焦耳定律[1]:是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。
①文字敘述,電流通過導體產生的熱量跟電流的平方成正比,跟導體的電阻成正比,跟通電的時間成正比。
②公式:焦耳定律數學表達式:Q=I2Rt,導出公式有Q=UIt和Q=U2/R×t。前式為普遍適用公式,導出公式適用于純電阻電路。
③注意問題:電流所做的功全部產生熱量,即電能全部轉化為內能,這時有Q=W。電熱器和白熾電燈屬于上述情況。
④在串聯電路中,因為通過導體的電流相等。通電時間也相等,根據焦耳定律,可知導體產生的熱量跟電阻成正比,即
⑤在并聯電路中,導體兩端的電壓相等,通電時間也相等,根據,可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成反比,即
⑥電熱器: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制成。
焦耳定律是定量說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。
采用國際單位制,其表達式為Q=I2×Rt或熱功率P=I2×R其中Q、I、R、t、P各量的單位依次為焦耳、安培、歐姆、秒和瓦特。
焦耳定律是設計電照明,電熱設備及計算各種電氣設備溫升的重要公式。
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。
焦耳定律在并聯電路中的運用:
在并聯電路中,電壓是相等的,通過變形公式,W=Q=Pt=U2/R×t,當U定時,R越大則Q越小。
需要注明的是,焦耳定律與電功公式W=UIt適任何元件及發熱的計算,即只有在像電熱器這樣的電路(純電阻電路)中才可用Q=W=UIt= Q=I2Rt =U^2/R×t。
另外,焦耳定律還可變形為Q=IRQ(后面的Q是電荷量,單位庫侖(c))。
圖為焦耳定律的實驗圖。
1.正確理解和使用焦耳定律
焦耳定律是一個實驗定律,它的適用范圍很廣。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。
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。
需要說明的是W=U2/Rt和W=I2Rt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。
使用焦耳定律公式進行計算時,公式中的各物理量要對應于同一導體或同一段電路,與歐姆定律使用時的對應關系相同。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=UIt=Pt適用于所有電路,而W=I2Rt=U2/Rt只用于純電阻電路(全部用于發熱)。
焦耳定律實驗所用到的物理實驗方法
如圖是研究電流通過導體產生的熱量與導體的電阻的關系
因為我們不能直接的觀察到電流到底產生了多少熱量,所以我們通過觀察瓶里的液體,間接的觀察,這種方法叫做 轉換法。
在這個實驗中,一共涉及到三個物理量——電流,電阻和熱量,而我們只需要研究 ,熱量和電阻的關系,所以,我們要保持電流一定(因此我們把兩個電阻串聯)為了不影響結果,這種方法叫做 控制變量法。
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