第5章 第1节 电路中的能量 （word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

　第五章　电能与能源的可持续发展 第一节　电路中的能量 核心素养导学 物理观念 (1)通过实例分析，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的，加深对功与能量转化关系的认识。 (2)通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律的内涵。 (3)知道闭合电路中的能量转化关系。 科学思维 从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系。 科学态度与责任 (1)能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。 (2)联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。 一、电功和电功率 1．电功 (1)定义：电流通过一段电路时，自由电荷在电场力的推动下做定向移动，电场力对自由电荷所做的功，称为电功。 (2)公式：W＝UIt，单位：焦耳，符号：J。 2．电功率 (1)定义：电流做功与完成这些功所用时间之比叫作电功率。 (2)公式：P＝＝UI，单位：瓦特，符号：W,1 kW＝103 W。 W＝UIt，在科学研究中称为静电力做功，在生产生活中称为电流做功，简称电功。　　 二、焦耳定律 1．焦耳定律 (1)内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。 (2)公式：Q＝I2Rt。 2．热功率：一段电路因发热而消耗的功率，P＝I2R。 三、闭合电路中的能量 功率 电源的功率 电源的输出功率 电源的内耗功率 公式 P＝EI P出＝U外I P内＝U内I 意义 电源提供电能的功率 外电路消耗电能的功率 内电路消耗电能的功率 关系 P＝P出＋P内 1.如图所示，已知电路两端的电势差为U，电路中的电流为I，电荷从左端到达右端所用的时间为t，则在t时间内通过导体某截面的电荷量是多少？把这些电荷从左端移到右端，电场力做功是多少？ 提示：由电流的定义式可得通过某截面的电荷量q＝It，根据静电力做功的公式W＝qU，可得W＝UIt。 2．如图所示，是一种过去常用的电炉子。 (1)该用电器电路是纯电阻电路，还是非纯电阻电路？ (2)电炉丝和导线通过的电流相同，为什么电炉丝热得发红，而导线几乎不发热？ 提示：(1)纯电阻电路。 (2)电炉丝电阻较大，通电相同时间，电炉丝产生的热量较多。 3．电吹风工作时，将电能转化为什么能？电风扇工作时，将电能转化为什么能？电熨斗工作时，将电能转化为什么能？ 提示：电吹风和电风扇都有电动机，电能转化为内能和机械能，电熨斗工作时将电能转化为内能。 新知学习(一)|对电功和电功率的理解 [任务驱动] 当家中只开一盏节能灯时，电能表的表盘转得很慢，而用电烧水壶烧水时，电能表的表盘转得很快。 那么节能灯和电烧水壶在相同时间内，哪个用电器消耗电能多？哪个用电器的电功率大？ 提示：电烧水壶在相同时间内消耗电能多，对应电功率大。　　　　　 [重点释解] 1．对电功的理解 (1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。 (2)从能的角度看，电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少。 (3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用。 2．对电功率的分析 (1)电功率P＝＝UI对任何电路都适用。 (2)额定功率和实际功率。 额定功率 用电器正常工作所消耗的功率 实际功率 用电器在实际电压下电流做功的功率 3．对电功、电功率的三点说明 (1)电功W＝UIt适用于任何电路。 (2)在纯电阻电路中，由于I＝，所以在纯电阻电路中的电功可表示为W＝UIt＝I2Rt＝t。 (3)P＝UI适用于任何电路，在纯电阻电路中P＝UI＝I2R＝。 [针对训练] 1．(多选)室内有几种用电器，1.0 kW的电磁炉、150 W的洗衣机、800 W的电水壶、200 W的电视机和2.5 kW的空调器。如果进线处有13 A的保险丝，供电电压为220 V，下列情况下不可能同时使用的是(　 ) A．电磁炉和洗衣机 B．电水壶和空调器 C．电磁炉和空调器 D．洗衣机、电视机和空调器 解析：选BC　电路中允许的最大功率为Pm＝UI＝2 860 W。用电器的功率之和大于Pm时，用电器就不可能同时使用，故选项B、C正确。 2．