焦耳定律詳解

2.5焦耳定律二、電功率一、電功三、電熱四、電功與電熱大小對(duì)比五、電動(dòng)機(jī)電路的輸入功率、熱功率、輸出功率六、輸電線路中的輸入功率、輸出功率、線路損耗功率它們把電能轉(zhuǎn)化為什么能？這種電器叫純電阻用電器熱能導(dǎo)體通電時(shí)的發(fā)熱現(xiàn)象叫電流的熱效應(yīng)。一、電功電場(chǎng)力（或電流）所做的功叫電功。描述力對(duì)電荷位移的累積效果。（1）定義式的變形式：W=qU=UIt（2）單位：焦耳（J）、千瓦時(shí)（kwh）。1kwh=3.6×106J自由電子在電場(chǎng)力的作用下在電路中會(huì)定向移動(dòng)，電場(chǎng)力做功，電場(chǎng)力做的功常常說(shuō)成是電流所做的功，簡(jiǎn)稱(chēng)電功。不同的用電器在相同電壓作用下，電場(chǎng)力做功的快慢程度又不同，為了比較電場(chǎng)力做功的快慢，引入了電功率。

電流通過(guò)導(dǎo)體是會(huì)發(fā)熱，把它叫電熱。那么，電功、電功率、電熱三個(gè)物理量之間有何關(guān)系呢？

下面在復(fù)習(xí)學(xué)過(guò)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步來(lái)明確這些問(wèn)題。

P額是個(gè)定值，P實(shí)是個(gè)變值大小關(guān)系P額≥P實(shí)二、電功率附:幾種常見(jiàn)家用電器的額定功率

用電器29吋彩電電熨斗電冰箱微波爐臺(tái)燈額定電壓（V）220220220220220額定功率（W）0～150300～800100～150800～120040～60用電器的電阻和功率的說(shuō)明①純電阻用電器接入電路中，若無(wú)特別說(shuō)明，應(yīng)認(rèn)為其電阻不變．②用電器的實(shí)際功率超過(guò)額定功率時(shí)，認(rèn)為它將被燒毀。不考慮其安全系數(shù)．③沒(méi)有注明額定值的用電器(如用于限流的變阻器)接入電路時(shí)，認(rèn)為其工作的物理量均小于其額定值，能安全使用.④電壓表和電流表是考慮內(nèi)阻，要看具體問(wèn)題，具體分析。有些題要求考慮，有些不要求考慮。電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量叫電熱。熱的產(chǎn)生不只是電。（1）焦耳定律：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量Q等于電流I的二次方、導(dǎo)體的電阻R和通電時(shí)間t三者的乘積．

Q=I2Rt（2）單位：焦耳（J）

三、電熱（4）焦耳定律的適用條件：焦耳定律適用于純電阻電路，也適用于非純電阻電路。只要有電阻通電就成立。純電阻電路：只含有電阻的電路、如電爐、電烙鐵等電熱器件組成的電路，白熾燈及轉(zhuǎn)子被卡住的電動(dòng)機(jī)也是純電阻器件。它們把電能轉(zhuǎn)化為熱能。非純電阻電路：電路中有電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)或有電解槽在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或有電池在充電等。電能變?yōu)闊岷推渌问侥?。產(chǎn)生的熱量用焦耳定律計(jì)算。

根據(jù)能量守恒定律及“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”可知：電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生了電熱，即電能轉(zhuǎn)化為熱能，則電流必做功。那么，電功與電熱大小之間有何關(guān)系呢？（1）在純電阻電路中，電功等于電熱：W=E電減=Q即電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：UIt=I2Rt→U=IR，也即歐姆定律成立。

此時(shí)還有：UIt=I2Rt=（U2/R）tMVU>IR四、電功與電熱大小對(duì)比因電能只有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能能等其它形式的能量。UIt=I2Rt+E其它＞I2Rt，可見(jiàn)，U＞IR，即歐姆定律對(duì)這段非純電阻電路不成立。U=IR（2）在非純電阻電路中，電功大于電熱：W=E電減＞Q注意：1、公式W=UIt和P=UI是電功和電功率的一般表達(dá)式，表示電流通過(guò)用電器做的總電功和總電功率。適用于任何用電路。W=I2Rt=U2t/R和P=I2R=U2/R，則是前面兩公式與歐姆定律結(jié)合而導(dǎo)出的，它們實(shí)際上只適用于純電阻電路。2、電流通過(guò)用電器做功的過(guò)程實(shí)際上是電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能的過(guò)程。

電流通過(guò)一段電路做了多少功，電能就減少多少，其它形式能就增加多少。例1關(guān)于電功W和電熱Q的說(shuō)法正確的是(

)A．在任何電路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，且W＝QB．在任何電路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，但W不一定等于QC．W＝UIt、Q＝I2Rt均只有在純電阻電路中才成立D．W＝UIt在任何電路中成立，Q＝I2Rt只在純電阻電路中成立解析：

W＝UIt、Q＝I2Rt適用于一切電路，但在純電阻電路中W＝Q，在非純電阻電路中W＞Q，B對(duì)，A、C、D錯(cuò)．答案：

B電動(dòng)機(jī)中的能量轉(zhuǎn)化：通電時(shí)，電阻r把電能轉(zhuǎn)化為熱能，無(wú)阻線圈D把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。能量守恒關(guān)系為E電=E機(jī)+Q

