-
焦耳定律
(物理學名詞)
鎖定
焦耳定律定義
電流通過導體時會產生熱量,這叫做電流的熱效應,而電熱器是利用電流的熱效應來加熱的設備,電爐、電烙鐵、電熨斗、電飯鍋、電烤爐等都是常見電熱器。電熱器的主要組成部分是發熱體,發熱體是由電阻率大,熔點高的電阻絲繞在絕緣材料上製成。
焦耳定律規定:電流通過導體所產生的熱量和導體的電阻成正比,和通過導體的電流的平方成正比,和通電時間成正比
[2]
。該定律是英國科學家焦耳於1841年發現的。焦耳定律是一個實驗定律,它可以對任何導體來適用,範圍很廣,所有的電路都能使用。遇到電流熱效應的問題時,例如要計算電流通過某一電路時放出熱量;比較某段電路或導體放出熱量的多少,即從電流熱效應角度考慮對電路的要求時,都可以使用焦耳定律。公式如下:
焦耳定律公式變形推導
對於純電阻電路而言:
對於非純電阻電路而言:
對於任何電路而言:
在串聯電路中,由於通過導體的電流相等,通電時間也相等,根據焦耳定律可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成正比。
在並聯電路中,由於導體兩端的電壓相等,通電時間也相等,根據焦耳定律可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成反比。
焦耳定律應用
從焦耳定律公式可知,電流通過導體產生的熱量跟電流強度的平方成正比、跟導體的電阻成正比、跟通電時間成正比。若電流做的功全部用來產生熱量。即W=UIt。根據歐姆定律,有W=I²Rt。
使用焦耳定律公式進行計算時,公式中的各物理量要對應於同一導體或同一段電路,與歐姆定律使用時的對應關係相同。當題目中出現幾個物理量時,應將它們加上角碼,以示區別。
注意:W=Pt=UIt適用於所有電路,而W=I²Rt=(U^2/R)t只用於純電阻電路(全部用於發熱)。
焦耳定律實驗方法
焦耳定律實驗原理
焦耳定律是定量説明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。1841年,英國物理學家焦耳發現載流導體中產生的熱量Q(稱為焦耳熱)與電流I 的平方、導體的電阻R、通電時間t成正比,這個規律叫焦耳定律。採用國際單位制,其表達式為Q=I²Rt或熱功率P=I²R其中Q、I、R、t、P各量的單位依次為焦耳(J)、安培(A)、歐姆(Ω)、秒(s)和瓦特(W)。焦耳定律在串聯電路中的運用: 在串聯電路中,電流是相等的,則電阻越大時,產生的熱越多。焦耳定律在並聯電路中的運用: 在並聯電路中,電壓是相等的,通過變形公式,W=Q=PT=U2/RT.當U一定時,R越大則Q越小。需要註明的是,焦耳定律與電功公式W=UIt只適用於純電阻電路,即只有在像電熱器這樣的電路中才可用Q=W=UIt=I²Rt=U²t/R
[5]
。 另外,焦耳定律還可變形為Q=IRQ(後面的Q是電荷量,單位庫侖(C))。需要説明的是和不是焦耳定律,它們是從歐姆定律推導出來的,只能在電流所做功將電能全部轉化為熱能的條件下才成立。對電爐、電烙鐵、電燈這類用電器,這兩公式和焦耳定律是等效的。分析解決由電流通過用電器的放熱問題時,應有,這樣可以減少錯誤。
焦耳定律相關例題
1.一個額定電壓為12V的小型電動機正常工作時,測得通過電動機的電流是0.5A,工作10min,電流做功為___J,在這10min內該電動機線圈產生的熱量是360J,則電動機線圈的電阻是___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
2.一根電阻絲,通過2 C的電荷量所消耗的電能是8 J,若在相同的時間內通過4 C的電荷量,該電阻絲上所加電壓和消耗的電能分別是
( )
A.4 V,16 J B.8 V,16 J
C.4 V,32 J D.8 V,32 J
解析:選D。
設電阻絲電阻為R,開始所加電壓為U1,則W1=q1U1,即8=2U1,所以U1=4 V。設後來所加電壓為U2,產生的熱量為W2,則I2=q2/t=U2/R,又I1=q1/t=U1/R,解得U2=8 V,W2=q2U2=4×8 J=32 J。
- 參考資料
-
- 1. 閻金鐸.中國中學教學百科全書:物理卷[M].瀋陽:瀋陽出版社,
- 2. 《中國電力百科全書》編輯委員會,中國電力出版社《中國電力百科全書》編輯部.中國電力百科全書:電工技術基礎卷[M].北京:中國電力出版社,
- 3. 鄭青嶽. “焦耳定律”教材中兩個公式推導的修正[J]. 物理教師, 2014, 35(4):26-26.
- 4. 吳鳳英. 焦耳定律的理解和應用[J]. 中學生數理化(八年級物理)(配合人教社教材), 2010(3):18-19.
- 5. 孫曉斌. 利用自制教具對焦耳定律實驗的再研究[J]. 中學物理, 2018, 36(20).
- 6. 林崇德,姜璐主編.《中國成人教育百科全書 物理·機電》:南海出版公司出版,1994:第168頁