154 探究焦耳定律

1、第,15,章,电能与电功率,15.4,探究焦耳定律,1,通过实验探究，知道在电流一定时，导体消耗,的电功率与导体的电阻成正比,3,了解焦耳定律，知道电热现象的应用和控制,2,知道什么是电流的热效应及电热现象的实质,1,灯泡发光一段时间后，用手触,摸灯泡有什么感觉？为什么,2,电风扇使用一段时间后，用手,触摸电动机部分有什么感觉？为,什么,答案,发烫。是电流的热效应,问题,一、电流热效应,电流通过导体时，导体总是会,发热的，这种现象叫做电流的,热效应,电热器,电饭锅,电烙铁,热得快,电热毯,电炉子,电熨斗,电流通过导体时能使导体的,温度升高，电能转化为内能，这,就是,电流的热效应,灯泡接入电路中

2、时，灯泡和电线中流过,相同的电流，灯泡和电线都要发热，可是实,际上灯泡热得发烫，电线的发热却觉察不出,来。这是为什么,烫手,不烫手,为什么,着火了,为什么,家庭电路中使用功率过大的用电器可能引起火灾,这又是为什么,烫,手,不烫,手,家庭电路中使用功,率过大的用电器可,能引起火灾,灯泡接入电路中时，灯泡,和电线中流过相同的电流,灯泡和电线都要发热，可,是实际上灯泡热得发光,电线的发热却觉察不出来,要解释上述两个现象，我,们必须研究,电流产生的热量与哪些,因素有关,二、探究电流的热效应与哪些因素,有关,猜想,1,电流的热效应可能与电流的大小有,关,2,电流的热效应可能与电阻的大小有,关,3,电流的

3、热效应可能与通电时间的长,短有关,实验,1,电流热效应跟电阻的关系,实验器材,实验目的,研究电流通过导体产生的热量跟,电阻因素有关,实验原理,当电流通过电阻丝时，电流产生的热量就使,瓶中的煤油温度升高、体积膨胀，瓶塞上面,原来一样高的液柱就会逐渐上升。电流产生,的热量越多，液面就会上升得越高。我们可,以通过管中液面上升的高度比较电流产生的,热量,电源、开关、烧瓶、电流表、滑动变,阻器,导管、适量煤油和足够导线,两个相同的烧瓶中装满煤油,分别放入电阻不同的电阻丝,通电后导管中的煤油上升,播放,暂停,前进,后退,结束,实验:电流热效应跟电阻的关系,甲容器中液柱面高于乙容器中液柱面,当通电时间、电流

4、相同时，电阻越大电,流产生的热量越多,电流大，液柱的液面高。电流小，液柱的液面低,电阻和通电时间相同时，电流越大产生，的热量越多,通电时间长液柱的液面升的高；通电时间短液柱的液面升的低,电阻和通电电流相同时，通电时间越长产生的热量越多,焦耳在,1818,年,12,月,24,日生于英国曼彻斯特,他的父亲是一个酿酒厂主。焦耳自幼跟随父亲,参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时,期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学,家道尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导。焦,耳向他虚心的学习了数学、哲学和化学，这些,知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础,1840,年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量,不同电流

5、和电阻时的水温。通过这一实验，他,发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的,电阻及电流的平方之积成正比。四年之后，俄,国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从,而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的,正确性。因此，该定律称为焦耳楞次定律,焦耳活到了七十一岁,1889,年,10,月,11,日，焦耳,在索福特逝世。后人为了纪念焦耳，把功和能,的单位定为焦耳,电流产生的热量与导体的电阻有关,电流产生的热量与导体中的电流大小有关,电流产生的热量与通电时间长短有关,电流通过导体时，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，还跟通电的,时间成正比,二,1,内容：电流通过导体产生的热量跟电

6、流的平,方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间,成正比,2,公式,Q,I,2,Rt,3,单位,I,安,R,欧,t,秒,Q,焦,注意：热量跟电流的平方成正比，若通过一,个用电器的电流增加到,3,倍时，它产生的热量,增大到,倍,9,英国物理学家焦耳,做了大量的实验,于,1840,年最先精确地确定电流产生的热量跟电,流、电阻和通电时间的关系，即焦耳定律,焦耳定律,焦耳定律数学表达式,W=Q,例题】一根,60,的电阻丝接在,36V,的电源上,在,5min,内共产生多少,J,热量,解析,t=5min=300s,Q=I,2,Rt=(0.6A,2,60,300s=6480J,U,36V,I,0.6A,R,