，即UIt=P機(jī)t+I2Rt(2)電動(dòng)機(jī)的輸入功率：又叫電動(dòng)機(jī)的總功率，由電動(dòng)機(jī)線圈中的電流I和電機(jī)兩端的電壓U決定計(jì)算方法：P總＝UI（1）電動(dòng)機(jī)是一種非純電阻用電器電動(dòng)機(jī)通電時(shí)，常把電動(dòng)機(jī)內(nèi)的有阻線圈等效于：線圈的電阻r和無(wú)電阻線圈D（理想線圈）串聯(lián)而成。如圖所示。五、電動(dòng)機(jī)電路的輸入功率、熱功率、輸出功率D(3)電動(dòng)機(jī)的熱功率：電動(dòng)機(jī)線圈的電阻r發(fā)熱熱功率P熱＝I2r(4)電動(dòng)機(jī)的輸出功率：電動(dòng)機(jī)做有用功的功率，是機(jī)械功率。如圖所示，P出=P機(jī)=FV勻速時(shí)F=mg，P出=P機(jī)=mg·v(5)三個(gè)功率的關(guān)系輸入功率P=

IU熱功率P熱=I2r

輸出功率P出=P機(jī)=mg·v

P＝P出+P熱IU=mg·v+I2r思考:電動(dòng)機(jī)的效率是？

輸入功率：輸電線路兩端的電壓U與輸入電流I之積。即P=IU輸出功率：即用戶(hù)獲得的電功率，等于用戶(hù)兩端的電壓U用與輸出

電流I之積，即P用=IU用三個(gè)功率關(guān)系：P=P用+P損耗即UI=

U用

I+I2R線

其中P出=P用輸電線路的等效電路圖I

思考：輸電效率η=

?

線路損耗的功率：P損=I2R線六、輸電線路中的輸入功率、輸出功率、線路損耗功率

小結(jié)：１．電功

３．電功率

４．熱功率

２．焦耳熱

利用專(zhuān)用公式解題還會(huì)錯(cuò)嗎？BC解析：

首先要明確，歐姆定律U＝IR只適用于純電阻電路，因此三個(gè)公式在純電阻電路中沒(méi)有區(qū)別，但在非純電阻電路中它們互不相同．

其次，P＝UI表示電功率，而P＝I2R表示熱功率．因此，在純電阻電路中，UI＝I2R，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為熱能；而在非純電阻電路中，UI＞I2R，即消耗的電能只有部分轉(zhuǎn)化為熱能．答案：

BC例2.“220V,66W”的電風(fēng)扇，線圈的電阻為20Ω，(1)接上220V電壓后，電風(fēng)扇消耗功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱功率．(2)如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱功率．

典型例題解析：(1)電風(fēng)扇工作時(shí)，其電路不是純電阻電路，它從電源獲取的電功率一部分轉(zhuǎn)化為線圈的發(fā)熱功率，另一部分轉(zhuǎn)化為扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械功率．它們?nèi)咧g的關(guān)系為：

P電＝P熱＋P機(jī)．其中P電＝UI，P熱＝I2R.電風(fēng)扇接在220V電壓下正常工作，電流大小為I額＝P額/U額＝(66/220)A＝0.3A.發(fā)熱功率為P熱＝I2R＝0.32×20W＝1.8W.轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為P機(jī)＝P電－P熱＝66W－1.8W＝64.2W.(2)電扇的扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)相當(dāng)于純電阻，電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，通過(guò)電扇的電流為I′＝U/R＝(220/20)A＝11A.電機(jī)消耗的功率P′等于發(fā)熱功率P熱′，P′＝P熱′＝I′U＝11×220W＝2420W,遠(yuǎn)大于66W.這時(shí)電機(jī)將被燒壞．答案：

64.2W

1.8W

2420W

2420W例3.在研究微型電動(dòng)機(jī)的性能時(shí)，可采用如下圖所示的實(shí)驗(yàn)電路．當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)分別為0.5A和1.0V；重新調(diào)節(jié)R，使電動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)分別為2.0A和15.0V．求：(1)這臺(tái)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輸出功率和電動(dòng)機(jī)的線圈電阻．(2)電動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)時(shí)勻速提升一個(gè)2kg的物體，該物體豎直上升的速度多大？(g＝10m/s2)答案：

(1)22.0W

2Ω

(2)1.1m/s例4如下圖所示，電路中的電阻R＝10Ω，電動(dòng)機(jī)的線圈電阻r＝1Ω，加在電路兩端的電壓U＝100V．已知電流表讀數(shù)為30A，則通過(guò)電動(dòng)機(jī)線圈的電流為多少？電動(dòng)機(jī)輸出功率為多少？答案：

20A

1600W

例5如圖所示，A為電解槽，M為電動(dòng)機(jī)，N為電爐子，恒定電壓U＝12V，電解槽內(nèi)阻rA＝2Ω，當(dāng)K1閉合，K2、K3斷開(kāi)時(shí)，A示數(shù)6A；當(dāng)K2閉合，K1、K3斷開(kāi)時(shí)，A示數(shù)5A，且電動(dòng)機(jī)輸出功率為35W；當(dāng)K3閉合，K1、K2斷開(kāi)時(shí)，A示數(shù)為4A.求：(1)電爐子的電阻及發(fā)熱功率各多大？(2)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻是多少？(3)在電解槽工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為多少？答案：⑴R=2Ω；PR=72W⑵rM=1Ω⑶P化=16W