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焦耳定律,是指英國物理學家焦耳做了大量的實驗於1840年最先精確地確定電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比,跟導體的電阻成正比.跟通電時間成正比,這個規律叫做焦耳定律。在1842年時,俄國物理學家海因里希·楞次也獨立發現上述的關係,因此也稱為「焦耳-楞次定律」。

1 焦耳定律 -定義

焦耳定律焦耳定律實驗裝置

在一段導體中通有電流時,放出的熱量分別與電流強度的平方、導體的電阻和通電流的時間三者成正比。這一結論稱為焦耳定律。

2 焦耳定律 -解釋

公式

焦耳定律給出了電流產生熱量與電流強弱,時間還有電阻的關係:電流通過導體產生的熱量,跟電流的二次方成正比,跟導體電阻大小成正比,跟通電時間成正比。公式表示如圖示一。

焦耳定律圖示一


 

單位

Q - 熱量 - 焦耳;

I - 電流 - 安培;

R - 電阻 - 歐姆;

t - 時間 - 秒

焦耳-楞次定律

焦耳定律是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。俄國物理學家海因里希·楞次在1842年也獨立發現上述的關係,所以也稱之為焦耳-楞次定律。

3 焦耳定律 -簡述

關於導體中通過的電流與所產生的熱量之間的定律。1840年由詹姆斯·普雷斯科特·焦耳提出。定律揭示了電流通過導線時所產生的熱量和導線的電阻與電流平方的乘積成比例,即

H=0.24IRt

式中H為產生的總熱量,單位為卡;I為電流,單位為安;R為電阻,單位為歐;t為時間,單位為秒;0.24為由實驗定出的比例常量。

焦耳是通過實驗測定發現這個定律的。但是從理論上也不難理解,當電流的大小不變,產生的熱量全部來源於電荷通過導體失去的勢能。電荷的數量為It,失去的勢能為WWRIt。因此,在單位時間中轉變為熱的電能為RI(焦),或者說在導體上消耗的電功率P

PRI(瓦)

焦耳定律是設計電照明,電熱設備及計算各種電氣設備溫升的重要公式。

焦耳定律在串聯電路中的運用:

在串聯電路中,電流是相等的,則電阻越大時,產生的熱越多。

焦耳定律在並聯電路中的運用:

在並聯電路中,電壓是相等的,通過變形公式,W=Q=Pt=(U^2/R)×t,當U定時,R越大則Q越小。

需要註明的是,焦耳定律與電功公式W=UIt適任何元件及發熱的計算,即只有在像電熱器這樣的電路(純電阻電路)中才可用Q=W=UItq=I^2×Rt =(U^2/R)×t

另外,焦耳定律還可變形為Q=IRq(後面的Q是電荷量,單位庫侖(c))。

在熱力學中指,氣體的內能只是溫度的函數,與體積無關。即內能對體積的偏導數為零。

4 焦耳定律 -實驗

製作方法

取500毫升燒瓶兩個,都用鑽有3毫米孔的膠塞塞緊,在孔上都插一個輸液管三通接頭,並與輸液管連接成如圖18.2-4所示的A、B兩個U形管,管高約20厘米,向管中注入約5厘米高的紅色酒精。若管中液柱高度不相等,可用紙繩將較高一邊的酒精吸出一些。兩燒瓶內是空的。

電源電壓6伏、9伏。面板尺寸為40×45厘米2。電阻絲R1=R2=6歐,R2=R4=12歐。線路連接如圖示二。

焦耳定律圖示二

取透明塑料管(同方法一)一段,上下均用膠塞塞緊,上膠塞鑽一直徑3毫米的孔,插入一個輸液管直通接頭,外端連接一段輸液管,長約15厘米(也可用粗試管和細玻璃管代替上述透明塑料管和輸液管)。

