焦耳定律的理解

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所属分类:高二物理

高中物理指出,电荷在电场中运动,电场力会对电荷做功,电场力做功过程,其实就是能量转化过程,引起电能与其他形式能的转化。就电路而言,如果是纯电阻电路话,电场力做了多少功就会转成电阻产生的热量Q;而对复杂的非纯电阻电路,两者不一样了。

焦耳定律的理解

焦耳定律

所谓焦耳定律,电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比,与导体电阻、通电时间成正比。即Q=I2Rt

电能和焦耳定律关系

1、电功公式:W=Uit   电功的定义式,任何电路电流做功的表达式

2、焦耳定律:Q= I2Rt  焦耳热定义式,任何电路电阻的焦耳焦表达式

两者是否相等,是有前提的,那就是建立在该电路是否纯电阻电路。如果是纯电阻电路,则有W=Q;反之,非纯电阻电路,则有W>Q

纯电阻电路和非纯电阻电路

所谓纯电阻电路,就是电路中电流做功时将电能全部转化为热量,没有转化其他形式的回路。比如说电饭锅、电熨斗、电烙铁、电热毯、电热水器、电炉等这些用电器都属于纯电阻电器。

非纯电阻电器,就是电流做功时除了将电能转化为热量之外,还会转化为其他形式能的回路。比如说回路中含有电动机、电风扇、电解槽、日光灯等,电能除了转化为热量外,还会转化为机械能、化学能、光能。

需要强调一点,在非纯电阻电路中,部分电路的欧姆定律已经不适用了,即U>IR

显然,根据高一物理的能量转化定律可知,纯电阻电路中:W=Q= I2Rt,非纯电阻电路:W> I2Rt

电功率和热功率

1、电功率:P=UI

2、热功率:P=I2R

在纯电阻电路中,P= P= UI= I2R,而在非纯电阻电路中,P> P

经典例题

1、一只电炉的电阻丝和一台电动机线圈电阻相同,都为R,设通过它们的电流相同(电动机正常运转),则在相同时间内(      )

A.电炉和电动机产生的热量相同

B.电动机消耗的功率等于电炉消耗的功率

C.电炉两端电压小于电动机两端电压

D.电炉和电动机两端电压相等

答案:AC

解析:电炉属于纯电阻电器,电动机属于非纯电阻电器,根据焦耳定律知Q= I2Rt,因此A正确;

对电炉而言:U1=IR,故P1=I2R,对电动机而言:U2>IR,故P2>I2R,因此U1<U2P1<P2,则BD错误,C正确。

2、一台电动机,额定电压是100V,电阻是1Ω.正常工作时,通过的电流为5A,则电动机的机械功率为(      )

A500W

B25W

C2000W

D475W

答案:D

解析:显然该电路是非纯电阻电路,故电能除了转化为热能之外还会转化为机械能。其中电功率P=UI=500W,热功率为P=I2R=25W,故有P=P-P=475WD正确。

3、额定电压、额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯,各自在额定电压下正常工作了相同的时间。比较它们产生的热量,结果是(      )

A.电风扇最多

B.电烙铁最多

C.日光灯最多

D.一样多

答案:B

解析:三个用电器只有电烙铁是纯电阻电器,故电能全部转化为热量,其他两个电能转化除了转化为热量外,还会转化为机械能、光能,显然电烙铁的电热最大。

4、如图所示,直流电动机线圈的电阻为R,电源内阻为r,当该电动机正常工作时,电源路端电压为U,通过电动机的电流为I,则(      )

焦耳定律的理解

A.电动机内部发热功率为I2R

B.电动机的机械功率为UI

C.电源电动势为I(R+r)

D.电源的输出功率为UI+I2R

答案:A

解析:电动机属于非纯电阻电器,接到电路中时电动机两端电压即路端电压,但是U>IR,实际上IR得到的仅仅是电动机内部线圈的电压,该电压并非电动机两端电压。

由焦耳定律知电动机内部热量O= I2Rt,则热功率P= I2R,故A正确;

电动机总功率P=UI,热功率P= I2R,则机械功率为P= UI- I2R,B错误;

由闭合电路欧姆定律知,电源电动势公式E=Ir+U,而U>IR,因此E> I(R+r),故C错误;

电源的输出功率,即是整个电动机的功率,包括了电动机内部线圈的热功率和机械功率,则P输出=UI,故D错误。

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