Transcript 焦耳定律
物理来自生活 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 来这是为什么? 假如在照明电路中接入大功率的电炉， 电线将显著发热，有可能烧坏它的绝缘皮， 甚至引起火灾。这又是为什么？ 导体中有电流通过的时候，导体要发热 ，这种现象叫做电流的热效应。 一、分析下列现象，其能量是如何转化的? • a、电流流过电炉 •→电能转化为热能。 • b、电流流过电解槽 →电能转化为化学能和热能 • c、电流流过电风扇 →电能转化为机械能和热能 电能转化为其它形式的能 电流做功 二、电流做功的实质是什么？ 恒定电场对自由电荷的静电力作正功，电 势能减小，其它形式的能增加。 W=qU q=It W=UIt W=UIt 适用于任何用电器。 U I R 纯电阻电路 2 U 2 W I R R U I R 提高认识：（1）电流做功的本质是静电力做功；（2）根 据静电场的电势差的定义式推出电流做功的表达式。 三、怎样学好电功这个物理量？ 1、引入目的：量度电能转化为其它形式的能的多少。 2、度量方式：电势能减小量在数值上等于电功。 W E1 E2 3、决定因素：电功与通过用电器的电量（通过用电 器的电流和通电时间）和用电器两端的电压成正比。 W qU UIt 任意电路 U I 2 U R W I 2 Rt t R 纯电阻电路 4、矢量标量：标量 5、单位换算： J 1kWh=3.6×106J 6、测量方法：电能表、伏安法等。 四、怎样学好电功率这个物理量？ 1、引入目的：反映电流（静电力）做功的快慢程度。 W 2、度量方式： P t 3、决定因素：电功率与通过用电器的电流和用电器 两端的电压成正比。 I U P UI 任意电路 R 2 U W I 2R R 纯电阻电路 4、矢量标量：标量 5、单位换算： W 1kW=103W 6、测量方法：电压表和电流表 五、怎样学好焦耳定律？ 1、研究内容：电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关系。 2、理论和实验依据： （1）焦耳最早通过实验证明。 U （2）理论推导。 I W UIt 任意电路 R W Q Q I 2 Rt 纯电阻电路 3、三种表述： （1）文字表述。电流通过某导体，在时间t内产生的热 量, 跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比。 （2）公式表述。 Q I 2 Rt 4、适用条件：任何用电器。 六、实验：探究电功率与热功率的区别和联系 1.器材：玩具电机1台、干电池2节、电压表和 电流表各 1 只、导线若干。 2.实验目的：请设法测出电风扇的直流电阻， 以及电动机工作时总功率(电功率）和输出的机 械功率。 M A 3.实验步骤：取一个玩具小电 V 机，其内阻R=1.0Ω，把它接 在如图所示的电路中。 六、实验：探究电功率与热功率的区别和联系 （1）先夹住电动机轴，闭合电 键，电机不转。调整滑动变阻 器的阻值，使电压表的示数为 0.50 V，记下电流表的示数，算 出小电机消耗的电功率和热功 率，并加以比较。 A M V （2）再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器 的阻值，使电压表的示数为2.0 V（此电压为小电机 的额定电压），记下电流表的示数，算出小电机消 耗的电功率和热功率，并加以比较。 六、实验：探究电功率与热功率的区别和联系 4.数据处理： 物理 电 压 电 流 电 阻 电功率 热功率 运 量 UI U I R I2 R 行情 （V） （A） （ Ω） （W） （W） 况 机械功率 UI-I2R （W） 转动 3 0.08 30 0.24 0.192 0.048 卡 住 3 0.1 30 0.3 0.3 0 分析该电动机在不同情况下，电功率与热功率及机械 功率之间关系，从能量守恒角度加以解释。 六、实验：探究电功率与热功率的区别和联系 卡住 纯电阻电路 （I=U/R） 电能W 内能Q 焦耳定律 W=UIt Q=I2Rt 电热 电功等于电热 非纯电阻电路: （I＜U/R） 电能W 运转 M 内能Q+其它形式的能 Q=I2Rt W=UIt 电功大于电热 电功：W= UIt 电功率：P=UI 电热：Q=I2Rt 热功率：P热=I2R 七、电功和电热的比较 电功指某段电路在某段时 电热指转化为内能的那部 间内消耗的全部电能 分电能 纯电阻电路中，电能全部变成了热，电功=电热 W=Q =UIt =I2Rt =U2t/R 电功率=热功率 I=U/R 非纯电阻电路中，电能只有部分转化为内能 电解槽：电能=化学能+热能 电动机：电能=机械能+热能 UIt ＞ I2Rt 电功率>热功率 I＜U/R 例1.