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专题44 对焦耳定律的理解和应用
考点梳理
知识点一 电流的热效应
定义:电流通过导体时将电能转化为内能,这种现象叫电流的热效应。如:电流流过灯丝时,灯泡发热;电热毯通电后会发热……
电热器:电烙铁、电熨斗、电炉、电饭锅、电暖器、电烤箱、电热水器等利用电流的热效应进行工作,所有的电热器都是把电能转化为内能。
知识点二 电流通过导体时产生的热量多少跟什么因素有关
提出问题:电流通过导体产生的热量多少与什么因素有关?
实验方法:控制变量法、转换法
猜想并进行实验:
(1)探究电流产生的热量与电阻的关系
将两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端,通过两电阻丝的电流相同,通电一段时间后,比较两个容器中U型管液面的高度变化情况,发现与右边容器相连的U型管液面高度变化更大一些。如图所示
注意:①本实验中电热的多少通过空气受热膨胀U型管两侧液面高度变化不同来反应,转换法的利用,故需要在U型管中装有等量的空气。
②实验中U型管中装的液体是煤油,因为煤油比热容小,升温快,同时,煤油是绝缘体,不导电,具有安全性。
结论:在电流相同、通电时间相同的情况下,电阻越大,这个电阻产生的热量越多
探究电流产生的热量与电流的关系
如图所示,两个密闭容器中的电阻丝阻值都是5Ω,在右侧容器的外部,将一个5Ω的电阻与这个电阻并联,因此通过左侧容器中电阻丝的电流大于通过通过右侧容器中电阻丝的电流。在通电时间相同时,观察两个U型管中液面高度的变化。发现与左侧容器相通的U型管液面变化更大一些。
结论:在电阻相同、通电时间相同的情况下,通过电阻的电流越大,这个电阻产生的热量越多。
注意:实验中用电阻丝对空气加热可以缩短实验时间,并会使实验现象更加明显,实验中应使两容器密闭,不能漏气。
探究电流产生的热量与时间的关系
如图所示,将这套装置接到电源两端,在通电过程中,只观察与左边容器相通的U型管的液面高度变化情况,发现随着通电时间越长,U型管中液面高度变化越大。
结论:在电流相同、电阻相同的情况下,通电时间越长,这个电阻产生的热量越多
【例1】物理兴趣小组的同学“探究电流通过导体产生的热量与什么因素有关”的实验。将一段电阻丝装在透明、密闭的容器中,橡胶管将密闭容器和装有红色液体的U形玻璃管相连,如图所示。请你回答下列问题:
(1)在实验中,密闭容器内的空气质量应该_____(选填“相等”或“不相等”),观察U开玻璃管中液面度差的目的是:_____;
(2)如图(甲)所示,密闭容器内的电阻分别为5Ω和10Ω,实验探究的是电流通过导体产生的热量_____的关系,根据本次实验现象可得到的实验结论是_____;如图(乙)所示,密闭容器内的电阻均为5Ω,另有一个5Ω电阻在容器外部,与其中一个容器内的电阻并联,实验探究的是电流通过导体产生的热量与_____的关系;根据本次实验现象可得到的实验结论是_____。
知识点三 焦耳定律
内容:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。
公式:,在国际单位制中,电热的单位是焦耳,符号“”
焦耳定律的理论推导:电流通过导体时,如果电能全部转化为内能,而没有转化为其他形式的能,那么电流做功产生的热量Q等于电能的消耗量,即,再根据欧姆定律可知,。
焦耳定律适用于所有电路的电热计算,使用时各物理量单位要分别统一为。
【例2】如图是小明设计的多挡位电烤炉简化电路,电路中电源电压保持不变,R1、R2和R3是发热电阻(不计温度对电阻的影响),R1上标有“12V 9W”的字样,R2的阻值为8Ω。为了研究电阻的发热情况,小明将电压表接入电路,当只闭合开关S1时,电压表的示数为4V,电流表的示数为0.5A。求:
(1)R1、R3阻值和电源电压各为多少?
(2)当只闭合开关S2时,电路消耗的总功率为多少?
(3)给这个电烤炉通电10min,该电烤炉最大的发热量是多少?
知识点四 纯电阻电路与非纯电阻电路焦耳定律
(一)纯电阻电路
能量转化形式:电能全部转化为内能。
公式:(求电热或电功)(求电功率或热功率)
注意:①由上述两个公式可知,在家庭电路中,如果同时打开的用电器越多,则总电阻越小,则总功率越大,在相同时间产生的热量越多,超过空气开关允许的最大功率。出现跳闸现象。
(二)非纯电阻电路焦耳定律
能量转化形式:电能转化内能和形式能。
公式:(计算总能量)、(计算内能)、(计算其他形式的能)
(计算总功率)、(计算热功率)、(计算其他形式能的功率)
注意:电动机上的功率表示机械功率,即输出功率。电视机、电动机、电暖器额铭牌上都标有“220V 100W”,把他们并联在220V的电压下,在相同时间里它们产生的热量是不一样的。因为100W指的是电流做功的功率,计算出来的是电流做功的总能量
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