第二章 8.焦耳定律 电路中的能量转化-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

8．焦耳定律　电路中的能量转化 【核心素养目标】 物理观念 电功、电功率和焦耳定律、热功率。 科学思维 采用对比法理解电功与电热的区别与联系。 科学探究 能从能量的转化角度推导焦耳定律。 科学态度与责任 通过实例分析含电动机(电解槽)电路的特点。了解科学技术与社会环境的关系，具有节约能源的意识，培养自觉保护环境的行为习惯。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、电功　电功率 1．电功 (1)电功：电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U与电路中的电流I、通电时间t三者的乘积。 (2)电功的计算公式：W＝UIt。 单位：焦耳，符号为J。 常用的单位：千瓦时(kW·h)， 1 kW·h＝3．6×106 J。 学生用书第97页 2．电功率 (1)定义：电流所做的功与做这些功所用时间之比叫作电功率。 (2)公式：P＝＝IU。 (3)单位：瓦特，符号为W。1 W＝1 J/s。 (4)意义：表示电流做功的快慢。 二、焦耳定律　热功率 1．焦耳定律 (1)内容：电流通过电阻产生的热量Q 跟电流 I 的二次方成正比，跟导体的电阻 R 成正比、跟通电时间 t 成正比。 (2)表达式：Q＝I2Rt。 (3)焦耳热：电流通过电阻而产生的热称为焦耳热。 2．热功率 (1)定义：电流通过电阻所产生的热量Q_与产生这些热量所用时间 t 的比叫作热功率。 (2)表达式：P热＝＝I2R。 (3)物理意义：表示电流发热快慢的物理量。 三、电路中的能量转化 1．电阻元件中，电能全部转化内能，电功率等于热功率，即P电＝P热。 2．电动机，电解槽等用电器中，电能分别转化为机械能、化学能等，还有一部分转化为内能，即P电＝P热＋P其他。 3．闭合电路中的能量转化 电源把其他形式的能量转化为电能的功率IE，等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和。 即IE＝IU＋I2r 当外电路短路时，路端电压U＝0，短路电流I0则I0E＝Ir。 1．判断正误 (1)电功率越大，表示电流做功越多。(　　) (2)电功W＝UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功。(　　) (3)电流做功越多，用电器的电功率越大。(　　) (4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热。(　　) (5)焦耳定律的表达式为Q＝I2Rt，此式适用于任何电路。(　　) (6)三个P＝UI、P＝I2R、P＝没有任何区别，它们表达相同的意义，所以三式中P都是电功率。(　　) (7)电动机是非纯电阻用电器，所以在任何情况下，都不能将电能全部转化为内能。(　　) 答案：　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×　(7)× 2．链接实景 如图所示，当电动机接上电源后，会带动风扇转动，这里涉及哪些功率？功率间的关系又如何？ 提示：　涉及三个不同的功率：电动机消耗的电功率P电、电动机发热的功率P热、转化为机械能的功率P机。三者之间遵从能量守恒定律，即P电＝P热＋P机。 学生用书第98页 知识点一　对电功和电热的理解 电吹风工作时，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：　电吹风工作时，把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。 1．电功和电功率 W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路。 2．电热和热功率 Q＝I2Rt是电热的计算式，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率。 3．额定功率和实际功率 (1)用电器正常工作时所消耗的功率叫作额定功率。当用电器两端电压达到额定电压U额时，电流达到额定电流I额，电功率也达到额定功率P额，且P额＝U额I额。 (2)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率。为了使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大于其额定功率。 A、B、C三个灯泡按如图所示的方式连接时，各自消耗的实际功率相同，则RA∶RB∶RC为(　　) A．1∶1∶1 B．1∶2∶2 C．2∶1∶1 D．1∶4∶4 D　[B、C两个灯泡并联，UB＝UC，B、C两个灯泡消耗的实际功率相同，则由P＝，得RB＝RC，IA＝2IB＝2IC，则由P＝I2R，得RA∶RB∶RC＝1∶4∶4，故选D。] [拓展迁移]　在[例1]中如果A、B、C为相同规格的灯泡，则B、C实际消耗的功率之比为(　　) A．1∶1∶1 B．4∶1∶1 C．2∶1∶1 D．1∶4∶4 B　[A、B、C三个灯泡规格相同，电阻相同，B、C两个灯泡并联，UB＝UC，B、C两个灯泡消耗的实际功率相同，通过A的电流是通过B和C电流之和，即IA＝2IB＝2IC。