2017-2018學年高中物理 第二章 直流電路 第8講 焦耳定律 電路中的能量轉化學案 教科版選修3-1.doc
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第8講 焦耳定律 電路中的能量轉化 [目標定位] 1.知道并理解電功、電功率的概念，并能利用公式進行有關計算.2.弄清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯系.3.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點和區(qū)別.4.明確閉合電路中的功率及能量轉化． 一、電功和電功率 1．電功 (1)定義：電場力移動電荷所做的功． (2)定義式：W＝UIt. (3)單位：國際單位制：焦耳，符號：J． (4)實質：電能轉化為其他形式的能． (5)適用條件：任何電路． 2．電功率 電流所做的功與做這些功所用時間的比值． (1)定義：單位時間內電流所做的功． (2)公式：P＝＝IU． (3)單位：國際單位制：瓦特，符號：W． (4)物理意義：表示電流做功的快慢． (5)適用條件：任何電路． 深度思考 (1)兩個電阻串聯，功率和電阻存在什么關系？ (2)兩個電阻并聯，功率和電阻存在什么關系？ 答案 (1)由P＝I2R知，串聯電阻的功率與電阻成正比． (2)由P＝知，并聯電阻的功率與電阻成反比． 例1 將兩個定值電阻R1、R2并聯在電壓為U的電源兩端，R1消耗的功率為P1，R2消耗的功率為3P1，當把它們串聯在電壓為4U的電源兩端時，下列說法正確的是( ) A．R1兩端的電壓為U B．R2消耗的功率變小 C．通過R2的電流變小 D．兩個電阻消耗的總功率為12P1 解析 當R1、R2并聯在電壓為U的電源兩端時，兩電阻兩端的電壓為U，根據P＝IU，功率之比等于電流之比，根據并聯電路電流和電阻的關系，可知：R1＝3R2；當把它們串聯在電壓為4U的電源兩端時，電路中的電流I＝＝，故通過R2的電流不變，電壓不變，所以R2的電功率不變，仍為3P1，故B、C錯誤；R1兩端的電壓U1＝IR1＝3R2＝3U，故A錯誤；兩個電阻消耗的總功率P＝U′I＝4U＝12P1，故D正確． 答案 D 二、焦耳定律 熱功率 1．焦耳定律：(1)內容：電流通過電阻產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟電阻值成正比，跟通電時間成正比． (2)表達式：Q＝I2Rt． (3)焦耳熱：電流通過電阻而產生的熱量． (4)適用條件：任何電路． 2．熱功率 (1)定義：電阻通電所產生的熱量與產生這些熱量所用時間的比值，即單位時間內電阻通電所產生的熱量． (2)表達式：P熱＝＝I2R． (3)適用條件：任何電路． 深度思考 電風扇、電冰箱消耗的電能等于I2Rt嗎？電風扇、電冰箱消耗的電能轉化成什么形式的能量？ 答案 不等于；電風扇、電冰箱消耗電能沒有全部轉化為熱能，有大部分轉化為機械能，小部分轉化為電熱． 例2 一臺電動機，額定電壓為100 V，電阻為1 Ω.正常工作時，通過的電流為5 A，則電動機因發(fā)熱損失的功率為( ) A．500 W B．25 W C．1 000 W D．475 W 解析 電動機的熱功率P熱＝I2r＝521 W＝25 W，B正確，A、C、D錯誤． 答案 B 三、電路中的能量轉化 1．電源是將其他形式的能轉化為電能的裝置，電源轉化為電能的功率IE，等于電源輸出功率IU與電源內電路的熱功率I2r之和，即：IE＝IU＋I2r． 2．純電阻電路和非純電阻電路 純電阻電路 非純電阻電路 能量轉化情況 電功和電熱的關系 W＝Q即IUt＝I2Rt＝t W＝Q＋E其他 UIt＝I2Rt＋E其他 電功率和熱功率的關系 P＝P熱，即IU＝I2R＝ P＝P熱＋P其他 即IUt＝I2R＋P其他 歐姆定律是否成立 U＝IR I＝成立 U＞IR I＜不成立 例3 如圖1所示的電路中，電源電壓為60 V，內阻不計，電阻R＝2 Ω，電動機的內阻R0＝1.6 Ω，電壓表的示數為50 V，電動機正常工作，求電動機的輸出功率． 圖1 解析 電動機正常工作時，電動機兩端的電壓U0＝50 V，此時通過電路中的電流：I＝＝＝5 A，電動機的輸出功率P出＝U0I－I2R0＝210 W. 答案 210 W 電動機的功率 電動機的總功率(輸入功率)：P入＝UI 電動機的熱功率P熱＝I2r. 電動機的輸出功率(機械功率)：P出＝UI－I2r 電動機的效率：η＝＝＝1－. 說明：注意區(qū)分電動機的幾種功率，從能量守恒角度去分析和考慮電動機問題． 例4 如圖2所示的電路中，電源電動勢E＝10 V，內阻r＝0.5 Ω，電動機的電阻R0＝1.0 Ω，定值電阻R1＝1.5 Ω.電動機正常工作時，電壓表的示數U1＝3.0 V，求： 圖2 (1)電源釋放的電功率； (2)電動機消耗的電功率及將電能轉化為機械能的功率； (3)電源的輸出功率． 