12.1 电路中的能量转化 讲义-2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

第十二章 电能 能量守恒定律 第一讲 电路中的能量转化 一．电功、电功率和焦耳定律 1.电功和电功率 （1）电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功； （2）电功：W=UIt； （3）电功率：； 2.焦耳定律 （1）内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比； （2）公式：； （3）适用条件：适用于任何电路。 （4）电热的微观解释 从微观上讲，导体内的自由电子做定向移动时，与金属离子不断地碰撞，同时把一部分能量传给离子，使离子的热运动加剧，于是通电导体的内能增加，温度升高，导体发热。 二．电路中的能量转化 1.纯电阻电路与非纯电阻电路 （1）纯电阻电路：电路消耗的电能全部转化为内能；例如电热水器、电饭锅。 1）表达式：W= Q，即UIt = I2 Rt； 2）电功率与热功率： （2）非纯电阻电路：电路消耗的电能转化为内能和其他形式的能；例如电动机。 1）表达式：W= W＋Q，即W＞Q；UIt ＞ I2 Rt； 2）电功率与热功率：P= P＋P；；UI ＞ I2 R； 例1.某扫地机器人电池容量为2000mA·h，额定工作电压为15V，额定功率为30W，则下列说法正确的是（ ） A.扫地机器人的电阻是7.5 Ω B.题中mA·h是能量的单位 C.扫地机器人正常工作时的电流是2A D.扫地机器人充满电后能够正常工作的时间为4h 例2.A、B两灯的额定电压都是110V，A灯的额定功率PA=100W，B灯的额定功率PB=40W，若将两灯同时接入电压恒为220V的电路中，且使两灯均能正常发光，同学们设计了如图甲、乙所示的两种电路，则甲、乙两电路消耗的电功率之比为（ ） A.2:7 B.2:5 C.5:7 D.3:7 例2题图 例3题图 例3.如图所示是一款无叶电风扇及其铭牌，此款风扇内主要电器元件由内阻为0.5Ω的电动机和一个换挡元件串联组成。此风扇以额定功率工作1h，电动机产生的焦耳热为（ ） A.44 J B.72 J C.4.5×104 J D.1.58×105 J 例4.（多选）如图所R示，电阻R1=20Ω，电动机线圈的电阻R2=10Ω，当开关S断开时，电流表的示数是0.5A，当开关S闭合后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是（ ） A.I=1.5A B.I<1.5A C.P=15 W D.P <15 W 三．电动机问题的两种情况 1.当电动机正常工作时，要分清电动机的总功率（输入功率）、输出功率和热功率。 （1）电动机的总功率（输入功率）由电动机电路的电流和电压决定，P= UI； （2）输出功率是指电动机做有用功的功率。例如，P= mg（设重物匀速上升）； （3）热功率是由于电动机线圈有电阻，电流通过线圈时要发热，热功率P= I2 R； （4）三者的关系：P= P＋P 2.电动机因故障或其他原因（被卡住）不转动时，相当于一个纯电阻电路：即P= P； 例5.一台电风扇，内阻为20Ω，接上220V电压后，消耗的电功率为66W。 （1）电风扇正常工作时，通过电动机的电流是多少? （2）电风扇正常工作时，转化为机械能的功率是多少?转化为内能的功率是多少？电动机的效率是多少?（效率计算结果保留到0.1%） （3）如果接上电源后，电风扇的风叶被卡住，不能转动，这时通过电动机的电流以及电动机消耗的电功率和发热功率是多少? 四．非纯电阻电路问题求解的关键 电动机是一种非纯电阻用电器，它把电能转化为机械能和内能。在求解有关电动机的问题时要注意欧姆定律不再适用。分析时要注意： 1.抓住两个关键量：确定电动机的电压U和电流I是解决非纯电阻电路问题的关键。若能求出U、I，就能确定电动机的输入功率P= UI，根据电流I和电动机的电阻R，可求出热功率P= I2 R，最后求出输出功率P= P－P。 2.间接确定电动机的电压U和电流I：首先，对于其他纯电阻电路，利用欧姆定律进行分析计算，确定相应的电压和电流，然后利用串、并联电路中的电压关系、电流关系间接确定电动机的电压U和电流I。 例6.如图所示，一直流电动机与阻值R=10Ω的电阻串联接在电源上。电源电压U=36V，用理想电压表测出电动机两端的电压U1=18V，则（ ） A.电动机的内阻为10Ω B.通过电动机的电流为