例析初中物理焦耳定律的應用分類

摘 要：文章從家庭電路導線發熱問題分析、利用焦耳定律進行電熱的比值計算、利用焦耳定律計算用電器消耗的電能和焦耳定律在實際問題中的應用等幾個方面，對初中物理中焦耳定律常見應用進行分類例析，旨在幫助學生深入理解和掌握焦耳定律，提高運用焦耳定律解決實際問題的能力，發展學生的物理學科核心素養．

關鍵詞：初中物理；焦耳定律；應用分類

中圖分類號：G632 ""文獻標識碼：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，中小學一級教師，從事初中物理教學研究.

焦耳定律是電學中一個重要定律，它揭示了電流通過導體時電能轉化為熱能的定量關系．在初中物理學習中，焦耳定律的應用廣泛，涉及電路中的發熱現象、電熱器的工作原理以及電路的安全問題等多個方面．對焦耳定律的應用進行分類例析，有助于學生更好地理解和掌握這一定律，提高解決實際問題的能力．

1 家庭電路導線發熱問題分析

例1 電動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插線板為電動自行車“飛線”充電．這存在著許多安全隱患，其中之一是“飛線”充電時電線長期暴露在外，風吹日曬導致絕緣皮老化破損引發火災．為什么絕緣皮破損會引起火災，請你用所學知識解釋其中的道理[1]．

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

點評 由Q=I2Rt可知，電路中電流增大n倍，相等時間內在相同的電阻上產生的熱量將增大到n2倍，這些熱量在短時間內不能及時散失，會引起導線著火，產生火災的可能性較大．

2 利用焦耳定律進行電熱的比值計算

例2 如圖1所示電路，電源電壓恒定．當開關S1、S2斷開，S3閉合時，電流表示數為0.4 A，電壓表示數為4 V；當開關S1、S2閉合，S3斷開時，電壓表示數為12 V，此時電流表示數為"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產生的電熱之比為．

解析 當開關S1、S2斷開，S3閉合時，分析電路圖可知，電源電壓恒定，R1和R2串聯，電流表的示數為0.4 A，電壓表測R2兩端的電壓，示數為4 V，則R2的阻值為R2=U2I=4 V0.4 A=10 Ω.當開關S1、S2閉合，S3斷開時，R1和R2并聯，電壓表測電源電壓，示數為12 V，則R1的阻值為R1=U-U1I=12 V-4 V0.4 A=20 Ω，R1和R2并聯時，電流表測干路電流，示數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．

點評 當一個電路中存在多個開關時，需要學生冷靜思考，根據各開關的通斷情況分析電路的連接方式，簡化電路，然后進行相關計算．

3 利用焦耳定律計算用電器消耗的電能

例3 某電火鍋的部分參數如表1所示，該鍋具有雙控溫兩用分體多功能涮烤功能，能夠實現燒烤、火鍋同時進行，還能分開單獨控制.電火鍋的部分簡化電路圖如圖2所示，開關S1控制對中央區域湯鍋進行加熱，S2可以控制左右兩側的燒烤盤，R1為電熱絲，R0為調溫電阻，在加熱板外側．求：

（1）在湯鍋功能下加熱狀態正常工作時，通過R1的電流為多少？

（2）當湯鍋處于正常加熱狀態，將鍋中2.0 kg的水由20 ℃加熱到100 ℃用時14 min，求該電熱絲加熱狀態時的效率（已知c=4.2×103 J/（kg·℃），計算結果保留兩位小數）

（3）若R0的電阻為56 Ω，則該湯鍋在保溫檔時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，只有R1接入電路，湯鍋正常工作時，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=1100 W×14×60 s=9.24×105 J，電熱絲加熱狀態的效率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，

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

點評 如果導線部分和其他部分發熱忽略不計，某純電阻電路消耗的電能就是該電阻產生的電熱，所以得出湯鍋保溫時1 s消耗的電能[2]．

4 焦耳定律在實際問題中的應用

例4 如圖3所示的空氣炸鍋，它主要由電動機帶動的電風扇和電加熱絲組成，工作時電加熱絲將空氣加熱，利用高溫空氣來代替食用油，通過高功率的風扇，高溫空氣在一個密閉空間內形成循環熱流，熱流使食物迅速變熟，無油烹飪，更加健康．這個空氣炸鍋有兩個加熱檔，圖4是它的電路圖，技術參數如表2．

（1）當S斷開時，空氣炸鍋處于（選填“高溫”或“低溫”）檔加熱狀態；

（2）該空氣炸鍋低溫檔正常工作時，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薯條從40 ℃加熱到200 ℃，若不計熱量損失，求需要加熱的時間？（結果保留整數位，不考慮薯條質量的變化，c=3×103 J/（kg·℃））

（4）按國家規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S斷開時，R1、R2串聯，當S閉合時，只有R1工作.根據串聯電路的電阻特點可知，串聯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S斷開時，R1、R2串聯，電路中的電阻最大，電功率最小，空氣炸鍋處于低溫檔；當S閉合時，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，通過電動機的電流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）薯條的質量m=200 g=0.2 kg，薯條吸收的熱量Q吸=c薯條m（t-t0）=3×103 J/（kg·℃）×0.2 kg×（200 ℃-40 ℃）=9.6×104 J，不計熱損失，消耗的電能W＝Q吸=9.6×104 J，需要加熱的時間t′=WP高=9.6×104 J1 210 W≈79 s．

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

點評 本題考查了電學綜合知識，熟練掌握焦耳定律是解題的關鍵．第（3）問中，根據能量守恒得出消耗的電能，根據焦耳定律解得需要加熱的時間．第（4）問中，問到了“大功率用電器的電源線不宜過長”，因為電源線越長，電阻越大，相等時間內產生的熱量越大，會造成能源浪費，或因產生熱量過多引發火災．

5 結束語

焦耳定律是初中物理電學中的重要定律，在純電阻電路和非純電阻電路、串聯電路和并聯電路以及實際生活中都有廣泛的應用．通過對焦耳定律的深入學習和應用，學生能夠更好地理解電與熱的轉化關系，提高解決實際問題的能力，為進一步學習物理和其他科學知識奠定堅實的基礎．同時，焦耳定律的應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，以實現科學、安全、節能的用電目標．

參考文獻：［1］ 王浩楠.活學活用焦耳定律[J].中學生數理化（學習研究），2019（04）：65.

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

［責任編輯：李 璟］