第二章 5 焦耳定律—人教版高中物理选修3-1讲义

5焦耳定律

一、电功和电功率

1.电功

(1)电功是指电路中静电力对定向移动的电荷所做的功，电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程.

(2)电功的计算公式：W＝IUt.

单位：焦耳，符号为J.

常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h＝3.6×106 J.

2.电功率

(1)定义：单位时间内电流所做的功.

(2)公式：P＝W

t＝UI.

(3)单位：瓦，符号：W.

(4)意义：表示电流做功的快慢.

二、焦耳定律

1.焦耳定律

(1)内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比.

(2)表达式：Q＝I2Rt.

2.热功率

(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率.

(2)表达式：P＝I2R.

3.纯电阻电路与非纯电阻电路

(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能.

(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路.在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为机械能或化学能.

(3)电功和电热的计算公式比较

电功和电功率

W ＝UIt ＝I 2

Rt ＝U 2

R t

P 电＝UI ＝I 2R ＝U

2

R W ＝UIt P 电＝UI

电热和热功率

Q ＝I 2

Rt ＝UIt ＝U 2

R t

P 热＝I 2

R ＝UI ＝U 2

R

Q ＝I 2Rt P 热＝I 2R 电功和电热关系 W ＝Q W ＝Q ＋E 其他＞Q 电功率和热功率关系 P 电＝P 热 P 电＝P 热＋P 其他＞P 热 欧姆定律是否适用

I ＝U

R ，适用

U ＞IR ，不适用

(1)W ＝UIt 是电功的计算式，P 电＝UI 是电功率的计算式，适用于任何电路. Q ＝I 2Rt 是电热的计算式，可以计算任何电路中电流I 通过电阻R 时在t 时间内产生的热量，P 热＝I 2R 是热功率的计算式，可以计算任何电路的热功率.

(2)只有在纯电阻电路中才有W ＝Q ，P 电＝P 热而在非纯电阻电路中W ＞Q ，P 电＞P 热. (3)在纯电阻电路中，由UIt ＝I 2Rt 得I ＝U

R ，即欧姆定律成立；在非纯电阻电路中UIt ＞I 2Rt 知U ＞IR ，即欧姆定律不成立.

5.电动机的功率和效率

(1)电动机的输入功率指电动机消耗的总功率：P 入＝UI . (2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P 热＝I 2r .

(3)电动机的输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，P 出＝IU －I 2r . (4)电动机的效率：η＝P 出P 入

＝IU －I 2r

IU .

1 规格为“220 V 36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，求： (1)接上220 V 的电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；

(2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率. 2 如图所示，有一内电阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V 的直流电路两端，灯泡正常发光，则( )

A.电解槽消耗的电功率为120 W

B.电解槽的发热功率为60 W

C.电解槽消耗的电功率为60 W

D.电路消耗的总功率为60 W

3如图所示，A为电解槽，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，电解槽内阻r A＝2 Ω，当S1闭合、S2断开时，电流表的示数为6 A；当S2闭合、S1断开时，电流表的示数为4 A，求：(电流表内阻不计)

(1)电炉子的电阻及发热功率各多大？

(2)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？

4有一个小型直流电动机，把它接入电压为U 1＝0.2 V的电路中时，电动机不转，测得流过电动机的电流是I1＝0.4 A；若把电动机接入U2＝2.0 V的电路中，电动机正常工作，工作电流是I2＝1.0 A，求：

(1)电动机正常工作时的输出功率多大？

(2)如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率是多大？

5如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为r＝1 Ω，电动机两端的电压为5 V，电路中的电流为1 A，物体A重20 N，不计摩擦力，求：

(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率；

(2)电动机输入功率和输出功率；

(3)10 s内，可以把重物A匀速提升的高度；

(4)这台电动机的机械效率.

5焦耳定律1答案(1)35 W 1 W(2)1 210 W 1 210 W

解析(1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为I＝P

U＝

36

220A≈0.16 A

发热功率为

P热＝I2R＝(0.16)2×40 W≈1 W

转化为机械能的功率为

P机＝P－P热＝(36－1) W＝35 W.

(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为

I′＝U

R＝

220

40A＝5.5 A

电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：

P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W.

2答案 C

解析灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且干路电流I＝I

灯

＝6

11A，则电解槽消耗的电功率P＝P灯＝60 W，A错，C对；电解槽的发热功率P热

＝I2R内≈1.3 W，B错误；整个电路消耗的总功率P总＝220×6

11W＝120 W，D错. 3答案(1)2 Ω72 W(2)16 W

解析(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律得I1＝U

R，则R＝

U

I1＝

12 V

6 A＝2 Ω，其发

热功率为：P R＝UI1＝12×6 W＝72 W.

(2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为：P热＝I22r A＝42×2 W＝32 W，总功率为：P 总

＝UI2＝12×4 W＝48 W，故电能转化为化学能的功率为：P化＝P总－P热＝(48－32) W＝16 W.

4答案(1)1.5 W(2)8 W

解析(1)U1＝0.2 V时，电动机不转，此时电动机为纯电阻，故电动机线圈内阻r

＝U1

I1＝

0.2

0.4Ω＝0.5 Ω，U2＝2.0 V时，电动机正常工作.此时电动机为非纯电阻，则由电