微课堂 | 初中物理——焦耳定律

生活中，我们可以看到很多用电器背面都会留有一些小孔，比如电视机、显示器、投影仪、电脑主机背面等都有一些小孔。打开电脑主机机箱，还可以看到里面安装了风扇。

电视机、显示器背面

投影仪背面

电脑主机背面

电脑主板上安装有风扇

为什么要这样设计呢？请看下面视频

生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象产生。电流通过导体时，将电能转化成内能，这种现象叫做电流的热效应。

电暖风

生活中也有很多用电器是利用电流热效应工作的，如电饭锅、电熨斗、电暖气、电暖风、电热水器、电水壶、电热毯、电炉子等。

电炉子

电炉丝与导线串联接在电路里，通过两者的电流相同。为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热呢？

想要回答这个问题，我们需要知道电流通过导体时，产生热量的多少与哪些因素有关。

探究电热与哪些因素有关

▉电热与通电时间关系

将一容器中的电阻丝单独接到电源两端，随着通电时间的增长，U形管中液面高度差逐渐变大。

实验表明：

在电流、电阻一定的情况下，通电时间越长，电阻产生的热量越多。

▉电热与电阻关系

如上图，将两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两段电阻丝电流相同。通电一定时间后，两U形管中液面高度差均增大，但右侧高度差大于左侧。

实验表明：

在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，电阻产生的热量越多。

▉电热与电流关系

如上图，两个密闭容器中的电阻一样大，在右侧容器的外部，将一个电阻和容器内的电阻并联，因此通过两容器中电阻的电流不同（通过左侧电阻电流大于通过右侧电阻电流）。在通电时间相同的情况下，发现左侧U形管中液面高度差大于右侧高度差。

实验表明：

在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，电阻产生的热量越多。

两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化——转换法

焦耳定律

电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。

电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时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，即Q=W=UIt。再将U=IR代入，就能得到Q=I2Rt。

可见，在消耗的电能全部用来产生热量的情况下，根据电功的公式和欧姆定律推导公式推导出来的结论与焦耳定律一致。

学过了焦耳定律，现在就可以回答“为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热”的原因了。

导线和电炉丝串联，电流相同；由于电炉丝电阻比导线电阻大很多很多，因此，电炉丝产生的热量要比导线多很多很多。所以，电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热。

例 题

1.某导体电阻是2Ω，通过2A的电流时，1min产生多少焦耳的热量？

解：

答：1min产生480J的热量。

2.一根60Ω的电阻丝接在36V的电源两端，在5min内共产生多少焦耳的热量？

解：

依题意可知，消耗的电能会全部转化为内能，即Q=W

答：5min内共产生6480J的热量。

电热的利用和防止

生活中和许多产业中都要用到电热。家里的电热水器、电饭锅、电熨斗、电暖风，养鸡场里的电热孵化器，都是利用电热的例子。

但是，很多情况下我们并不希望用电器的温度过高。电视机、显示器后盖有很多孔，就是为了通风散热。电脑运行时温度会升高，需要利用风扇及时散热。

练一练

1、家庭电路中，有时导线长度不够，需要把两根导线连接起来使用，而连接处往往比别处更容易发热，加速老化，甚至引起火灾。原因是：连接处的电阻比别处的电阻 ，在相同时间内产生的热量 。

2、使用电热水壶烧水时，发现水烧开了，而导线却几乎不热，这是因为电热水壶电热丝的电阻比导线的电阻 。

3、小致利用如图所示装置“探究电流产生热量与哪些因素有关”。把甲、乙两容器中的电阻丝串联起来接到电源两端。

⑴通电一段时间后， 图中U型管中液面高度差大一些，由此可以得出：电流通过导体时产生的热量与 有关。
⑵在探究电流产生的热量与电流的关系时，不改变原电路连接情况下，小致利用如图丙所示的装置完成实验。他已将A、E两个接线柱连接，你认为还应把F与 （选填“B”、“C”、“D”）接线柱连接。

⑶步骤⑵中，将丙装置接入电路，闭合开关一段时间后，只有甲、乙装置“U”型管中出现高度差，而丙“U”型管中液柱高度并无变化。以下情况不可能是 。
A、丙所在的支路出现断路
B、丙所在的支路出现短路
C、丙装置漏气

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