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焦耳定律

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接着前面讲到的电功率,我们再来分析电流的热效应,研究电流产生热量的定律:焦耳定律。

王尚老师录制了11段教学视频,供同学们免费学习

焦耳定律视频

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焦耳定律

上一节《测量小灯泡的电功率》的实验中,我们会观察到小灯泡除了发光外,还发热。

在实际生活中,很多用电器在工作时也都伴随着热现象的产生。那么用电器产生的内能,与哪些因素有关呢?这便是我们本节《焦耳定律》要学习的内容。

电流的热效应

生活中,许多用电器接通电源后,都伴有热现象产生。电流通过导体时电能转化成内能,这种现象叫做电流的热效应。

在研究电流的热效应时,有个问题值得我们思考:电炉丝通过导线接到电路里,电炉丝和导线通过的电流相同。

为什么电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热?换句话说电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关?

演示实验:探究电阻对产生热量的影响

如图所示,两个透明容器中密封着等量的空气,U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。两个密闭容器中都有一段电阻丝,右边容器中的电阻比较大。

两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端,通过两段电阻丝的电流相同。通电一定时间后,比较两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么?

实验表明,在电流相同、通电时间相同的情况下,电阻越大,这个电阻产生的热量越多。

实验:探究电流对产生热量的影响

如图所示,两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器外部,将一个电阻和这个容器内的电阻并联,因此通过两容器中电阻的电流不同。

在通电时间相同的情况下,观察两个U形管中液面高度的变化。你看到的现象说明了什么?

实验结果:在通电时间相同的情况下,电流越大,这个电阻产生的热量越多。

实验:探究通电时间对产生热量的影响

如图所示,两个密闭容器中的电阻一样大,在其中一个容器外部,将一个电阻和这个容器内的电阻并联。

在通电时间不同的情况下,观察两个U形管中液面高度有什么变化?你看到的现象说明了什么?

实验结果:通电时间越长,产生的热量越多。

电流的热效应

当电流通过导体时,电能转化成内能的现象,叫做电流的热效应。

各种用电器都有导体,所以只要有用电器通电,就会发热。

焦耳定律

实验表明,在电阻越大、通过的电流越大,通电时间越长这个电阻产生的热量越多。

英国物理学家焦耳做了大量实验,于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。

焦耳定律表达式

焦耳定律内容:电流通过导体产生的热量,跟电流的平方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。焦耳定律的公式:

Q=I2Rt;

其中,Q为电流产生的热量,I为电流的大小,R为用电器的电阻。

焦耳定律表达式的推导

电流通过导体时,如果电能全部转化为内能,而没有同时转化为其他形式的能量,那么,电流产生的热量Q就等于消耗的电能W,即Q=W=Ult

再根据欧姆定律U=IR,就得到Q=I2Rt;

可见,在消耗的电能全部用来产生热量的情况下,根据电功的公式和欧姆定律的公式推导出来的结论与焦耳定律一致。

焦耳定律的推导式

在纯电阻电路中,即电能全部转化为内能,没有同时转化为其他形式的能量。

根据焦耳定律:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。

Q=I2Rt    I=U/R 可推导  Q=U2t/R   Q=UIt

焦耳定律解释电炉问题

电炉通过导线接到电路中,流过导线的电流全部流过电炉丝,导线中的电流跟电炉丝中电流相等。

通过前面的学习我们已经知道,导线电阻很小,1m长的电线,电阻不过百分之几欧姆,而电炉丝的电阻可达几十欧姆到上百欧姆。

电炉在工作时,导线发热少,这是因为导线的电阻小。

而电炉丝发热多,这是因为电炉丝的电阻大。

最终结果:当通过的电流相等时,电炉丝很热,而导线却不热。

焦耳定律的思考题

额定电压相同的灯泡,额定功率越大,电阻越小,正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律,电阻越大,单位时间内产生的热量越多。二者似乎有矛盾,这是怎么回事?

电热的利用与防止

电热可以利用,但有时也有危害。

电热的利用:热水器、电饭锅、电熨斗等等。

电能的防止:电视机后盖有很多散热孔,电脑运行时需要利用小型内置风扇为主要部件吹风散热。

如果过多的电热不能及时散失,就会产生许多安全隐患。对于大量产热的数据中心,用高昂的电能散热器也不划算。2014年微软开始筹备的海底数据中心名为“纳提克项目”,名字来源于马萨诸塞州的地名。该项目把数据中心建在海底,利用流动的海水来为数据运行时的设备散热。

《焦耳定律》基础知识巩固题

1、电流通过导体产生的热量跟电流的       成正比,跟导体的电阻成       比,跟通电时间成       比,这个规律叫焦耳定律,它反映       能转化为       能的规律,它的数学表达式为       

2、在电流通过导体时,如果电能全部转化成内能,那么焦耳定律可根据公式              推导出来。

3、一只电热器通过的电流是2A,每分钟可产生热量是2.4×103J,那么这个电热器的热功率是       W,工作时的电压是       V,电热器的电阻值是       Ω。

4、阻值为R的电热丝,接到某电源上,在t分钟内,将一壶水烧开,现将阻值为4R的电热丝仍接到原来的电源上,将这壶水烧开,所需时间变为       分钟。(设电热丝放出的热量全被水吸收)

5、某同学要自制一个电烙铁,要求在220V的额定电压下工作时,每分钟放出18000J的热量,则应选择电阻为       Ω的电阻丝,电烙铁的额定功率是       W。

6、把长度和横截面积相同的铜丝和铁丝串联起来,通电后流过它们的电流和在相同时间产生的热量是电流       ,热量       。(相同或不同)

7、两只电阻R1=2R2,把它们串联起来后接入电路中,相同时间内产生的热量之比是      ;若把它们并联后接入电路中,在相同时间内产生的热量之比是       

8、三个电阻分别是R1、R2和R3,他们阻值之比为1:2:3,则把它们串联后,相同时间产生热量之比为       ,把它们并联后,相同时间产生热量之比为       

9、有两个阻值相同的电热丝,将它们串联后接入一电源加热一壶水,10min可把水烧开,若将它们并联后接入同一电源,加热同一壶水,则       min可将水烧开。(不计加热过程中的热量损耗)

10、串联电路中,发热最快的部分是       

A、电流最大部分

B、电压最大部分

C、电阻最小部分

D、温度最低部分

《焦耳定律》基础知识巩固题答案

1、二次方   正   正   电   内   Q=I2Rt

2、U2t/R   UIt

3、40   20   10

4、4t

5、161.3   300

6、相同   不同

7、2:1   1:2

8、1:2:3   2:3:6

9、2.5

10、B

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