭合，S3断开时，电压表示数为12 V，此时电流表示数为"A．则该电路的电源电压为"V，电阻R1在前后两电路中各工作2 min产生的电热之比为．

解析 当开关S1、S2断开，S3闭合时，分析电路图可知，电源电压恒定，R1和R2串联，电流表的示数为0.4 A，电压表测R2两端的电压，示数为4 V，则R2的阻值为R2=U2I=4 V0.4 A=10 Ω.当开关S1、S2闭合，S3断开时，R1和R2并联，电压表测电源电压，示数为12 V，则R1的阻值为R1=U-U1I=12 V-4 V0.4 A=20 Ω，R1和R2并联时，电流表测干路电流，示数I=UR1+UR2=12 V10 Ω+12 V20 Ω=1.8 A．

电阻R1在前后两电路中各工作2 min产生的电热为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．

点评 当一个电路中存在多个开关时，需要学生冷静思考，根据各开关的通断情况分析电路的连接方式，简化电路，然后进行相关计算．

3 利用焦耳定律计算用电器消耗的电能

例3 某电火锅的部分参数如表1所示，该锅具有双控温两用分体多功能涮烤功能，能够实现烧烤、火锅同时进行，还能分开单独控制.电火锅的部分简化电路图如图2所示，开关S1控制对中央区域汤锅进行加热，S2可以控制左右两侧的烧烤盘，R1为电热丝，R0为调温电阻，在加热板外侧．求：

（1）在汤锅功能下加热状态正常工作时，通过R1的电流为多少？

（2）当汤锅处于正常加热状态，将锅中2.0 kg的水由20 ℃加热到100 ℃用时14 min，求该电热丝加热状态时的效率（已知c=4.2×103 J/（kg·℃），计算结果保留两位小数）

（3）若R0的电阻为56 Ω，则该汤锅在保温档时1 s消耗的电能为多少？（电热丝电阻不随温度的变化而变化）

解析 （1）汤锅功能加热时，只有R1接入电路，汤锅正常工作时，通过R1的电流I=PU=1100 W220 V=5 A．

（2）水吸收的热量Q吸=cm（t-t0）=4.2×103 J/（kg·℃）×2 kg×（100 ℃-20 ℃）=6.72×105 J，消耗的电能W=P加热t=1100 W×14×60 s=9.24×105 J，电热丝加热状态的效率η=Q吸W×100%=6.72×105 J9.24×105 J×100%≈72.73%．

（3）由P=U2R可得，电热丝R1的阻值R1=U2P加热=（220 V）21100 W=44 Ω，

汤锅处于保温状态时，温控开关断开，R0与R1串联，因串联电路中总电阻等于各分电阻之和，所以，保温时电路总电阻R总=R1+R0=44 Ω+56 Ω=100 Ω，汤锅保温时1 s消耗的电能W保温=U2R总t=（220 V）2100 Ω×1 s=484 J．

点评 如果导线部分和其他部分发热忽略不计，某纯电阻电路消耗的电能就是该电阻产生的电热，所以得出汤锅保温时1 s消耗的电能[2]．

4 焦耳定律在实际问题中的应用

例4 如图3所示的空气炸锅，它主要由电动机带动的电风扇和电加热丝组成，工作时电加热丝将空气加热，利用高温空气来代替食用油，通过高功率的风扇，高温空气在一个密闭空间内形成循环热流，热流使食物迅速变熟，无油烹饪，更加健康．这个空气炸锅有两个加热档，图4是它的电路图，技术参数如表2．

（1）当S断开时，空气炸锅处于（选填“高温”或“低温”）档加热状态；

（2）该空气炸锅低温档正常工作时，电路中的总电流为多大？

（3）该空气炸锅高温档正常工作，将200 g薯条从40 ℃加热到200 ℃，若不计热量损失，求需要加热的时间？（结果保留整数位，不考虑薯条质量的变化，c=3×103 J/（kg·℃））

（4）按国家规定大功率用电器的电源线不宜过长．从用电安全角度考虑，试说明空气炸锅电源线都很短的原因．

解析 （1）当S断开时，R1、R2串联，当S闭合时，只有R1工作.根据串联电路的电阻特点可知，串联电路的总电阻大于任一分电阻.电源电压不变，由P=U2R可知，当S断开时，R1、R2串联，电路中的电阻最大，电功率最小，空气炸锅处于低温档；当S闭合时，只有R1工作，电路中的电阻最小，电功率最大，空气炸锅处于高温档．

（2）由P=UI可知，空气炸锅低温档正常工作时，通过电动机的电流IM=PMU=110 W220 V=0.5 A，通过R1、R2的电流I低=P低U=660 W220 V=3 A，电路中的总电流I=I低+IM=3 A+0.5 A=3.5 A．

（3）薯条的质量m=200 g=0.2 kg，薯条吸收的热量Q吸=c薯条m（t-t0）=3×103 J/（kg·℃）×0.2 kg×（200 ℃-40 ℃）=9.6×104 J，不计热损失，消耗的电能W＝Q吸=9.6×104 J，需要加热的时间t′=WP高=9.6×104 J1 210 W≈79 s．

（4）根据焦耳定律Q=I2Rt分析可知，在电流较大的情况下，如果导线越长，电阻R就越大，在相同时间内线路中产生的热量就越多，会造成能源浪费和安全隐患，所以按国家规定大功率用电器的电源线不宜过长．

点评 本题考查了电学综合知识，熟练掌握焦耳定律是解题的关键．第（3）问中，根据能量守恒得出消耗的电能，根据焦耳定律解得需要加热的时间．第（4）问中，问到了“大功率用电器的电源线不宜过长”，因为电源线越长，电阻越大，相等时间内产生的热量越大，会造成能源浪费，或因产生热量过多引发火灾．

5 结束语

焦耳定律是初中物理电学中的重要定律，在纯电阻电路和非纯电阻电路、串联电路和并联电路以及实际生活中都有广泛的应用．通过对焦耳定律的深入学习和应用，学生能够更好地理解电与热的转化关系，提高解决实际问题的能力，为进一步学习物理和其他科学知识奠定坚实的基础．同时，焦耳定律的应用也提醒我们在日常生活和工作中合理利用电能，注意用电安全，以实现科学、安全、节能的用电目标．

参考文献：［1］ 王浩楠.活学活用焦耳定律[J].中学生数理化（学习研究），2019（04）：65.

[2] 代晓兵.焦耳定律在电学中理解和应用[J].初中生辅导，2016（36）：40-42.

［责任编辑：李 璟］