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1、【 开篇小故事】2015 秋季第五讲-焦耳定律及电能转化焦耳简介詹姆斯普雷斯科特焦耳（James Prescott Joule；1818 年 12 月 24 日1889 年 10 月 11 日），英 国物理学家，出生于曼彻斯特近郊的沙弗特（Salford）。由于他在热学、热力学和电方面的贡献， 皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章（Copley Medal）。后人为了纪念他，把能量或功的单位命名 为“焦耳”，简称“焦”；并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量以及“功”的物理量。1 詹姆斯普雷斯科特焦耳（James Prescott Joule；1818 年 12 月 24 日1889 年 10
2、 月 11 日）英国物理学家， 出生于曼彻斯特近郊的沙弗特（ Salford）。 焦耳自幼跟随父亲参加酿 酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道 尔顿。道尔顿给予了焦耳热情的教导，教给了他数学、哲学和化学方面的知识，这些知识 为焦耳后来的研究奠定了理论基础。 而且道尔顿教会了焦耳理论与实践相结合的科研方 法， 激发了焦耳对化学和物理的兴趣， 并在他的鼓励下决心从事科学研究工作。主要成就焦耳定律的发现1840 年 12 月，他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文， 提出电流通过导体 产生热量的定律； 由于不久 . . 楞次 也独立地发现了同样的定律，
3、而被称为焦耳 -楞次定律。焦耳定律用公式表示如下 Q = I 2 Rt(J) I=通过导体的电流， 单位： A； R=导体的有效电阻， 单位： ； t=通电时间， 单位： s。热功当量的测定2 焦耳 焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系 。这 方面研究工作的第一篇论文 关于电磁的焦耳热效应和热的功值，是 1843 年在英国 哲学杂志第 23 卷 第 3 辑上发表的。此后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设 备、材料各不相同，结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的数值。最 后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会 哲学学报1
4、850 年第 140 卷上，其 中阐明：第一，不论固体或液体，摩擦所产生的热量，总是与所耗的力的大小成比例。第 二， 要产生使 1 磅水（ 在真空中称量， 其温度在 50 60 华氏度之间） 增加 1 华氏度的热 量， 需要耗用 772 磅重物下降 1 英尺的机械功。 他精益求精， 直到 1878 年还有测量结果 的报告。 他近 40 年的研究工作， 为热运动与其他运动的相互转换， 运动守恒等问题， 提 供了无可置疑的证据， 焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。焦耳-汤姆孙效应1852 年焦耳和 w. 汤姆孙（ 即开尔文）发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为 焦耳-汤姆孙效应。 这效应在
5、低温和气体液化方面有广泛应用。 他对蒸汽机的发展作了不 少有价值的工作。【 知识点】一、焦耳定律 1. 电流热效应电流通过电阻时有部分或全部电能转化为内能，使电阻发热2. 焦耳定律内容导体产生的热量与电流的平方成正比，与电阻成正比，与通电时间成正比3. 计算公式Q = I 2 Rt4. 焦耳定律实验（1） 实验方法：转化法、控制变量法（2） 控制变量：电流、电阻、通电时间、瓶子（煤油质量、煤油初温）（3） 探究目的（电流、电阻、通电时间） 二、电能转化1、 纯电阻电路W电 = Q热U I t= 2I2、 非纯电阻电路W电 = W机 + Q热【 例题赏析】U I t=2W机 +I【例1】 （多选