要使“110V，40W”、“110V，100W”的 两种灯泡接在220V的电路中都能正常发光，选 择哪个电路；哪个最省电？ L1 L2 L2 L1 220V 省电 L1 L2 220V 可以 L1 L2 220V L1 L2 220V 可以 正常发光：达到额定电压、额定电流 例2.一台电风扇，内阻为20Ω，接上220V电压后， 消耗的功率是66W。求： （1）电风扇正常工作时通过电动机的电流强度。 （2）电风扇正常工作时转化为机械能和内能的功 率，电机的效率。 （3）如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动， 求这时通过电动机的电流，以及电动机消耗的电 功率和发热功率。 分清输入电功率、消耗热功率、输出机械功率及它们 之间的守恒关系是关键 小结：电功和电功率、电热和热功率 1. 电功W 定义：在一段电路中电场力所做的功,也就是通常 说的电流所做的功,简称电功. 公式：W=UIt 单位：J kWh 1kWh=3.6×106J 2. 电功率P 定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率 公式：P==W/t=UI kW 单位：W 电热 3. 焦耳定律 内容：电流通过某导体，在时间 t内产生的热量, 跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比。 公式：Q=I2Rt 导体在单位时间内发出的热量 4. 热功率：P 热 公式：P热=Q/t=I2R 单位：W kW A组能力训练题1 1. 用电器两端电压220V，这意味着 ( D A. 1A电流通过用电器时，消耗的电能为220J B. 1C正电荷通过用电器时，产生220J的热量 C. 1A电流通过用电器时，电流的发热功率为 220W D. 1C正电荷从电势高端移到电势低端时，电 场力做功220J ) A组能力训练题2 2.关于电功，下列说法中正确的有 ( AC ) A.电功的实质是电场力所做的功 B.电功是电能转化为内能的量度 C.电场力做功是电能转化成其他形式能量的量 度 D.电流通过电动机时的电功率和热功率相等 A组能力训练题3 3. 一灯泡标有“220V，100W”字样将其接到 110V的电源上(不考虑灯泡电阻的变化)，则有 ( BC) A.灯泡的实际功率为50W B.灯泡的实际功率为25W C.通过灯泡的电流为额定电流的1/2 D.通过灯泡的电流为额定电流的1/4 A组能力训练题4 4.下图电路中，电灯L1、L2都标有“220V,100W”; 电灯L3、L4都标有“220V，40W”．将A、B两端 接入电源，最暗的灯是 ( C ) A．L1 C．L3 B．L2 D．L4 L2 A B L1 L3 L4 A组能力训练题5 5.把两个相同的电灯分别接在图中甲、乙两个 电路里，调节滑动变阻器，使两灯都正常发光, 两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，可以 断定 ( C ) A. P甲>P乙 B. P甲<P乙 8V 16V C. P甲=P乙 甲 乙 D.无法确定 A组能力训练题6 6. 输电线总电阻为r，输送的电功率是P，送电 电压为U，则用户得到的功率为 ( B ) A. P P 2 B. P ( ) r U 2 U C. P r P 2 D. ( ) r U A组能力训练题7 7.一台直流电动机线圈电阻r =1Ω，与一阻值 R=10Ω的电阻串联，当所加电压U=150V，电 动机正常工作时电压表示数100V，求电动机 消耗的功率及输出的机械功率。 解： 电阻R两端的电压为 M R UR=U-UM= 50V， V 通过R的电流是 I=UR/R=5A 电动机消耗的功率为 P=IUM=5×100=500W P热=I2r =25W P机=P-P热=500-25=475W U A组能力训练题8 7.有一个直流电动机，把它接入0.2V电压的电 路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是 0.4A，若把它接入2V电压的电路中，电动机正 常工作，工作电流是1A。求： （1）电动机正常工作时的输出功率 ； （2）如在正常工作时，转子突然被卡住，此时 电动机的发热功率多大？