(山东省专用)201X-201x学年高中物理 第二章 恒定电流 第5节 焦耳定律讲义(含解析)新人教

第5节焦耳定律

1.电功是指电流通过一段电路所做的功，实质是静电力在这段电路中所做的功，其表达式为W ＝UIt 。 2．电功率是指单位时间内电流所做的功，表达式为

P ＝W t

。

3．焦耳定律的表达式为Q ＝I 2Rt ，此式适用于任何电路。

4．非纯电阻电路中，由于产热不可避免，所以非纯电阻电路的效率不可能达到100%。

一、电功和电功率 1．电功

(1)定义：电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压U 、电路中的电流I 和通电时间t 三者的乘积。

(2)公式：W ＝IUt 。

(3)国际单位：焦，符号为J 。

(4)实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。

(5)意义：电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。即电功是电能转化为其他形式的能的量度。

2．电功率

(1)定义：单位时间内电流所做的功。 (2)公式：P ＝W t

＝IU 。 (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．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。

3．热功率

(1)定义：单位时间内的发热量。 (2)公式：P 热＝Q t

＝I 2R ，单位：瓦特(W)。 (3)意义：表示电流发热快慢的物理量。

1．自主思考——判一判

(1)电功与电能的单位相同，电功就是电能。(×) (2)电功率越大，电功越大。(×) (3)1千瓦时＝3.6×106 J 。(√)

(4)非纯电阻电路中，电热的表达式是Q ＝I 2Rt 。(√) (5)电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热。(×)

(6)根据I ＝U R 可导出P ＝U 2

R

，该公式用于任何用电器。(×)

2．合作探究——议一议

(1)用电器额定功率越大，接在电路中电流做的功越多，这样说法对吗？

提示：不对。电流做功一方面与实际功率有关，另一方面还与通电时间有关，只有实际功率与时间乘积大时，电流做功才多。

(2)标有“220 V 40 W”的白炽灯泡和“220 V 40 W”的电动机，把它们并联后接到220 V 的照明电路中，二者都能正常工作，它们在相同的时间内产生的电热相同吗？

提示：不同。“220 V 40 W”的白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而“220 V 40 W”的电动机，通电后消耗的电能大部分转化为机械能，剩余的小部分才转化为内能。

串、并联电路中电功率的分析与计算

1．串联电路

功率关系⎩⎨⎧

各部分电路电流I 相同，根据P ＝I 2R ，

各电阻上的电功率与电阻成正比

总功率P 总

＝UI ＝U 1

＋U 2

＋…＋U

n

I ＝

P 1

＋P 2

＋…＋P

n

2．并联电路

功率关系⎩⎪⎨

⎪⎧

各支路电压相同，根据P ＝U 2

R

，各支路电阻

上的电功率与电阻成反比

总功率R 总

＝UI ＝U I 1

＋I 2

＋…＋I n

＝

P 1

＋P 2

＋…＋P

n

3．结论

无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。

[典例] 额定电压都是110 V ，额定功率P A ＝100 W ，P B ＝40 W 的电灯两盏，若接在电压是220 V 的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是( )

[审题指导]

(1)两电灯均正常发光时，其电压必为额定电压。 (2)滑动变阻器消耗的功率最小时电路总功率就最小。

[解析] 对灯泡有P ＝UI ＝U 2

R

，可知：R A ＜R B ，对于A 电路，由于R A ＜R B ，所以U B ＞U A ，

且有U B ＞110 V ，B 灯被烧毁，A 错误。

对于B 电路，由于R B ＞R A ，A 灯又并联变阻器，并联电阻更小于R B ，所以U B ＞U 并，B 灯被烧毁，B 错误。

对于C 电路，B 灯与变阻器并联电阻可能等于R A ，所以可能U A ＝U B ＝110 V ，两灯可以正常发光。

对于D 电路，若变阻器的有效电阻等于A 、B 的并联电阻，则U A ＝U B ＝110 V ，两灯可以正常发光。

比较C 、D 两个电路，由于C 电路中变阻器功率为(I A －I B )×110，而D 电路中变阻器功率为(I A ＋I B )×110，

所以C 电路消耗电功率最小。 [答案] C

解答串并联电路电功率问题应注意的两个问题

(1)求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要确定是正比还是反比关系。

(2)当分析用电器的功率问题时，一定要注意用电器的安全，即不要超过用电器的额定电压、额定电流。

1．在直流电路中，两个电阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通过的电流之比I1∶I2＝2∶1，则在相等时间内两个电阻产生的热量

Q 1∶Q 2为( )

A ．1∶1

B ．2∶1

C ．4∶1

D ．8∶1

解析：选D 两个导体的电阻阻值之比是2∶1，通过的电流之比是2∶1，通电时间t 相

同，则产生的热量之比Q 1Q

2＝I 12R 1t I 22R 2t ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫212×21＝8

1

，故D 正确。

2.如图所示，电源电压8 V ，闭合开关后，电流表的示数为0.2 A ，电流表的示数为0.3 A 。试求：

(1)R 1的电功率；

(2)1 min 内R 2消耗的电能。 解析：由电路图可知：I 1＝0.2 A ，

I 2＝0.3 A －0.2 A ＝0.1 A ，

(1)P 1＝UI 1＝8×0.2 W＝1.6 W 。 (2)Q ＝W ＝UI 2t ＝8×0.1×60 J＝48 J 。 答案：(1)1.6 W (2)48 J

纯电阻电路与非纯电阻电路

纯电阻电路

非纯电阻电路

元件特点

电路中只有电阻元件，如电阻、

电炉丝、白炽灯

电路中除电阻外，还包括能把电能转化为其他形式能的用电器，如电动机、

电解槽 欧姆定律是否

适用

适用，I ＝U R

不适用，I ＜U R

能量转化

电能全部转化为内能：W ＝Q ＝

UIt ＝I 2Rt ＝U

2

R

t

电能转化为内能和其他形式的能量：W ＝UIt ，Q ＝I 2Rt ，W ＝Q ＋W 其他 功率特点

电功率等于热功率：P 电＝P 热＝

UI ＝I 2

R ＝U 2

R

电功率等于热功率与其他功率之和：P

电

＝UI

P 热＝I 2R