2.5 焦耳定律

1、第五节 焦耳定律,课标解读 1.理解电功和电功率,掌握电功和电功率的计算. 2.知道焦耳定律的物理意义,掌握焦耳定律在生活中的应用. 3.从能量守恒和转化理解电功和电热的区别,知道纯电阻电路和非纯电阻电路.,课前自主学习 一电功和电功率 1.电功:导体中的恒定电场对自由电荷的非静力做功,通过电流做功把电能转化为其他形式的能. 2.电功的表达式:W=IUt,W的单位是焦耳.,3.电功率(1)物理意义:表示电流做功快慢的物理量.(2)定义:单位时间内电流所做的功.(3)表达式: 其单位是瓦特(W).,二焦耳定律 1.内容:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻及通电时间成正比.

2、2.表达式:Q=I2Rt,其单位是焦耳. 3.热功率:单位时间内的发热量,P=I2R,其单位瓦特.,知识梳理图,课堂互动探究 一电功和电功率 1.电功 (1)实质:因电流是自由电荷在电场力作用下定向移动形成的,电流做的功,实质上是电场力移动电荷做的功.,(2)表达式:设加在一段电路两端的电压为U,流过电路的电流强度为I,则t时间内流过电路的电量q=It. 电场力移动电荷做的功W=qU. t时间内电流做功W=UIt 表明:电流在一段电路上所做的功,跟这段电路两端的电压电路中的电流和通电时间成正比.,(3)单位:在国际单位中功的单位是焦耳,符号为J.常见的电功单位还有“度”. 1度=1 kWh=3

3、.6106J (4)意义:电流做功的过程是电能转化为其他形式能的过程,电流做了多少功,就表明有多少电能转化为其他形式的能,即电功反映了电能转化为其他形式能的多少.,2.电功率 (1)定义:电流所做的功跟完成这些功所用时间的比值,叫做电功率.,(3)单位:在国际单位制中的单位是瓦,符号为W.,(4)意义:电功率表示电流做功的快慢.,二焦耳定律 1.电流的热效应:电流通过导体(或用电器)时,做定向移动的自由电子要频繁地跟金属正离子碰撞.由于这种碰撞,电子在电场力的加速作用下获得的动能,不断传递给金属正离子,使金属正离子的热运动加剧,于是通电导体的内能增加,温度升高,即电能通过电流做功转化为内能,这

4、就是电流的热效应.,2.焦耳定律:在一段电路中只有电阻元件,则电场力所做的功W等于电流通过这段电路时发出的热量Q,即Q=W=UIt,由欧姆定律U=IR,热量Q的表达式可写成Q=I2Rt.这就是焦耳定律.,三电功和电热的比较对任何电路,电流做的功恒为W=UIt;电流产生的热恒为Q=I2Rt.1.在纯电阻电路中,由于U=IR,因此即电流做的功全部转化为电热.,2.在非纯电阻电路(像含有电动机电解槽的电路)中,电流做的功只有很少一部分转化为电热,绝大部分转化成(机械能或化学能等)其他形式的能.因此,WQ即UItI2Rt,根据能的转化和守恒定律知,在非纯电阻电路中满足:电功=电热+其他形式的能,即 U

5、It=I2Rt+E其他.,例如,一台电动机,额定电压是110 V,电阻是0.40 ,在正常工作时通过的电流是50 A,每秒钟电流做的功为W=UIt=5.5103 J,而每秒钟电流产生的热为Q=I2Rt=1.0103 J,可见,电功W比电热Q大得多.其中W-Q=4.5103 J为每秒钟产生的机械能.,四电路中电功率和热功率的计算方法 1.注意区别“负载”“负荷”与“电阻” “负载”或“负荷”是对用电器功率特征的一种习惯称谓.通常说“负载”或“负荷”大,是指用电器的功率大,并不是用电器的“电阻”大.在一般情况下,“负载”大的用电器电阻反而小.如“220 V,60 W与220 V,100 W”的两个