（提示：电动机在电 路中转子不转动时为纯电阻用电器） 解：（1）电动机不转时为纯电阻电路， r=U1/I1=0.5Ω 电动机正常工作时， P电=I2U2=1×2=2W 电动机的热功率为 P热=I22r=12×0.5=0.5W 电动机所做机械功的功率 P机= P机-P热=1.5W （2）转子突然被卡住，电动机的发热功率为 P热=U22/r=22/0.5=8W B组能力训练题1 1. A、B、C三个灯泡如图所示的方式连接时, 各 自消耗的实际功率相同，则RA:RB:RC为 ( D ) A.1:1:1 B.1:2:2 A C.2:1:1 B D.1:4:4 C 解：B、C两个灯泡并联，UB=UC， B、C两个灯消耗的实际功率相同，则由 P=U2/R，RB=RC， IA=2IB=2IC， 则由P=I2R， RA:RB:RC =1:4:4 B组能力训练题2 2.图中R1=4Ω,R2=9Ω,R3=18Ω。通电后（ AD） A.经R1和R3的电流之比I1:I3=3:1 B.R1两端的电压和R3两端的电压之比U1:U3=4:9 C.三个电阻消耗的电功率之比P1:P2:P3=2:1:2 D.三个电阻消耗的电功率之比P1:P2:P3=2:2:1 R1 R2 R3 B组能力训练题3 3. 两个电阻，R1=8Ω，R2=2Ω, 并联在电路中。 欲使这两个电阻消耗的电功率相等，可行的办 法是（ A ） A．用一个阻值为2Ω的电阻与R2串联 B．用一个阻值为6Ω的电阻与R2串联 C．用一个阻值为6Ω的电阻与R1串联 D．用一个阻值为2Ω的电阻与R1串联 B组能力训练题4 4.电阻R1=8Ω，R2=2Ω。如图甲电路中要使R1、 R2消耗的功率相等，滑动变阻器阻值为 2Ω _______，如图乙电路中要使R 1、R2消耗的功 8Ω 率相等，滑动变阻器阻值为_______。 R1 R 甲 R2 R1 R2 R 乙 B组能力训练题5 （2007年海南卷5） 5.一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为 36W与36V。若把此灯泡接到输出电压为18V 的电源两端，则灯泡消耗的电功率 （ B ） A. 等于36W B. 小于36W，大于9 W C. 等于9W D. 小于36W 解：设灯泡接U=36V电压和U′=18V电压时的电 阻分别为R、R′,电压减小，灯丝温度降低 ,电 阻减小， R >R′。 2 2 U 1U P 9W R 4 R B组能力训练题6 6、某一用直流电动机提升重物的装置如上图所 示，重物质量m=50kg，电源提供恒定电压 U=110V，不计各处摩擦，当电动机以v=0.90m/s 的恒定速度向上提升重物时，电路中电流强度 I=5A，求电动机线圈电阻R（g=10m/s2）。 U=110V v 解： P电= P热+ P机 其中机械功率： P机=mgv=50×10×0.9=450瓦 电功率： P电=UI=110×5=550瓦 ∴P热=P电-P机=550-450=100瓦 ∵P热=I2R=100瓦 ∴R=4Ω 电动机线圈的电阻为4Ω。 B组能力训练题7 7.如图所示是电饭煲的电路图，S1是一个控温开 关,手动闭合后，当此开关温度达到居里点 （103℃）时，会自动断开。S2是一个自动控温开 关，当温度低于60℃时会自动闭合；温度高于 80℃时，会自动断开。红灯是加热时的指示灯， 黄灯是保温时的指示灯。分流电阻R1＝R2＝500Ω， 计算加热电阻丝R3＝50Ω，两灯电阻不计。 （1）根据电路分析，叙述电饭煲煮饭的全过程 S1 R3 （包括加热和保温的过程）。 （2）简要回答，如果不闭合 S2 R2 R 开关S1,电饭煲能将饭煮熟吗？ 1 红灯 （3）计算加热和保温两种状 黄灯 220V 态下,电饭煲的消耗功率之比。 电源 解： （1）电饭煲盛上食物后，接上电源，S2自动闭 合，同时把手动开关S1关闭，这时黄灯被短路 红灯亮，电饭煲处于加热状态， 加热到80℃时，S2自动断开，S1仍闭合，待电 饭煲中水烧干后，温度升高到103℃时，开关 S1自动断开，这时饭已煮熟，黄灯亮，电饭煲 处于保温状态。 由于电饭煲散热，待温度下降至60℃时，S2自 动闭合，电饭煲重新处于加热状态，待温度上 升到80℃时，又自动断开，电饭煲再次处于保 温状态。 （2）如果不闭合开关S1, 电饭煲不能将饭煮熟 如果不闭合开关S1，开始S2总是闭合的，R1被 短路，功率为P1，当温度上升到80℃时，S2自 动断开，功率降为P2，温度降低到60℃ ，S2自 动闭合。温度只能在60℃—80℃之间变化,不能 把水烧开，不能煮熟饭。 U2 （3）加热时电饭煲消耗的电功率 P1 R 并 R2 R3 500 50 500 R并 R2 R3 500 50 11 U2 保温时电饭煲消耗的电功率为 P2 R1 R并 P1 R1 R并 500 500 / 11 12 从而有 P2 R并 500 / 11 1 课堂互动讲练 纯电阻电路的分析与计算 例1 定两只标有“110 V 40 W”的灯泡L1 和标有 “110 V 100 W”的灯泡L2及一只最大阻值为500 Ω 的滑动变阻器R，将它们接在220 V的电路中，在 图2－5－3所示的几种接法中，最合理的是( ) 图2－5－3 返回 【思路点拨】 该题所谓的最合理就是既能使两 个灯泡正常发光，又能使滑动变阻器消耗的功率 最小，此时电路中的电流应该最小． 