丁慎兵

【摘要】焦耳定律在初中階段的學(xué)習(xí)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(xué)生帶來困擾.本文就這一問題，結(jié)合幾個與生活情境相關(guān)的例題來幫助學(xué)生解答.

【關(guān)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(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與導(dǎo)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(qū)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(fā)熱而消耗的電能，計算公式是Q=I2Rt.

聯(lián)系：兩者大小關(guān)系為W≥Q.

當研究對象是純電阻電路時，電流做功全部轉(zhuǎn)化為電阻發(fā)出的熱能，此時電功與電熱的關(guān)系為W=Q.生活中的應(yīng)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(zhuǎn)化為電阻發(fā)熱，另一部分則轉(zhuǎn)化為了機械能、光能、化學(xué)能等其他形式的能量，此時電功與電熱的關(guān)系為W>Q.生活中的應(yīng)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(fā)現(xiàn)：在處理焦耳定律相關(guān)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(guān)系，也即研究對象的做功方式.

1.3 焦耳定律在生活中的應(yīng)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(yīng)用最常見的表現(xiàn)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(yōu)點是熱效率高、控制和調(diào)節(jié)方便，且清潔衛(wèi)生，能有效減少環(huán)境污染.這類電熱器的最重要工作部件的核心電學(xué)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(shè)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(shè)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(dǎo)線時，因為電阻的存在，必然會產(chǎn)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(xué)過程中如果我們善于利用生活中的這些元素，就能提高學(xué)生物理來源于生活、服務(wù)于生活的意識，加深學(xué)生對焦耳定律的理解，也能提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).

2 實例探析

以上是對焦耳定律的知識點以及相關(guān)解題規(guī)律的簡單總結(jié).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(nèi)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(lián)系緊密，題目的表現(xiàn)形式多樣，需要我們認真審題，找到關(guān)鍵信息，將生活情境轉(zhuǎn)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(yīng)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(dǎo)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(guān)中，S1是限溫開關(guān)（需手動閉合），當溫度達到設(shè)定溫度（一般為103℃）時會自動斷開;S2是溫控開關(guān)，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(jù)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(guān)S1會發(fā)生什么情況？

（3）分別求出電飯煲保溫和加熱狀態(tài)時消耗的電功率.

解析 （1）當接入電源后，由開關(guān)S2的功能可知此時S2處于閉合狀態(tài)，手動閉合開關(guān)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(tài);當溫度達到80℃時，開關(guān)S2斷開，開關(guān)S1仍閉合，直到電飯鍋中水燒干進而電飯煲內(nèi)溫度達到103℃，此時開關(guān)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(tài);當由于散熱，電飯煲內(nèi)溫度低于60℃時，開關(guān)S2閉合，電飯煲再次進入加熱狀態(tài)，直到溫度高于80℃時開關(guān)S2斷開，再次進入保溫狀態(tài)……如此循環(huán)，直到我們斷開電飯煲的電源.

（2）根據(jù)（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(guān)S1會出現(xiàn)的情況就是電飯煲內(nèi)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(jù)公式W=Pt=U2R·t直接得到功率的計算公式P=U2R，設(shè)電阻R2和R2的并聯(lián)電阻為R23，可得保溫狀態(tài)下電飯煲的電功率為

P1=U2R23=2202（50×50050+500）W=1064.8W

加熱狀態(tài)下電飯煲的電功率為

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

2.2 經(jīng)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(jīng)常被拿出來考查的.這類問題的本質(zhì)就是注意區(qū)分電熱和電功，然后根據(jù)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(shè)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(jù)題給信息找到它.

例2 夏日炎炎，除了空調(diào)，我們還經(jīng)常用風(fēng)扇來納涼.如圖3所示，是一款小型風(fēng)扇，其中用到的動力裝置就是一臺電動機.假設(shè)該風(fēng)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(zhuǎn)動，他測得此時通過電動機的電流I1=2A.求該電風(fēng)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(fēng)扇扇葉不轉(zhuǎn)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(jié)

焦耳定律的應(yīng)用是中考中最常見的考點之一，考查內(nèi)容通常是焦耳定律的內(nèi)容及應(yīng)用、焦耳定律實驗（控制變量法探究）、電熱器的構(gòu)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(yīng)用相關(guān)的計算題.

因為這類題型常與生活聯(lián)系，以生活為背景設(shè)題，學(xué)生遇到的第一道難關(guān)就是物理建?！獙⑸钋榫侈D(zhuǎn)換為物理場景.在成功建模后，有關(guān)焦耳定律的計算還有一個關(guān)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(jīng)對兩類電路的適用公式做了明確區(qū)分，在此再次強調(diào)一定要注意公式的應(yīng)有范圍，切忌公式誤用.

關(guān)于電熱的計算，也是歐姆定律問題常見的計算內(nèi)容.在這類計算中，需要綜合串、并聯(lián)電路的特性的相關(guān)知識，且要對求電流熱效應(yīng)的各個公式理解透徹，根據(jù)題目準確選用最合適的公式.而在練習(xí)過程中，我們要引導(dǎo)學(xué)生多歸納總結(jié)，讓他們清楚電熱問題歸根結(jié)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(nèi)化為內(nèi)在的能力，勤學(xué)苦練是基礎(chǔ)，多思考、善總結(jié)是方法和根本.

總之，在焦耳定律相關(guān)問題中，通過生活實際的場景來設(shè)計題目.這部分題目，涉及定量思想、電和熱的綜合應(yīng)用，對學(xué)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(guān)鍵信息.

參考文獻：

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