使用方法

1.調節標尺,使液面略低於零刻度線。用管口蓋蓋住三通接頭的另一口。

2.接9伏電源,斷開S2,將S1與接點2接通,此時R2與R3串聯,通過的電流相等。但因R3=2R2,所以A管液柱(即指A管靠標尺一邊的液柱)升高h(約1厘米)時,B管液柱(即指B管靠標尺一邊的液柱)升高2h,這就說明了電流產生的熱量與電阻成正比。斷開電路,揭開三通接頭的蓋,使液柱恢復原高度,稍停一分鐘,待兩瓶溫度相等時,再蓋住三通接頭口。

3.兩個開關同使用方法2,同時計時,觀察B管液柱的升高,5秒鐘時升高h,到10秒鐘時升高2h。這說明電流產生的熱量與通電時間成正比。以後同使用方法2一樣斷開電路使A、B兩管液柱復原,井蓋住三通接頭口。

4.接6伏電源。接通S2,再將S1與接點1接通,此時A、B兩瓶內的電阻相等,但因R2與R4串聯后與R1+R2並聯,所以通過R1和R2的電流為通過R3的電流的二倍,此時B管液柱升高h時,A管液柱升高4h。這就說明了電流產生的熱量,與電流的平方成正比。

5.實驗完畢,斷開電路,揭開三通蓋。

注意事項

斷開電源應迅速,稍一遲緩,液柱將由管口溢出。使用R2的時間不可太長,否則,實驗誤差增大,影響演示效果。

提示

本自製教具可輔以「電功、電功率」部分的物理實驗教學。 

5 焦耳定律 -注意

焦耳定律是一個實驗定律它可以對任何導體來,它的適用範圍很廣。遇到電流熱效應的問題時,例如要計算電流通過某一電路時放出熱量;比較某段電路或導體放出熱量的多少,即從電流熱效應角度考慮對電路的要求時,都可以使用焦耳定律。

從焦耳定律公式可知,電流通過導體產生的熱量跟電流強度的平方成正比、跟導體的電阻成正比、跟通電時間成正比。

若電流做的功全部用來產生熱量。即W=UIt。

根據歐姆定律,有W=I^2;Rt

需要說明的是W=U^2;/Rt和W=I^2;Rt不是焦耳定律,它們是從歐姆定律推導出來的,只能在電流所做功將電能全部轉化為熱能的條件下才成立(純電阻電路)。例如對電爐、電烙鐵這類用電器,這兩公式和焦耳定律才是等效的。

使用焦耳定律公式進行計算時,公式中的各物理量要對應於同一導體或同一段電路,與歐姆定律使用時的對應關係相同。當題目中出現幾個物理量時,應將它們加上角碼,以示區別。

注意:W=UIt=Pt適用於所有電路,而W=I^2;Rt=U^2;/Rt只用於純電阻電路(全部用於發熱)。

6 焦耳定律 -實驗原理

 焦耳定律是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。1841年,英國物理學家焦耳發現載流導體中產生的熱量Q(稱為焦耳熱)與電流I 的平方、導體的電阻R、通電時間t成正比,這個規律叫焦耳定律。採用國際單位制,其表達式為Q=I^2*Rt或熱功率P=I^2*R其中Q、I、R、t、P各量的單位依次為焦耳、安培、歐姆、秒和瓦特。

焦耳定律是設計電照明,電熱設備及計算各種電氣設備溫升的重要公式。焦耳定律在串聯電路中的運用: 在串聯電路中,電流是相等的,則電阻越大時,產生的熱越多。焦耳定律在並聯電路中的運用: 在並聯電路中,電壓是相等的,通過變形公式,W=Q=PT=U2/RT.當U定時,R越大則Q越小。需要註明的是,焦耳定律與電功公式W=UIt只適用於純電阻電路,即只有在像電熱器這樣的電路中才可用Q=W=UIt=I^2Rt=U^2t/R。