则PA∶PB∶PC＝4∶1∶1，故选B。] 针对练1．(2023·江苏省马坝高级中学期中)两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B串联在电路中，A的长度为L，直径为d；B的长度为2L，直径为2d，那么通电后在相同的时间内A、B产生的热量之比为(　　) A．QA∶QB＝1∶2 B．QA∶QB＝2∶1 C．QA∶QB＝1∶1 D．QA∶QB＝4∶1 B　[A、B的长度之比为1∶2，直径之比为1∶2，则横截面积之比为1∶4，根据电阻定律R＝知，电阻之比为2∶1，又A、B串联，流过A、B的电流相等，根据Q＝I2Rt可知，时间相等时，A、B产生的热量之比为QA∶QB＝2∶1。故B正确，A、C、D错误。] 针对练2．有四盏灯，如图所示连接在电路中，L1和L2，都标有“220 V　100 W”字样，L3和L4都标有“220 V　40 W”字样，把电路接通后，最暗的是(假定灯丝电阻不随温度变化，实际消耗的功率越大，灯越亮) (　　) A．L1 B．L2 C．L3 D．L4 C　[设L1、L2、L3、L4实际消耗的功率分别为P1、P2、P3、P4。由公式P＝可知，L1和 L2的电阻小于L3和L4的电阻。通过L1的电流大于通过L2的电流，由公式P＝I2R得到，P1>P2。L2和L3的电压相等，由公式P＝可知，P2>P3。通过L3的电流小于通过L4的电流，由公式P＝I2R得到，P4>P3。故P1>P2，P2>P3，P4>P3，所以L3最暗。] 学生用书第99页 知识点二　纯电阻电路与非纯电阻电路中的能量问题 标有“220 V　40 W”的白炽灯泡和“220 V　40 W”的电动机，把它们并联后接到220 V的照明电路中，二者都能正常工作，它们在相同的时间内(1)电流做功相同吗？(2)产生的电热相同吗？ 提示：　(1)电流做功相同。 (2)产生的电热不相同，白炽灯泡产生的电热大于电动机产生的电热。 1．两种电路 2．功能关系 (1)纯电阻电路的模型及能量转换关系 (2)非纯电阻电路的模型及能量转换关系 3．电动机的功率和效率 (1)电动机的输入功率指电动机消耗的总功率：P入＝UI。 (2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2r。 (3)电动机的输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，P出＝IU－I2r。 (4)电动机的效率：η＝＝。 取一个玩具小电机，其内阻R＝1．0 Ω，把它接在如图所示的电路中。 (1)先夹住电机轴，闭合开关，小电机不转。调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为0．50 V，记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。 (2)再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为2．0 V(此电压为小电机的额定电压)，电流表的示数为0．4 A，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。 解析：　(1)小电机不转时，电机是一个纯电阻元件，电机的内阻与滑动变阻器串联，U＝0．50 V， 由欧姆定律I＝＝＝0．50 A 则P电＝UI＝0．50×0．50 W＝0．25 W P热＝I2R＝0．502×1．0 W＝0．25 W P电＝P热。 (2)小电机转动时， 电机是非纯电阻元件， U＝2．0 V，I＝0．40 A， P电＝UI＝2．0×0．40 W＝0．80 W P热＝I2R＝0．402×1．0 W＝0．16 W P电>P热。 答案：　(1)0．25 W，0．25 W　电功率等于热功率 (2)0．80 W，0．16 W　电功率大于热功率 学生用书第100页 (1)非纯电阻电路两端所加电压U1与其电阻部分的电压U2不等，U1>U2。 (2)不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路，其功率P＝UI恒成立，P热＝I2R也恒成立，但在非纯电阻电路中，P>P热，不能用错公式。 (3)为避免错误，可以从能量转化与守恒的角度进行判断，不要盲目下结论。 (4)当电动机不转(刚启动或被卡住)时电动机所在电路为纯电阻电路，满足欧姆定律。此时的电流是电动机的最大电流。　　 针对练1．电阻R和电动机M串联接到电路中，如图所示，已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等，开关接通后，电动机正常工作。设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2，经过时间t，电流通过R做功为W1，产生的热量为Q1，电流通过电动机做功为W2，产生的热量为Q2，则有(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．U1<U2，Q1＝Q2 B．U1＝U2，Q1＝Q2 C．W1＝W2，Q1>Q2 D．