电功与电功率

课程标准： KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

实验目的¶

测量灯泡消耗的功率和电流在一段时间内输送的能量；验证 \(E = P \cdot t\)。

实验装置¶

6 V 电压源、功率表和一只 6 V / 3 W 灯泡。功率表的电流回路（接线柱“±”和“A”）与灯泡串联，电压回路（接线柱“±”和“V”）接在灯泡两端。显示屏的上行是功率，下行是能量或计数时间：用 W 键和 t 键在两者之间切换。按下 ▶■ 键之前，计数处于停止状态。

实验步骤¶

记录显示屏上行的功率 \(P\)。
按下 ▶■，10～20 s 后再按一次，停止计数。记录能量 \(E\)（W 键）和时间 \(t\)（t 键）。
计算 \(P = E / t\)，并与上行的示数比较。
把电压源设为 3 V，再次记录功率。

预期结果

灯泡消耗的功率约为 2.75 W，略小于额定功率：一部分电压降在电压源内部。例如，10.8 s 内计数达到约 29.7 J，\(E / t\) = 2.75 W，与上行显示的相同。电压为 3 V 时，功率约为 0.89 W：电压降低了一半，功率却只降为原来的 1/3.1，而不是 1/4。灯丝的温度较低，电阻也较小。

问题¶

电流在灯泡中做的功转化成了什么？
为什么电压减半时，灯泡的功率没有像电阻那样降为原来的四分之一？
1 W · h 等于多少焦耳？

答案

转化为炽热灯丝的内能，灯泡再以热和光的形式把它放出。在 2.75 W 中，大部分以热和红外辐射的形式散失；可见光只占百分之几。
对于电阻，\(P = U^2 / R\)，其中 \(R\) 不变，所以电压减半时功率变为四分之一。钨丝的电阻随温度升高而增大：3 V 时灯丝温度较低，电阻较小，所以电流减小不到一半，功率只降为原来的 1/3.1，从 2.75 W 降到 0.89 W。
1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J。本实验装置中的灯泡一小时消耗 2.75 W · 3600 s ≈ 9900 J。