(2022·广东1月学考)某插座的额定电流为10 A，以下电器单独使用该插座时，安全的是(　 ) ①额定功率为60 W，额定电压为220 V的电风扇　②额定功率为1 200 W，额定电压为220 V的洗衣机 ③额定功率为3 000 W，额定电压为220 V的取暖器 ④额定功率为4 500 W，额定电压为220 V的电热水器 A．①或② B．仅① C．③或① D．仅④ 解析：选A　根据电功率公式P＝，可计算得①②③④中用电器的电流分别为I1＝ A≈0.27 A，I2＝ A≈5.5 A，I3＝ A≈13.6 A，I4＝ A≈20.5 A，故只有①②两种用电器可以安全使用，B、C、D均错误，A正确。 3．一根电阻丝在通过2 C的电量时，消耗电能是8 J。若在相同时间内通过1 C的电量，则该电阻丝两端所加电压U和该电阻丝在这段时间内消耗的电能W分别为(　 ) A．U＝4 V，W＝4 J B．U＝4 V，W＝2 J C．U＝2 V，W＝4 J D．U＝2 V，W＝2 J 解析：选D　因为电阻丝在通过2 C的电量时，消耗的电能是8 J，由W＝qU得：此时电压为U＝＝ V＝4 V，当在相同的时间内通过电阻丝的电量是1 C时，根据I＝可知：I′＝，电阻不变，根据U＝IR可知，此时电阻丝两端电压为U′＝＝ V＝2 V，电阻丝在这段时间内消耗的电能为W′＝q′U′＝1×2 J＝2 J，故D正确，A、B、C错误。 新知学习(二)|电功与电热的关系 [任务驱动] 在现代化生产生活中，电动机是我们的得力助手，能够帮我们处理许多问题。 (1)对于电动机的电路，电流做功把电能转化成什么能量？ 提示：电动机把电能转化成内能和机械能。 (2)流过电动机的电流I、两端的电压U、电动机本身的电阻R三者之间有怎样的关系？ 提示：在相同时间t内，根据UIt＝I2Rt＋W其他可得，I＜，不再遵循欧姆定律。　　　　 [重点释解] 1．纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量转化 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件特点 电路中只有电阻，电能全部转化成内能 除内能外，还把电能转化成其他形式的能 能量转化情况 电功 W＝IUt＝I2Rt＝t W＝IUt 热功 Q＝IUt＝I2Rt＝t Q＝I2Rt 关系 W＝Q W＞Q，W＝Q＋E其他 电功率 P＝IU＝I2R＝ P＝IU 热功率 P热＝IU＝I2R＝ P热＝I2R 关系 P＝P热 P＞P热，P＝P热＋P其他 欧姆定律是否成立 成立，有U＝IR，I＝ 不成立，有U＞IR，I＜ 元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯等 电动机、电解槽等 2．电动机的功率和效率 (1)输入功率：电动机的总功率。由电动机电路的电流和电压决定，计算：P总＝UI。 (2)输出功率：电动机做有用功的功率。 (3)热功率：电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要发热，热功率P热＝I2R。 (4)功率关系：P总＝P出＋P热。 (5)电动机的效率：η＝。 [典例体验] [典例]　在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 A和 1.0 V；重新调节R使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。 [解析]　当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时，电动机停止工作，电动机中只有电动机的内阻消耗电能，其阻值r＝＝ Ω＝2 Ω 当电动机正常工作时，电流表、电压表示数分别为2.0 A和15.0 V， 则电动机的总功率P总＝U2I2＝15.0×2.0 W＝30.0 W 线圈电阻的热功率P热＝I22r＝2.02×2 W＝8.0 W 所以电动机的输出功率 P输出＝P总－P热＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W。 [答案]　22.0 W　2 Ω [拓展]　上述[典例]中，若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，该重物的质量为多少？(g＝10 m/s2) 提示：P输出＝mgv，则m＝＝2.2 kg。 /方法技巧/ 电动机电路的分析与计算 [针对训练] 1．下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是(　 ) A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多 B．W＝UIt＝I2Rt＝ t，对任何电路都适用 C．