7、60,焦耳定律应用,根据电功公式和欧姆定律推导焦耳定律,Q = W = UIt = I,2,Rt,根据欧姆定律,U = IR,又,W = UIt,前提,若电流做的功全部用来产生热量即,Q,W,焦耳定律适用于任何用电器的热量计算，对只,存在电流热效应的电路也可用,Q,W,UIt,Pt,t,来计算热量,R,U,2,焦耳定律探讨,1,当电流通过导体时，如果电能全部转化为,内能，而没有同时转化成其他形式的能量，那么电,流产生的热量,Q,就等于消耗的电能,W,即,Q,W,UIt,I,2,Rt,如：电暖器，电饭锅，电炉子等,2,当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电,机的机械能,W,Q,热,电能和电热关系,

8、电能,内能,机械能,非纯电阻电路,W,总,Q,W,总,UIt,W,外,Q,注意,纯电阻电路,W,总,Q,放,Pt=UIt,t,I,2,Rt,R,U,2,焦耳定律探讨,举例：电动机,1,能量转化,电能,机械能,内能,2,总功（电能,W,总,UIt,3,有用功（机械能,W,有,Gh,4,额外功（内能、热量,Rt,I,Q,2,UIt,Gh,W,W,100,5,总,有,效率,1,03,安徽）有一台直流电动机在,220V,的电压,下工作时，电流为,35A,用它匀速提升质量为,1400kg,的货物，在,2s,内提升了,1m,设电动机输,出的能量全部用来提升货物。问,1,2s,内电动机对货物做了多少功,2,

9、这期间电动机的效率是多少,3,电动机消耗的电能转化成了哪些形式的能,量,典型例题,1.4,10,4,J,91,内能、机械能,2,05,安徽）在学了电学知识后，小明与同学合作组,装了一个如图所示的实验装置，他想通过该实验测算,小电动机提升重物的效率。当他闭合开关后，通过调,整实验装置，使钩码在,10s,内匀速上升了,0.6m,并观,察到电压表和电流表的示数分别为,3V,和,0.2,已知,钩码的质量为,50g,求,电动机在钩码匀速上升的,10s,内消耗的电能,在钩码匀速上升的过程中，电动机提升钩码的效率,为多少,典型例题,6J,5,3,08,安徽）如图所示的电动机是一种使用广泛的动力,机械，从能量

10、转化的角度看它主要是把电能转化为,机械能，还有一部分能量在线圈中以热量的形式散失,掉。现有一台电动机，当电动机两端加,220V,电压时,通过电动机线圈的电流为,50A,问,1,每分钟该电动机消耗的电能是多少,2,已知电流通过导体时产生的热量,Q=I,2,Rt,其中,I,R,和,t,分别表示通过导体的电流、导体的电阻和通电,时间），若该电动机线圈的电阻是,0.4,则线圈每分,钟产生的热量是多少,3,这台电动机每分钟所做的机械功是多少,典型例题,6.6,10,5,J,6.0,10,4,J,6.0,10,5,J,1,P,IU,U,IR,P,IU,I,IR,I,2,R,在电流相同的情况下，电能转化成热

11、能,时的功率跟导体的电阻成正比,即：在电流相同时，电阻较大的导体,在一定时间内产生的热较多,结论,焦耳定律探讨,我们知道了,P,I,2,R,你能用它解释下面,的问题吗,电炉丝接入电路中时，电炉丝热得,发红，而跟电炉丝串联的导线却几乎不,发热。这是为什么,问题,1,因为电炉丝与导线是串联，根据,P=I,2,R,可知,通过电炉丝和导线的,电流相等，电炉丝比导,线电阻大，所以电炉丝产生的热量多,因此,电炉丝热得发红，而导线不热,2,P,UI,I,结论,在电压相同的情况下，电能转化,成热能时的功率跟导体的电阻成反比,即：在电压相同时，电阻较大的,导体在一定时间内产生的热量较少,R,U,2,R,U,P,

12、焦耳定律探讨,为什么接在家庭电路中的灯泡,100W,的,要比,15W,的亮得多,问题,2,我们知道了,你能用它解释下面的问题,吗,R,U,2,P,因为两灯泡是并联，根据,可知：灯,泡两端的,电压相等,100W,的灯泡比,15W,的灯,泡电阻小，所以,100W,的灯泡产生的热量多,因此,100W,比,15W,灯泡更亮,R,U,2,P,电流热效应跟电阻的关系,在串联电路中，由,P,I,2,R,可知,电流相等时，导体产生的热量跟电阻成,正比,电压相等时，导体产生的热量跟电阻成,反比,在并联电路中，由,可知,R,U,2,P,根据焦耳定律可知，生活中用电器在工,作时，会产生电热，怎样合理地应用电,热和防