解析 (1)電動機正常工作時，總電流為I＝＝ A＝2 A，電源釋放的電功率為P釋＝EI＝102 W＝20 W. (2)電動機兩端的電壓為U＝E－Ir－U1＝(10－20.5－3.0)V＝6 V. 電動機消耗的電功率為：P電＝UI＝62 W＝12 W. 電動機消耗的熱功率為：P熱＝I2R0＝221.0 W＝4 W. 根據能量守恒得 P機＝P電－P熱＝(12－4)W＝8 W. (3)電源的輸出功率為 P出＝P釋－P內＝P釋－I2r ＝(20－220.5)W＝18 W. 答案 (1)20 W (2)12 W 8 W (3)18 W 1．(電功和電功率)(多選)如圖3所示，把四個相同的燈泡接成甲、乙兩種電路后，燈泡都正常發(fā)光，且兩個電路的總功率相等．則下列對這兩個電路中的U甲、U乙、R甲、R乙之間的關系的說法，正確的是( ) 圖3 A．U甲＞2U乙 B．U甲＝2U乙 C．R甲＝4R乙 D．R甲＝2R乙 答案 BC 解析 設燈泡的電阻為R，正常發(fā)光時電流為I，電壓為U，由于兩個電路的總功率相等，P＝U甲I＝U乙2I，得U甲＝2U乙；又由U甲＝2U＋IR甲，U乙＝U＋2IR乙，得R甲＝4R乙，故正確答案為B、C. 2．(焦耳定律)通過電阻R的電流為I時，在t時間內產生的熱量為Q，若電阻為2R，電流為，則在時間t內產生的熱量為( ) A．4Q B．2Q C. D. 答案 C 解析 根據Q＝I2Rt得，電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，電流變?yōu)樵瓉淼模瑫r間不變，則熱量變?yōu)樵瓉淼?，C正確． 3．(焦耳定律和熱功率)一臺電動機，額定電壓為100 V，電阻為1 Ω.正常工作時，通過的電流為5 A，則電動機因發(fā)熱損失的功率為( ) A．500 W B．25 W C．1 000 W D．475 W 答案 B 解析 電動機的熱功率P熱＝I2r＝521 W＝25 W，B正確，A、C、D錯誤． 4．(閉合電路中的能量轉化)如圖4所示，電源電動勢E＝30 V，內阻r＝1 Ω，燈泡上標有“6 V 12 W”字樣，直流電動機線圈電阻R＝2 Ω，若燈泡恰好能正常發(fā)光，求電動機輸出的機械功率． 圖4 答案 36 W 解析 因燈泡正常發(fā)光，所以I＝＝ A＝2 A U內＝Ir＝21 V＝2 V 所以電動機兩端電壓為 UM＝E－U內－U＝30 V－2 V－6 V＝22 V 電動機輸出的機械功率為 P機＝UMI－I2R＝222 W－222 W＝36 W. 題組一 對電功、電功率的理解和計算 1．(多選)關于電功，下列說法中正確的有( ) A．電功的實質是靜電力所做的功 B．電功是電能轉化為其他形式能的量度 C．靜電力做功使金屬導體內的自由電子運動的速率越來越大 D．電流通過電動機時的電功率和熱功率相等 答案 AB 2．兩個精制電阻，用錳銅電阻絲繞制而成，電阻上分別標有“100 Ω 10 W”和“20 Ω 40 W”，則它們的額定電流之比為( ) A.∶5 B.∶20 C.∶10 D．1∶2 000 答案 C 解析 由公式P＝I2R得：I＝ ，所以I1∶I2＝∶10. 3．電壓都是110 V，額定功率PA＝100 W，PB＝40 W的燈泡兩盞，若接在電壓為220 V的電路上，使兩盞燈泡均能正常發(fā)光，且消耗功率最小的電路是( ) 答案 C 解析 判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，對燈泡有P＝IU＝，可知RA＜RB. 對于A電路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110 V，B燈被燒毀，UA＜110 V，A燈不能正常發(fā)光． 對于B電路，由于RB＞RA，A燈又并聯變阻器，并聯電阻更小于RB，所以UB＞U并，B燈被燒毀． 對于C電路，B燈與變阻器并聯電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光． 對于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯電阻，則UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光． 比較C、D兩個電路，由于C電路中變阻器功率為(IA－IB)110 V，而D電路中變阻器功率為(IA＋IB)110 V，所以C電路消耗電功率最?。? 4．兩盞額定功率相同的燈泡A和B，其額定電壓UA>UB，則下列說法正確的是( ) A．兩燈正常發(fā)光時，燈泡的電流IA>IB B．兩燈電阻RA
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