 另外,焦耳定律還可變形為Q=IRQ(後面的Q是電荷量,單位庫侖(c))。1.正確理解和使用焦耳定律 焦耳定律是一個實驗定律,它的適用範圍很廣。遇到電流熱效應的問題時,例如要計算電流通過某一電路時放出熱量;比較某段電路或導體放出熱量的多少,即從電流熱效應角度考慮對電路的要求時,都可以使用焦耳定律。從焦耳定律公式可知,電流通過導體產生的熱量跟電流強度的平方成正比、跟導體的電阻成正比、跟通電時間成正比。

 需要說明的是焦耳定律,它們是從歐姆定律推導出來的,只能在電流所做功將電能全部轉化為熱能的條件下才成立。對電爐、電烙鐵、電燈這類用電器,這兩公式和焦耳定律是等效的。分析解決由電流通過用電器的放熱問題時,應有,這樣可以減少錯誤。使用焦耳定律公式進行計算時,公式中的各物理量要對應於同一導體或同一段電路,與歐姆定律使用時的對應關係相同。當題目中出現幾個物理量時,應將它們加上角碼,以示區別。

7 焦耳定律 -實驗方法

焦耳定律

如圖是研究電流通過導體產生的熱量與導體的電阻的關係

因為我們不能直接的觀察到電流到底產生了多少熱量,所以我們通過觀察瓶里的液體溫度(溫度計示數),間接的觀察,這種方法叫做轉換法。

在這個實驗中,一共涉及到三個物理量——電流,電阻和熱量,而我們只需要研究 ,熱量和電阻的關係,所以,我們要保持電流一定(因此我們把兩個電阻串聯)為了不影響結果,這種方法叫做控制變數法。

8 焦耳定律 -應用

電流所做的功全部產生熱量,即電能全部轉化為內能,這時有Q=W(在純電阻電路中)。電熱器和白熾電燈屬於上述情況。

在串聯電路中,由於通過導體的電流相等,通電時間也相等,根據焦耳定律可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成正比。

在並聯電路中,由於導體兩端的電壓相等,通電時間也相等,根據焦耳定律可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成反比。

電熱器:利用電流的熱效應來加熱的設備,電爐、電烙鐵、電熨斗、電飯鍋、電烤爐等都是常見電熱器。電熱器的主要組成部分是發熱體,發熱體是由電阻率大,熔點高的電阻絲繞在絕緣材料上製成。

焦耳定律是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。

非純電阻電路:Q=I^2Rt<W=Pt=UIt(電能轉化為內能以及其他形式能)

純電阻電路:Q=u^2/R t=I^2Rt=W=Pt=UIt(電能只轉化為內能)

9 焦耳定律 -焦耳簡介

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(JamesPrescottJoule;1818年12月24日-1889年10月11日),英國物理理學家,出生於曼徹斯特近郊的沙弗特(Salford)。焦耳自幼跟隨父親參加釀酒勞動,沒有受過正規的教育。青年時期,在別人的介紹下,焦耳認識了著名的化學家道爾頓。道爾頓給予了焦耳熱情的教導。焦耳向他虛心的學習了數學、哲學和化學,這些知識為焦耳後來的研究奠定了理論基礎。而且道爾頓教誨了焦耳理論與實踐相結合的科研方法,激發了焦耳對化學和物理的興趣,並在他的鼓勵下決心從事科學研究工作。

他的第一篇重要的論文於1840年被送到英國皇家學會,當中指出電導體所發出的熱量與電流強度、導體電阻和通電時間的關係,此即焦耳定律。

焦耳提出能量守恆與轉化定律:能量既不會憑空消失,也不會憑空產生,它只能從一種形式轉化成另一種形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,而能的總量保持不變,奠定了熱力學第一定律(能量不滅原理)之基礎。

當選為英國皇家學會會員。由於他在熱學、熱力學和電方面的貢獻,皇家學會授予他最高榮譽的科普利獎章(CopleyMedal)。 

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