U＝IR对于纯电阻电路和非纯电阻电路都适用 D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路 解析：选D　由电功率公式P＝知，电功率越大，表示电流做功越快，对于一段电路，有P＝UI，I＝，焦耳热Q＝2Rt，可见Q与P、t都有关，所以，P越大，Q不一定越大，选项A错误；W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而W＝I2Rt＝ t只适用于纯电阻电路，选项B错误；U＝IR只能用于纯电阻电路中，非纯电阻电路不适用，选项C错误；Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热，选项D正确。 2.(多选)现有一个排气扇，如图所示，排气扇电动机的线圈电阻为0.2 Ω，当它两端电压为110 V时，通过的电流为5 A。则这台排气扇(　 ) A．每分钟消耗的电能是33 000 J B．每分钟产生的热量是300 J C．输出功率是545 W D．工作效率是82.5% 解析：选ABC　排气扇的电功率是P＝UI＝110×5 W＝550 W，每分钟消耗的电能是E＝Pt＝550×60 J＝33 000 J，A正确；每分钟产生的热量是Q＝I2rt＝52×0.2×60 J＝300 J，B正确；排气扇的输出功率是P出＝UI－I2r＝110×5 W－52×0.2 W＝545 W，C正确；排气扇的工作效率是η＝×100%＝×100%≈99%，D错误。 新知学习(三)|串、并联电路中的电功率 [重点释解] 1．串联电路功率关系 (1)各部分电路电流I相同，根据P＝I2R，各电阻上的电功率与电阻成正比(纯电阻电路)。 (2)总功率P总＝UI＝(U1＋U2＋…＋Un)I＝P1＋P2＋…＋Pn。 2．并联电路功率关系 (1)各支路电压相同，根据P＝，各支路电阻上的电功率与电阻成反比(纯电阻电路)。 (2)总功率P总＝UI＝U(I1＋I2＋…＋In)＝P1＋P2＋…＋Pn。 3．结论 无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。 [典例体验] [典例]　有额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W 的两盏电灯，若接在电压是220 V的电路上，两盏电灯均能正常发光，那么电路中消耗功率最小的电路是(　 ) [解题指导] (1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和。 (2)串联电路中，功率与电阻成正比；并联电路中，功率与电阻成反比。 [解析]　若要两灯均正常发光，亦即每灯的电压均为110 V，对A电路，因为RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110 V，B灯将被烧坏；对B电路，UB＞U并，B灯将被烧坏；对C电路，RA可能等于B灯与变阻器并联后的电阻，所以UA可能等于UB，等于110 V，两灯可能正常发光，且电路消耗总功率为200 W；对D电路，滑动变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻，可能有UA＝UB＝U并＝110 V，两灯可能正常发光，且电路中消耗总功率为280 W。综上可知，C正确。 [答案]　C /方法技巧/ 功率求解的技巧 (1)在纯电阻电路中，比较用电器的电功率时，要根据已知条件灵活选用公式，如用电器电流相同时，用P＝I2R比较，若电压相同时用P＝比较，若电阻相同时，可根据I或U的关系比较。 (2)求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要明确是正比还是反比关系。 (3)当求解用电器的功率时，要明确求解的是什么功率。实际功率与额定功率不一定相等。　　 [针对训练] 1．(多选)有甲、乙、丙三个电阻，R甲＝2R乙＝4R丙，则(　 ) A．把它们串联在电路中，甲、乙消耗的电功率之比P甲∶P乙＝2∶1 B．把它们串联在电路中，甲、丙消耗的电功率之比P甲∶P丙＝1∶4 C．把它们并联在电路中，甲、乙消耗的电功率之比P甲∶P乙＝2∶1 D．把它们并联在电路中，甲、丙消耗的电功率之比P甲∶P丙＝1∶4 解析：选AD　把它们串联在电路中，通过它们的电流相等，所以根据公式P＝I2R可得P甲∶P乙＝R甲∶R乙＝2∶1，P甲∶P丙＝R甲∶R丙＝4∶1，A正确，B错误；把它们并联在电路中，它们两端的电压相等，所以根据公式P＝可得 P甲′∶P乙′＝R乙∶R甲＝1∶2，P甲′∶P丙′＝R丙∶R甲＝1∶4，故C错误，D正确。 2．有两个灯泡L1、L2，额定电压皆为3 V，额定功率分别为6 W、3 W，采用不同的接法，下列说法正确的是(　 ) A．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 W B．