6、）如图是研究电流通过导体产生的热量与哪些因素有关的实验，下列分析正确的是（）A甲、乙两次实验都应用了控制变量法 B甲实验通电一段时间后，左侧容器内空气吸收的热量更多 C乙实验是为了研究电流产生的热量与电阻的关系 D乙实验通电一段时间后，右侧 U 形管中液面的高度差比左侧的小【例2】 为了探究“电流通过导体产生的热量跟什么因素有关”，某同学将两段阻值不同的电阻丝 R1、 R2 分别密封在两个完全相同的烧瓶中，并设计了如图所示的甲、乙两套装置，已知所用蓄电池电压相等且保持不变，R1R2，装入烧瓶的煤油质量相等，下列有关此探究活动的各种表述，错误的是（）A在此实验中，电流通过导体产生热量的多少是通过
7、温度计示数变化的大小体现出来的 B甲装置可探究电流通过导体产生的热量与电阻是否有关C比较相同通电时间内 a，c 两支温度计示数变化情况，可探究电流产生的热量与电流是否有 关D在相同的通电时间内，d 温度计所在烧瓶中的电阻丝产生的热量最多【例3】 将阻值为 40 的电阻丝接在电源两端，通电 10min，电流产生的热量是 1.5103J，若将阻 值为 10 的电阻丝接入同一电源的两端，通电 20min，电流产生的热量是（）A1.5103JB3.75103JC7.5103JD1.2104J【例4】 用同种材料制成两段长度相等、横截面积不同的圆柱形导体，甲比乙的横截面积大，如图 所示将它们串联在电路中
8、，通电一段时间后，比较甲、乙两导体升高的温度正确的是（）A甲导体的温度升高得多 B乙导体的温度升高得多 C甲、乙两导体升高的温度相同 D条件不足，无法判断【例5】 如图所示，A、B、C、D 是四个装了等温、等量水的相同容器，每个容器内放入同样材料、 粗细相同的电阻丝绕成的线圈，各线圈的圈数如图所示，合上开关，经过一段时间水温最 高的是（）AABBCCDD【 例题解析】【例1解析】A、甲、乙两次实验中用到的研究物理问题的方法是控制变量法和转换法，故A正确B、甲实验两电阻丝串联，则通过电阻丝的电流和通电时间相同，右侧电阻阻值大，由焦耳定律Q = I 2 Rt 可知，右侧电阻产生热量多；则右侧容器内
9、空气吸收的热量多，故B错误； C、乙实验，右侧电阻丝与另一电阻丝并联，故左右空气盒中电阻丝的电阻和通电时间相同，但通过电阻的电流不同，所以研究电流产生的热量与电流的关系，故C错误；D、乙实验，右侧电阻丝与另一电阻丝并联，故左右空气盒中电阻丝的电阻和通电时间相同，由焦耳定律 Q = I 2 Rt 可知，左侧电阻产生热量多；则左侧容器内空气吸收的热量多，气体压强大，即左 侧U形管中液面的高度差比右侧的大，故D正确；故选AD【例2解析】A、当电阻丝通电后，电流产生热量使煤油温度升高，从而使温度计示数上升，因此可 根据温度计示数的大小可知温度升高的多少；故A正确； B、甲中两电阻串联，则两电阻中的电流
10、相等，则可知热量应由电阻有关，根据温度计示数的变化判 断吸收热量的多少，则可知热量与电阻大小的关系；故B正确； C、甲乙两图中，通过电阻R1的电流不同，比较相同通电时间内a，c两支温度计示数变化情况，可探 究电流产生的热量与电流是否有关；故C正确；D、在电源电压和通电时间相同的条件下：由串并联电路的电压关系可知，串联使用时各电阻两端电压小于电源电压，并联使用时各电阻两端UU 2t 电压等于电源电压，由 Q = I 2 Rt ， I =得， Q =，可知各电阻并联时产生的热量多；RRU 2t 两电阻并联时，由 Q =可知，电压相等， R1R2 ，电阻R1产生的热量多；故D错误；R故选D【例 3 解析】两电阻丝接在同一电源两端，电阻丝两端电压 U 不变，故选 D【例 4 解析】如图所示，甲、乙两导体用同种材料制成、长度相等、甲比乙的横截面积大，即：电流通过甲产生的热量比通过乙产生的热量少， 即乙产生的热量多，而乙的质量小，乙导体的温度升高得多，故 B 正确 故选 B【例 5 解析】因为线圈的材料、粗细都相同，长度越大，电阻越大，所以 D 容器中的线圈电阻最大；由公式 Q = I 2 Rt 知，在通过的电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多，也就是水温升 高的越多，末温度越高故选 D
