15.4 探究焦耳定律 2023-2024学年沪粤版物理九年级上册

第十五章 电能与电功率 15.4 探究焦耳定律 周六,小明的爸爸出门前嘱咐他好好写作业,不要看电视。爸爸回来时看到他在认真写作业,电视机也没打开,很高兴。可小明的妹妹跑过来偷偷告诉爸爸:哥哥刚把电视关了。 请你当下小侦探,帮助这位爸爸判断一下小明到底有没有看过电视?你的依据是什么? 新课引入 电熨斗 电水壶 电暖风 生活中,许多用电器接通电源后,都伴有热现象产生。 电流的热效应 热水器 电炉 饮水机 生活中,许多用电器接通电源后,都伴有热现象产生。 电流的热效应 4 它们都有什么共同特性?你还知道哪些类似的用电器? 电流通过导体,导体会发热的现象,叫做电流的热效应。 电流的热效应 通过电炉丝和导线的电流相同,为什么电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热? 电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关? 提出问题 电流的热效应 猜想假设: 实验原理 电流的大小、导体电阻的大小、通电时间 控制变量法 当电流通过电阻丝时,电流产生的热量就使周围 的空气温度升高、体积膨胀。利用这个特点,采 用 U 形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的 变化来间接反映电流产生的热量。 实验方法: —— 转换法 电流的热效应 实验过程: 现象: 结论: 1、研究电热与电阻的关系 R1 = 5 R2 = 10 A 电 路 图 内部电阻较大的容器的U形管中液柱上升较高。 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。 电流的热效应 实验过程: 现象: 结论: 2、研究电热与电流的关系 电 路 图 通过内部电阻的电流较大的,U形管中液柱上升较高。 在电阻相同、通电时间相同的情况下,通过一个电阻的电流越大,这个电阻产生的热量越多。 I = 2I1 A R=5 R=5 R=5 I1 电流的热效应 实验过程: 现象: 结论: 3、研究电热与通电时间的关系 给同一个电阻通电的时间越长,液柱上升越高。 在电流、电阻相同的情况下,通电的时间越长,这个电阻产生的热量越多。 观察一个设备(电阻、电流不变)U形管中液柱随通电时间的变化情况 电流的热效应 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; 在电阻相同、通电时间相同的情况下,通过一个 电阻的电流越大,这个电阻产生的热量越多; 在电流、电阻相同的情况下,通电的时间越长, 这个电阻产生的热量越多。 电热和电阻、电流、通电时间的定性关系: 电流的热效应 焦耳(James Prescott Joule,1818~1889),英国物理学家。用近 40 年的时间做了 400 多次实验,研究热和功的关系。 通过大量的实验,于1840年最先精确地确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系(定量关系)。 焦耳定律 Q = I R t 焦耳定律 公式: 意义: 单位: 电流流过导体时产生的热量,跟电流的平方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。 热量 电流 电阻 时间 J A s 焦耳定律 练习:一根 60 的电阻丝接在 36 V 的电源上,在 5 min 内共产生多少热量? 解: 通过电阻丝的电流 电流产生的热量 Q=I2Rt=(0.6 A)2 60 5 60 s=6 480 J 还有其他方法吗? 焦耳定律 焦耳定律的理论推导 电流通过导体时,如果消耗的电能全部转化为热(即只发热),而没有转化为其他形式的能量,那么,电流产生的热量 Q 就等于消耗的电能 W。 Q=W =UIt =IR It =I2Rt 纯电阻电路, 欧姆定律成立 焦耳定律 当电路中消耗的电能除内能外,还转化为其他能时: W=UIt>Q=I2Rt 注意: (非纯电阻电路,欧姆定律不成立) 电能 内能+机械能 示例:电动机 焦耳定律 例:有一电动机,它正常工作时的电阻为5 ,电流为5A,正常工作的电压为220V,通电10min,电动机消耗的电能为多少?产生的热量为多少?有多少电能转化为机械能? 解:消耗的电能: W= UIt =220V 5A 600s=6.6 105J 电热Q = I 2Rt =(5A)2 5 600s=7.5 104J 转化为的机械能: E机=W-Q=6.6 105J -7.5 104J =5.85 105J 答:电动机消耗的电能为6.6 105焦,产生的热量为7.5 104焦,有5.85 105焦电能转化为机械能。 学以致用: 通过电炉丝和导线的电流相同,为什么电炉丝热得发红,而导线却几乎不发热? 电炉通过导线接到电路中,导线中的电流跟电炉丝中的电流相等,但电炉丝的电阻比连接电炉丝的导线电阻大得多,根据焦耳定律 Q = I2Rt 知,电流相等,电阻大的,相同时间里放出的热较多,所以电炉丝很热,而导线却不热。 焦耳定律 电热的应用 电热器的优点: 清洁卫生,没有环境污染,热效率高,还可以方便地控制