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6 W C．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为3 W D．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6 W 解析：选A　由P＝UI可得两灯泡的额定电流分别为I1＝＝＝2 A，I2＝＝＝1 A，两个灯泡的电阻分别为R1＝＝＝ Ω，R2＝＝＝3 Ω，若将它们串联接在电路中，则电路中的最大电流为1 A，两灯泡的总功率最大为Pm＝I22＝12×＝4.5 W，故A正确，B错误；若将它们并联接在电路中，并联电路的电压是3 V时都达到额定功率，两灯泡的总功率最大为Pm′＝P1＋P2＝9 W，故C、D错误。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——电动机发热功率和机械功率的计算 1．(选自人教版教材“例题”)一台电动机，线圈的电阻是0.4 Ω，当它两端所加的电压为220 V时，通过的电流是5 A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少？ 提示：由焦耳定律可知，电动机发热的功率为P热＝I2R＝52×0.4 W＝10 W 电动机消耗的电功率为 P电＝UI＝220×5 W＝1 100 W 根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为P机＝P电－P热＝1 100 W－10 W＝1 090 W 这台电动机发热的功率为10 W，对外做功的功率为 1 090 W。 科学态度与责任——自动扶梯最多乘载人数的确定 2．(选自鲁科版教材课后练习)某商场安装了一台倾角为30°的自动扶梯，该扶梯在电压为380 V的电动机带动下以0.5 m/s的恒定速率向斜上方移动，电动机的最大输出功率为4.9 kW。不载人时测得电动机中的电流为5 A，若载人时扶梯的移动速率与不载人时相同，忽略电动机内阻的热损耗，则不载人时扶梯运行的电功率是多大？若输送一个人的功率为120 W，则这台自动扶梯可同时乘载多少人？ 解析：不载人时扶梯运行的电功率P0＝UI＝380×5 W＝1 900 W。 设自动扶梯最多可同时乘载的人数为N，由P最大＝P0＋N×120可得： N＝ 人＝25人。 答案：1 900 W　25人 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.如图所示，某抽油烟机的主要部件是照明灯L和抽气扇M(电动机)，抽气扇有“弱吸”与“强吸”两个挡位，则(　 ) A．抽气扇须在点亮照明灯的情况下才能工作 B．闭合开关S1和S2，抽气扇处于“弱吸”挡 C．抽气扇由“弱吸”挡换成“强吸”挡，其机械功率不变 D．抽气扇正常工作时，电动机线圈的电阻小于其两端电压与流过电流的比值 解析：选D　抽气扇和照明灯是并联关系，抽气扇和照明灯可以各自独立工作，A错误；闭合开关S1和S2，电路中总电阻较小电流较大，抽气扇处于“强吸”挡，B错误；抽气扇由“弱吸”挡换成“强吸”挡，其机械功率增大，C错误；抽气扇正常工作时有UI＝I2r＋P机，可得＝r＋，可知电动机线圈的电阻小于其两端电压与流过电流的比值，D正确。 2．智能机器人被广泛应用各个领域，下表数据是某配送机器人工作的参数。配送机器人满载时，匀速行驶的速度为7.2 km/h，此时配送机器人以额定功率工作，所受阻力为总重量的0.02倍，g＝10 m/s2，则配送机器人的内阻为(　 ) 参数 额定电压 额定电流 机器人净重 最大承载量 数据 50 V 2 A 100 kg 100 kg A.2.5 Ω　　　　　　　　　 B．5 Ω C．10 Ω D．15 Ω 解析：选B　由题意知，满载工作时输出功率P＝Fv＝0.02mgv＝80 W，机器人满足UI＝P＋I2r，解得r＝5 Ω，故选B。 3.如图所示，用充电宝为一手机电池充电。已知充电宝的输出电压U，输出电流I，手机电池的内阻为r，若U、I均恒定不变，则充电一段时间t内(　 ) A．转化为手机电池的化学能为UIt B．手机电池产生的焦耳热为t C．手机电池充电效率为1－ D．充电宝输出的电功率为UI＋I2r 解析：选C　充电宝的输出电压为U，输出电流为I，故充电宝的输出功率为P＝UI，充电一段时间t内充电宝输出的电能为W＝UIt，而手机电池产生的内能为Q＝I2rt，所以转化为手机电池的化学能为UIt－I2rt，A、D错误；手机电池产生的焦耳热为Q＝I2rt，因为手机电池不是一个纯电阻元件，则I≠，所以Q≠t，B错误；手机电池产生的热功率为P热＝I2r，故手机电池充电功率即电能转化为化学能的功率为P出＝UI－I2r，所以充电效率＝＝＝1－，C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$