【精讲精析】 由L1(110 V,40 W)，L2(110 V,100 W)，可知R1>R2，由串、并联电流电压特点可知 A、D中L1、L2一定不会同时正常发光，虽然B、 C能使L1、L2同时正常发光，但B中P总＝2(P1＋ P2)，C中P总＝2P2，所以选C. 【答案】 C 返回 【题后反思】 求解这类问题，首先要明确 电路中各元件之间的连接关系，再利用串、 并联电路的一些性质和功率分配关系．求出 各元件消耗的功率．电路中消耗的总功率等 于各元件消耗的功率之和． 返回 变式训练1 如图2－5－4所示，R1 和R2 都是 “4 W,100 Ω”的电阻，R3是“1 W,100 Ω”的 电 阻 ， 则 AB 间 允 许 消 耗 的 最 大 功 率 是 ______W. 图2－5－4 返回 解析：由 R1、R2 与 R3 的额定值知三个电阻 正常工作的电流分别为 P1 I1＝I2＝ ＝0.2 A， R1 I3＝0.1 A. 由串、并联电路的电流关系，当 I1＝0.2 A，I2＝I3＝0.1 A 时，AB 间消耗的功 率最大，最大功率为 Pm＝P1＋2P3＝6 W. 答案：6 返回 非纯电阻电路的分析和计算 例2 在研究微型电动机的性能时，可采用如图 2－5－5所示的实验电路．当调节滑动变阻器R， 使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数 分别为0.5 A和1.0 V；重新调节R，使电动机恢 复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为 2.0 A和15.0 V．求这台电动机正常运转时的输出 功率和电动机的线圈电阻． 图2－5－5 返回 【思路点拨】 解答本题应把握以下两点： (1)电动机不转时相当于纯电阻，由欧姆定律 求线圈电阻． (2)根据能量守恒求电动机正常运转时的输出 功率． 返回 【自主解答】 当电流表和电压表的示数为 0.5 A 和 1.0 V 时，电动机停止工作，电路中只有电动机的内 U1 1.0 阻消耗电能，其阻值 r＝ ＝ Ω＝2 Ω.当电动机 0.5 I1 正常工作时， 电流表、电压表示数分别为 2.0 A 和 15.0 V，则电动机的总功率 P 总＝U2I2＝15.0×2.0 W＝30.0 2 2 W，线圈电阻的热功率 P 热＝I2r＝2.0 ×2 W＝8.0 W， 所以 P 输出＝P 总 －P 热＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W. 返回 【答案】 22.0 W 2 Ω 【规律总结】 对于纯电阻电路和非纯电阻电 路应从能量转化的角度区分，而不能简单地认 为只要是电动机的电路就是非纯电阻电路．当 电动机不转动时，消耗的电能全部转化为内能， 此时它就是一个纯电阻．当电动机转动时，消 耗的电能转化为机械能和内能，此时电路才是 非纯电阻电路． 返回 变式训练2 如图2－5－6所示，电路电压为60 V， 内阻不计，电阻R＝2 Ω，电动机的内阻R0 ＝1.6 Ω，电压表的示数为50 V，电动机正常工作，求 电动机的输出功率． 图2－5－6 返回 U－U1 60－50 解析：I＝ ＝ A＝ 5 A 2 R P 总 ＝U1I＝50×5 W＝250 W P 热 ＝I2R0＝52×1.6 W＝40 W P 机 ＝P 总－P 热＝250 W－40 W＝210 W. 答案：210 W 返回 思考： 我们知道白炽灯是纯电阻器件， 但是我们日常生活中的的确确看 到白炽灯发出光。这不是矛盾吗？ 其工作原理是：电流通过灯丝（钨丝，熔点达 3000℃以上）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将 热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝 在处于白炽状态时，就发出光芒。 从能量的转换角度看，电灯发光时，大量的 电能将转化为热能，只有极少一部分可以转化为 有用的光能。 目前在所有日常生活的用电照明灯具中，白炽灯 的效率是最低的，白炽灯会把消耗能量中的大部 分（超过90%）转化成无用的热能，只少于10%的 能量会成为光能。 2011年8月，发改委公布《中国淘汰白炽灯路线 图（征求意见稿）》，从2016年10月1日起，禁 止销售和进口15瓦及以上普通照明用白炽灯。