6、灯泡,后者的功率大但电阻却较小.,2.注意区别纯电阻电路与一般电路 电路消耗的电能全部转化为电热(内能)的电路称为纯电阻电路,对纯电阻电路有:,电路消耗的电能并不完全转化为内能,还有一部分转化为其他形式的能(如机械能化学能等),这种电路叫非纯电阻电路.如其中有电动机电解槽的电路等.对非纯电阻电路有:P电=UII2R,此时 或UIR,决不能乱套用公式.计算电功率只能用P电=UI,计算热功率只能用P热=I2R.,典例分析 一对电功和电热的理解 例1:在某段电路中,其两端电压为U,通过的电流为I,通电时间为t,若该电路的电阻为R.关于电功和电热的关系,下列结论正确的是( ) A.在任何电路中,电功W

7、=UIt=I2Rt B.在任何电路中,电功为UIt,电热为I2Rt C.在纯电阻电路中,UIt=I2Rt D.在非纯电阻电路中,UItI2Rt,解析:电功是电流通过导体所做的功,根据电场力做功的特点一定等于UIt,而电热是电流流过导体时所产生的热量,由焦耳定律可知一定等于I2Rt,对于纯电阻电路,电流做功,把电能全部转化为内能,UIt=I2Rt;对非纯电阻电路,电流做功,电能的一部分转化为内能,部分转化为其他形式的能,UIt=I2Rt+W其他,故BC选项正确. 答案:BC,名师点拨:电功和电热是两个不同的物理量,不能混淆,其关系为UItI2Rt,具体为在纯电阻电路中,UIt=I2Rt,在非纯电

8、阻电路中UItI2Rt.,巩固练习 1.一只白炽电灯标有“220 V 100 W”的字样,它在正常发光时的电阻多大?当实际电压为55 V时,灯泡的实际功率怎样?,答案:484 实际功率应大于6.25 W,二非纯电阻电路中电功和电热的计算 例2:规格为“220 V 36 W”的排气扇,线圈的电阻为40 ,求接上220 V电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热功率分别为多少?,答案:见解析,巩固练习 2.在题(例2)中若将排气扇接上220 V电压后,扇叶被卡住,不能转动,求其电动机消耗的电功率及发热的功率.,答案:1210 W 1210 W,三电功率的分析和计算 例3:额定电压都是110 V,额定

9、功率PA=100 WPB=40 W的电灯两盏,按下图所示的四种方式接在电压是220 V的电路两端,要求每盏电灯均能正常发光,且电路中消耗的电功率最小,则正确的电路是( ),解析:若要使两电灯均正常发光,亦即每灯的电压均为110 V.因为PAPB,根据 可知,RA110 V,B灯将被烧坏;B电路中,A灯并联一个电阻后,并联部分电阻更小,当然有R并110 V,B灯将被烧坏;C电路中,B灯与变阻器并联后的电阻可能等于A灯的电阻,所以当变阻器的阻值为某一适当的值时,可以使UA等于UB,这时两灯正常发光,并联部分电路消耗的电功率等于A灯的电功率,所以电路消耗的总功率为200 W;,对于D电路,当变阻器的

10、电阻等于AB两灯并联后的电阻时,电灯两端的电压均为110 V,此时两灯均可正常发光,变阻器消耗的电功率等于并联部分消耗的功率,所以电路消耗的总功率为280 W.综上所述,本题正确选项为C. 答案:C,名师点拨:本例题是一个带有设计性质的问题,也是一个很具有实际意义的问题,不仅要求用电器正常工作,还要求电路最合理优化,正确快捷解决的关键在于串并联电路的性质,特点熟练掌握,透彻理解.,巩固练习 3.有四盏灯,接入如下图所示的电路中,L1和L2都标有“220 V 100 W”字样,L3和L4都标有“220 V 40 W”字样,把电路接通后,最暗的灯是_,最亮的灯是_.,L3,L4,解析:由它们的额定

11、电压额定功率可判断:R1=R2R1R23并,由串联电路的功率分配可得P4P1(P2+P3),由并联电路的功率分配可得P2P3,所以L3为最暗,L4最亮.,课后巩固提升 巩固基础 1.关于电功和焦耳热,下列说法错误的是( ) A.在纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt B.在非纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt C.在非纯电阻电路中,计算焦耳热用Q=I2Rt D.在纯电阻电路中,计算焦耳热可以用Q=IUt,解析:在纯电阻电路中电功和电热是相同的,故A说法正确;在非纯电阻电路中计算电功只能用W=UIt,故B说法错误. 答案:B,2.对于纯电阻用电器,下列说法中正确的是( ) A.如果