W1<W2，Q1<Q2 A　[电动机是非纯电阻元件，其两端电压U2>IR＝U1，故B错误；电流通过R做的功W1＝U1It，电流通过电动机做的功W2＝U2It，故W1<W2，C错误；根据焦耳定律Q＝I2Rt可知Q1＝Q2，故A正确，D错误。] 针对练2．电动机与电阻R1并联，如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的线圈电阻R2＝10 Ω，当开关S断开时，电流表的示数是1．5 A，当开关S闭合后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，此时电流表读数为3．5 A，则电动机的热功率是(　　) A．40 W B．4 W C．90 W D．9 W A　[开关断开时，由欧姆定律可知，电压U＝IR1＝1．5×20 V＝30 V，当开关闭合时，流过R1的电流不变，则由并联电路分流原理可知，流过电动机的电流IM＝3．5 A－1．5 A＝2 A，则电动机的热功率PQ＝IR2＝22×10 W＝40 W，故A正确，B、C、D错误。] 1．如图所示，在研究电流热效应的实验中，为了比较在相同时间、相同电流的情况下发热量与电阻的关系，则(　　) A．实验时A、B两条电阻丝的电阻值应相同 B．实验时A、B两条电阻丝应并联 C．温度计示数升高多的电阻丝产生的热量多 D．最后得出产生的热量跟电阻成反比 C　[要研究相同时间、相同电流的情况下发热量与电阻的关系，应将两阻值不同的电阻丝串联在电路中，故A、B错误；煤油升高的温度与吸收的热量有关，温度计示数升高多的，电阻丝产生的热量多，故C正确；根据实验可得出产生的热量跟电阻成正比，故D错误。] 2．(多选)如图所示的电路中，L1、L2是两个不同的小灯泡，a、b间有恒定的电压，它们都正常发光，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，发生的现象是(　　) A．L1亮度不变，L2变暗 B．L1变暗，L2变亮 C．电路消耗的总功率变小 D．流过滑动变阻器的电流变小 BCD　[变阻器滑片向右滑动时阻值增大，并联部分的电阻变大，分得电压变大，所以L2两端电压增大，L2变亮，L1分得电压变小，L1变暗，A错误，B正确；因为滑动变阻器电阻变大，总电阻变大，由P＝可知，U一定时，P减小，即电路总功率减小，C正确；又因为总电阻增大，总电流减小，而L2电压变大，电流变大，所以流过变阻器的电流减小，D正确。] 3．(2023·浙江杭州塘栖中学高三模拟)小钟同学家里新购买了一个电热水壶，小钟同学仔细检查了这个新电热水壶，发现铭牌上标有如图所示数据，下列说法中正确的是 (　　) A．该电热水壶的电阻是32．3 Ω B．该电热水壶在正常工作时的电流是0．15 A C．若实际电压为110 V，电热水壶的实际功率还是1 500 W D．该电热水壶加热水5 min产生的热量是7 500 J A　[由P＝，可得电热水壶的电阻R＝≈32．3 Ω，A正确。由P＝UI，可得正常工作电流I＝≈6．8 A，B错误。电热水壶的电阻丝电阻随温度变化不计，由P＝，可得降压后的功率P′＝≈375 W，C错误。由W＝Pt，可得5 min产生的电热Q＝W＝Pt＝4．5×105J，D错误。] 4．(2023·广东佛山高二期末)扫地机器人利用自身携带的小型吸尘部件进行吸尘清扫，并能根据红外感应绕开障碍物。某扫地机器人正常工作时电动机的电压为10 V、电流为3 A、线圈电阻为1 Ω。则下列有关它的说法正确的是(　　) 学生用书第101页 A．正常工作时，电动机的发热功率为100 W B．正常工作时，电动机的输出功率为9 W C．正常工作时，电动机的总功率为30 W D．电动机被杂物卡住无法运转(不考虑保护电路的作用)时，电动机的发热功率为9 W C　[正常工作时，电动机的输入功率P入＝IU，P热＝I2R，P出＝IU－I2R，所以计算可得正常工作时，总功率为30 W、电动机的发热功率为9 W、输出功率为21 W；电动机被杂物卡住无法运转(不考虑保护电路的作用)时，电动机的发热功率P热′＝＝100 W。] 5．(2023·浙江温州高二期末)下图甲为一款儿童电动汽车，该款电动汽车的部分参数如图乙所示，则下列说法正确的是(　　) A．电源规格中的“4．5 A·h”，A·h是能量的单位 B．电机的输出功率不大于24 W C．电机线圈的电阻力6 Ω D．行驶过程中电机突发故障，被卡住无法转动，此时通过电机的电流为2 A B　[A·h是电流与时间的乘积，是电量的单位，A错误。电机的额定功率P＝UI＝12×2 W＝24 W，可知电机的输出功率不大于24 W，B正确。电机为非纯电阻元件，不能由欧姆定律求出电机线圈的电阻值，C错误。知道电机的额定电压，不知道电机的电阻值，所以若电机突发故障，被卡住无法转动，则不能求出通过电机的电流值，D错误。] 6．取两根完全相同的电阻丝，第一次将两电阻丝串联，第二次将两电阻丝并联，两次在电阻丝两端加相同的电压，若两次两电阻丝产生的热量均为Q，第一次用时t串，第二次用时t并，则先后两次所用时间之比为(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．1∶1 B．2∶1 C．4∶1 D．1∶4 C　[设每个电阻丝的电阻为R，则R串＝2R，R并＝，由Q＝t得t串∶t并＝4∶1，C正确。] 学科网（北京）股份有限公司 $$