2021-11-28 14:36:17

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焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能定律。内容是: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,跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式:Q=I²Rt;对于纯电阻电路可推导出:Q=W=Pt;Q=UIt;Q=(U²/R)t

基本信息

  • 中文名

    焦耳定律

  • 外文名

    Joule's Law

  • 表达式

    Q=I²Rt或Q=UIt或Q=(U^2/R)t

  • 提出者

    焦耳

  • 提出时间

    1840年

  • 应用学科

    物理学

  • 适用领域范围

    所有电路

  • 描述

    传导电流将电能转换为热能

折叠 编辑本段 定义

电流通过导体时会产生热量,这叫做电流的热效应,而电热器是利用电流的热效应来加热的设备,电炉电烙铁电熨斗电饭锅电烤炉等都是常见电热器。电热器的主要组成部分是电流的热效应电流的热效应发热体,发热体是由电阻率大,熔点高的电阻丝绕在绝缘材料上制成。

焦耳定律规定:电流通过导体所产生的热量和导体的电阻成正比,和通过导体的电流的平方成正比,和通电时间成正比。该定律是英国科学家焦耳于1841年发现的。焦耳定律是一个实验定律,它可以对任何导体来适用,范围很广,所有的电路都能使用。遇到电流热效应的问题时,例如要计算电流通过某一电路时放出热量;比较某段电路或导体放出热量的多少,即从电流热效应角度考虑对电路的要求时,都可以使用焦耳定律。公式如下:

其中Q指热量,单位是焦耳(J),I指电流,单位是安培(A),R指电阻,单位是欧姆(Ω),t指时间,单位是秒(s),以上单位全部用的是国际单位制中的单位。

折叠 编辑本段 公式变形推导

对于纯电阻电路而言:

当电流所做的功全部产生热量,即电能全部转化为内能[也叫热能],该电路为纯电阻电路,这时有:

根据电功的公式,我们有【U指电压,单位是伏特(V)】:

或者根据欧姆定律(欧姆定律本身只在纯电阻电路中成立),我们有:

类似白炽灯电炉丝电热水器这样就属于上述情况。

对于非纯电阻电路而言:

对于非纯电阻电路而言,用得最多的还是焦耳定律的一般形式,不能用上面纯电阻中的两个公式(因为①欧姆定律只在纯电阻电路中成立;②其电能不是全部做功转化为内能,不能用电功的公式。

而对于其电功率和热量比较而言,我们有:

对于任何电路而言:

除了焦耳定律的一般式外,我们还可以根据公式I=q/t【q表示电荷量,单位是库仑(C)】对公式进行变形(适用于所有电路):

在串联电路中,由于通过导体的电流相等,通电时间也相等,根据焦耳定律可知电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成正比。

在并联电路中,由于导体两端的电压相等,通电时间也相等,根据焦耳定律可知电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成反比。

折叠 编辑本段 使用

从焦耳定律公式可知,电流通过导体产生的热量跟电流强度的平方成正比、跟导体的电阻成正比、跟通电时间成正比。若电流做的功全部用来产生热量。即W=UIt。根据欧姆定律,有Q=Rt

需要说明的是W=(U^2/R)t是从欧姆定律推导出来的,只能在电流所做功将电能全部转化为热能的条件下才成立(纯电阻电路)。例如对电炉电烙铁这类用电器,这两公式和焦耳定律才是等效的。

使用焦耳定律公式进行计算时,公式中的各物理量要对应于同一导体或同一段电路,与欧姆定律使用时的对应关系相同。当题目中出现几个物理量时,应将它们加上角码,以示区别。

注意:W=Pt=UIt适用于所有电路,而W=I²Rt=(U^2/R)t只用于纯电阻电路(全部用于发热)。

折叠 编辑本段 实验方法

如图是研究电流通过导体产生的热量与导体的电阻的关系

因为我们不能直接地观察到电流到底产生了多少热量,所以我们通过观察瓶里的液体温度(温度计示数),间接的观察,这种方法叫做转换法

在这个实验中,一共涉及到三个物理量--电流,电阻和热量,而我们只需要研究 ,热量和电阻的关系,所以,我们要保持电流一定(因此我们把两个电阻串联)为了不影响结果,这种方法叫做控制变量法

折叠 编辑本段 实验原理

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。1841年,英国物理学家焦耳 发现载流导体中产生的热量Q(称为焦耳热)与电流I 的平方、导体的电阻R、通电时间t成正比,这个规律叫焦耳定律。采用国际单位制,其表达式为Q=I²Rt或热功率P=I²R其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳(J)、安培(A)、欧姆(Ω)、秒(s)和瓦特(W)。焦耳定律在串联电路中的运用: 在串联电路中,电流是相等的,则电阻越大时,产生的热越多。焦耳定律在并联电路中的运用: 在并联电路中,电压是相等的,通过变形公式,W=Q=PT=U2/RT.当U一定时,R越大则Q越小。需要注明的是,焦耳定律与电功公式W=UIt只适用于纯电阻电路,即只有在像电热器这样的电路中才可用Q=W=UIt=I²Rt=U²t/R。 另外,焦耳定律还可变形为Q=IRQ(后面的Q是电荷量,单位库仑(C))。需要说明的是和不是焦耳定律,它们是从欧姆定律推导出来的,只能在电流所做功将电能全部转化为热能的条件下才成立。对电炉、电烙铁、电灯这类用电器,这两公式和焦耳定律是等效的。分析解决由电流通过用电器的放热问题时,应有,这样可以减少错误。

折叠 编辑本段 相关例题

1.一个额定电压为12V的小型电动机正常工作时,测得通过电动机的电流是0.5A,工作10min,电流做功为___J,在这10min内该电动机线圈产生的热量是360J,则电动机线圈的电阻是___Ω。

答案:3600 2.4 解析:W=UIt=12V*0.5A*10*60s=3600J;由Q=I²Rt得R=Q/(I²t)=360J/[(0.5A)²*10*60s]=2.4Ω



2.
一根电阻丝,通过2 C的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

解析:选D.设电阻丝电阻为R,开始所加电压为U1,则W1=q1U1,即8=2U1,所以U1=4 V,设后来所加电压为U2,产生的热量为W2,则I2=q2/t=U2/R,又I1=q1/t=U1/R,解得U2=8 V,W2=q2U2=4×8 J=32 J.

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