12、额定功率相同,额定电流较大的用电器电阻较大 B.如果额定功率相同,额定电流较大的用电器电阻较小 C.如果额定电压相同,额定功率较大的用电器电阻较大 D.如果额定电压相同,额定功率较大的用电器电阻较小 答案:BD,解析:由P=I2R可知,如果额定功率相同,则额定电流较大的用电器电阻较小.由公式 如果额定电压相同,则额定功率较大的用电器电阻较小.,3.一盏电灯直接接在电压恒定的电源上,其功率为100 W,若将这盏电灯接上一段很长的导线后,再接在同一电源上,在导线上损失的电功率为9 W,那么此时电灯实际消耗的功率将( ) A.大于91 W B.小于91 W C.等于91 W D.条件不足,无法确定

13、答案:B,解析:电源电压不变,当电阻增大时,由 可知,功率减小,所以将灯接在很长的导线上总功率小于100 W,导线损失9 W,则电灯的功率将小于91 W,故B选项正确.,4.两个电阻分别标有“1 A 4 W”和“2 A 1 W”字样,则它们的电阻之比是( ) A.2:1 B.16:1 C.4:1 D.1:16,答案:B,5.AB两电阻串联后接入电源,改变电源的电压,测得电阻AB的伏安特性曲线如图,则电阻RARB和功率PAPB的关系是( ) A.RARB B.RAPB D.PAPB,解析:由伏安特性曲线可知两电阻RARB;由于AB两电阻串联,通过AB的电流相等,根据P=I2R可知PAPB,故选B

14、D. 答案:BD,6.如图所示,电路两端的电压U保持不变,电阻R1R2R3消耗的电功率一样大,则电阻之比R1:R2:R3是( ) A.1:1:1 B.4:1:1 C.1:4:4 D.1:2:2,答案:C,提升能力 7.电饭锅工作时有两种状态,一种是锅内水烧开前的加热状态,另一种是锅内水烧开后的保温状态,如图所示是电饭锅电路原理示意图,S是用感温材料制造的开关,下列说法正确的是( ),A.其中R2是供加热用的电阻丝 B.当开关S接通时电饭锅为加热状态,S断开时为保温状态,答案:ABD,8.一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同,都通过相同的电流,在相同时间内( ) A.电炉放热与电动机放热相等

15、 B.电炉两端电压小于电动机两端电压 C.电炉两端电压等于电动机两端电压 D.电动机消耗的功率大于电炉的功率,解析:由焦耳定律可知W=I2Rt,所以电炉放热和电动机放热相等,A正确;电炉消耗的电功小于电动机消耗的电功,即U1I1U2I2,故BD选项正确,C错误. 答案:ABD,9.一根电阻丝,通过2 C电荷量所消耗的电能是8 J,若在相同的时间内通过4 C的电荷量,该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是( ) A.4 V,16 J B.8 V,16 J C.4 V,32 J D.8 V,32 J 答案:D,解析:由W=I2Rt=8 J 相同时间内通过的电荷量为4 C时,电流I=2I, 所以W=I

16、2Rt=4I2Rt=32 J,10.某个家庭有“220 V 40 W”的电烙铁一把,“220 V 100 W”的白炽电灯一只,“220 V 25 W”的白炽灯两只.“220 V 300 W”的电熨斗一只,若当地的电源电压为210 V,每个用电器平均每天使用2 h,每度电的价格是0.5元,则该家庭一个月(按30天计算)该交纳多少电费? 解析:该家庭全部用电器的额定功率之和:P0=40 W+100 W+252 W+300 W=490 W 由于实际电压比额定电压略低一些,所以把各用电器的电阻值看成是不变的.,答案:13.88元,11.一台电风扇,内阻为20 ,接上220 V的电源,消耗的功率是66 W,求: (1)电风扇正常工作时通过电动机的电流强度; (2)如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,这时通过电动机的电流,以及电动消耗的电功率和发热功率.,答案:(1)0.3 A (2)2420 W 2420 W,12.如图所示,已知UAB=6 V,当滑动变阻器触头P位于正中位置时,额定电压为3 V的灯泡正常发光,当触头滑至最左端时,电灯实际功率为2 W,求此灯泡额定功率和变阻器的总电阻.,解析:当触头P位于正中位置时,由于灯与变阻器两端电压相等,所以灯的电阻RL与变阻器电阻R相等,当触头P位于最左端时,变