13、止电热造成的危害呢,三、电流热效应的应用与控制,1,电热的应用,三、电流热效应的应用与控制,电流热效应的应用,电流热效应的应用很广泛,播放,前进,暂停,后退,电热的利用,结束,2,电热的控制,电流热效应的控制（防护,上面这些东西里都装有散热装置，你知道,它们是怎样散热的吗？你还知道哪些电器采,取了散热措施？安装了什么样的散热装置,散热窗、散热片、散热小风扇,散热窗,散热片,散热风扇,电热的利用和防止,1,电热器：利用电流来加热的设备,主要部件：发热体（电阻率大、熔点高,应用：电热水器、电饭锅、电熨斗、电孵化,器、电烙铁等等,2,电热的防止：电视机后盖的散热窗、电脑主,机里面的小电风扇等等,播放

14、,暂停,前进,后退,电热的危害,结束,1,08,北京）下列四种电器中，利用电流,热效应工作的是,A,洗衣机,B,录音机,C,电视机,D,电饭锅,典型例题,D,2,08,甘肃）有三根电阻丝，接在电压恒定不,变的电源上，产生的热量全部用来烧水，要使,用同一壶水在最短的时间内烧开，那么这三根,电阻丝应是,A,三根串联,B,三根并联,C,两根串联起来，再跟第三根并联,D,两根并联起来，再跟第三根串联,B,3,08,海南）将规格都是,220V 100W,的一,台电风扇、一台电视机和一把电烙铁，分别接,入,220V,的电路中，通电时间相同，电流通过它,们产生的热量最多的是,A,电烙铁,B,电视机,C,电风

15、扇,D,一样多,典型例题,A,1,电热器是利用电流的,_,效应工作的。我们日常使用,的电热器有,_,_,_,_,2,如图所示，下列电器中应用电流热效应工作的是,A,电风扇,B,电熨斗,C,灯泡,D,电饭锅,热,电炉子,电暖气,电饭锅,电烤箱,BD,A,3,电熨斗通电一段时间后，熨斗面很烫，而连接电熨,斗的导线却不怎么热，这是因为,A,导线电阻远小于熨斗电阻，导线消耗的电能很少,B,通过导线的电流远小于通过熨斗的电流,C,导线散热比熨斗快,D,导线外有绝缘皮隔热,A,4,关于电热的下列几个说法，错误的是,A,电热会烧毁电器元器件，引发火灾，是有百害而无,一利,B,电流通过任何用电器，都或多或少的

16、产生热量,C,因为电流过大产生电热而烧坏局部电路，可用于整,体电路的保护,D,为防止电热带来的危害，要尽量减少电热的产生并,考虑如何加快散热,1,焦耳,定律是反映电,流的,效应的,规律，即,_,转化为,的规律,2,电流通过电风扇做功时,能转化,为,_,能和,_,能，如果电流做功,3.6,10,6,J,电风扇获得的机械能一定,_,3.6,10,6,J,牛刀小试,热,电能,热能,电,热,机械,小于,3,下列用电器正常工作时，要防止电流热,效应的是,A,电灯,B,电视机,C,电饭锅,D,电熨斗,4,下列家用电器中，利用电流热效应工作,的是,A,电风扇,B,电饭锅,C,电冰箱,D,电视机,B,B,课时

17、练习,1,电流通过导体时产生的热量跟,_,成正比，跟导体,的,_,成正比，跟,_,成正比，这个规律叫做焦耳,定律，数字,表达式是,_,2,电热器是利用电流的,_,效应制成的，它的主要部件是,_,电流流过电热器所做的功全部用来产生,_,3,有两根金属电阻丝，电阻分别为,5,和,15,将它们串联后,接在一个电源两端，它们的电,压之比为,_,在相同的时间,内产生的热量之比为,_,如果将它们并联同一电源两极间,通过它们的电流之比为,_,在相等的,时间内产生的热量,之比为,_,电流的平方,电阻,通电的时间,Q=I,2,Rt,热,发热体,热量,1,3,1,3,3,1,3,1,4,在两根横截面积相同、长度不

18、同的镍铬合金线两端分别,加上相同的电压，那么下列说法,中正确的是,A,长的镍铬合金线电阻较大，相同时间内产生的热量较多,B,短的镍铬合金线电阻较大，相同时间内产生的热量较多,C,长的镍铬合金线电阻较大，相同时间内产生的热量较少,D,短的镍铬合金线电阻较小，相同时间内产生的热量较少,5,一根电阻丝接在电压,U=5V,的电源上，在,1s,内产生的热,量是,2J,要让该电阻,其电阻大,小恒定不变,产生,8J,的热量,可采用的办法是,A,使电源电压变为,10V,通电时间仍为,1S,B,使电源电压仍为,5V,通电时间变为,2S,C,使电源电压变为,20V,通电时间变为,S,D,使电源电压变为,10V,通

19、电时间变为,2S,C,A,2,1,6,有一种家用电熨斗的规格为,220V,300W,，这种电,熨斗内部的电热丝的电阻是多少,如,在额定电压下工作,1min,内产生的热量是多少,答案,161.3,1.8,10,4,J,典型例题解析,例,1,用电炉烧水时，电炉丝热得发红，而跟电炉丝连接着,铜导线却不怎,么热，这是为什么,电炉的电阻丝和铜导线是串联在同一电路中的，所以通,过的电流是相同的，时间也是相同的，根据焦耳定律,Q=I,2,Rt,可知，当两导体中电流和通电时,间均相同时，电流产生的热,量与导体的电阻成正比,由于电炉的电阻丝的电阻比铜导线的,电,阻大得多，所以电炉丝产生的热量比铜导线要大得多,例

20、,2,一台电动机正常工作时线圈两端的电压为,380V,线圈,的电阻为,2,通过线圈的电流为,10A,这台电动机正常工作时,一秒钟消耗的电能为,_J,产生的热量为,_J,3800,200,例,3,在如图,9-3-1,所示的电路的方框内有一种发热装置，它是由,三段阻,值相同的电热丝组成，这个发热装置的电路与方框外的电,路相连接,当开关,S,掷到,A,点时,为高温，掷到,B,点时为低温,电源电压,不变,且在相同时间内，高温时产生的热量是低,温时产生的热量,的,2,倍，试在方框内画出它的电路图,例,4,现有甲、乙两只废旧电炉，分别标有,220V,1000W,和,220V,500W,字样，其中电热丝均完

21、好无损,某同学想利用,这些电热丝来自制一个电热器接入照明,电路中使用，下列设想,可行的是,A,要使电热器的电功率为,250W,只要将乙电热丝的一半接入,电路,B,要使电热器的电功率为,2000W,只要将乙电热丝分成等长的,两段并联后接入电路,C,要使电热器的电功率为,400W,只要将乙电热丝与一半长的,甲电热丝串联后接入电,路,D,要使电热器的电功率为,750W,只要将两只电热丝各取一半,串联后接入电路,C,1,某同学自制了一个“电热驱蚊器”，它的发热元件是一,个阻值为,1.0,10,4,的电阻,将这个电热驱蚊器接在电源,的两端，当电源两端电压为,220V,时,1min,内产生的热量,的,_J

22、,2,一个标有,220V,500W,字样的电加热器,俗称“热得,快,正常工作,20,分钟产生的热,量为,_,焦,假若电加,热器放出的这些热量全部被水吸收，在标准大,气压下,_,填“能”或“不能,将质量为,2,千克,20,的水加热,至沸腾,3,阻值为,R,的电热丝接到电压不变的电源上,3,分钟可以,使一杯水烧开，现换用阻值为,2 R,的电阻，再接到此电源,上,_,分钟可以使同样的一杯水烧开,290.4,不能,6,10,5,6,课时训练,4,如图,9-3-3,所示，电源电压,220,伏,R,是电烙铁，标有,220V,40W,字样,L,是电灯泡,标有,PZ220,40,字样,当开关,S,闭合时，电烙

23、铁每分钟产生的热量是,_,焦，当开关,S,断开时，电烙铁的实际功率是,_,瓦,开关,S,断,开后，整个电路工作,_,小时消耗,1,千瓦电能,5,将规格分别为,220V,1000W,和,220V,500W,的,甲、乙两根电阻丝串联起来,接入一电源两极，电源最大,不能超过,_,伏，此时，整个电路的最大功率,是,_,瓦,748,50,2.4,10,3,10,图,9-3-3,395,6,研究焦耳定律的实验装置如图,9-3-4,所示，在两个相同的烧瓶中装,满煤油，瓶中各放一根,电阻丝，甲瓶中电阻丝的阻值比乙瓶中的,电阻大,实验分三步进行，其中第一步为：接通电,路一段时间，比,较甲、乙两瓶中的煤油哪个上升得高，这一步是在什么情况下研究,热量跟哪,个物理量的关系,(,A,是在通电时间相同的情况下，研究热量跟电流的关系,B,是在电流相同的情况下，研究热量跟通电时间的关系,C,是在电流相同但电阻不同的情况下，研究热量跟通电时间的关系,D,是在电流和通电时间相同的情况下，研究热量跟电阻的关系,D,7,如图,9-3-5,所示,a,b,相同容器中分别装有