2.8焦耳定律 电路中的能量转化 课件 -2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）必修第三册

第一章 静电场 2.8焦耳定律 电路中的能量转化电荷 教科版(2019)高中物理必修第三册 目 录 1 2 3 4 新课导入 学习目标 新课讲解 经典例题 5 课堂练习 6 课堂小结 通过电流做功来实现,即导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。 现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器,例如电灯、 电热水壶、电动汽车等。那么,你知道这些用电器中的能量是通过什么途径转化的吗? 电热水壶通电时,电能转化为内能 电动机通电时,电能转化为机械能 蓄电池充电时,电能转化为化学能。 我们知道能量的转化是通过做功来实现的,那么电能转化为其他形式的能的过程,是通过什么做功来实现的呢? 功是能量转化的量度,电能转化为其他形式能的过程可以看成是电流做功的过程,我们把电流通过电路时所做的功叫作电功。 学习目标 1.理解电功、电功率、焦耳定律、热功率的概念,知道它们的区别与联系。 2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别,理解两种电路的能量转化关系。 一、电功和电功率 1. 电功 (1)电功:电流通过电路时所做的功。 电能转化为其他形式的能,是通过电流做功来实现的。 (2)实质:导体中的恒定电场对自由电荷的电场力在做功。 自由电荷在静电力的作用下做定向移动,结果电荷的电势能减少,其他形式的能增加。 试推导电功的表达式 问题:如图表示一段电路,这段电路两端的电势差是 U,电路中的电流为 I,电荷从左向右定向移动,你能推导出这段时间t内恒定电场力对电荷所做的功吗? 提示:①时间t内有通过电路的电荷量是多少? ②电场力做功和什么有关?如何计算? ③电功的单位:焦(J) 千瓦时(kW h). 1kW h=3.6 106J ④电功是电能转化为其他形式能的量度。 电流做了多少功,就有多少电能(电势能)转化为其他能。 (3)电功的计算 ①表达式:W=UIt 电流在一段电路中所做的功,等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流 I、通电时间 t 三者的乘积。 ②适用条件:公式适用于一切电路。 (1)电功率:电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率,用 P 表示。 (3)单位:瓦特(W)、千瓦(kw) 2.电功率 (2)表达式:P = UI 电流在一段电路中做功的功率 P 等于这段电路两端的电压 U 与电流 I 的乘积。 (4)意义:电功率表示电流做功的快慢。 ②实际功率:用电器_时消耗的电功率。 为了保证用电器不被损坏,要求实际功率不能大于其额定功率。 最大功率 实际工作 ①额定功率:用电器长期正常工作时的_,也就是用电器工作在额定电压下的电功率。(用电器铭牌上所标称的功率是额定功率) (5)额定功率和实际功率 电流通过电路做功时,电能会转化为哪种形式的能量,要看电路中有哪种类型的用电器。 其中,电能转化为内能是最普遍的现象。 电流通过电热水器中的电热元件做功时,电能全部转化为内能。 电流通过导体时发热是一种普遍的现象,称为电流的热效应。 二、焦耳定律 设热水器两端电压为U,电流为I,通电时间为t,能产生多生热量? 电流在这段电路中做的功W等于这段电路产生的热量Q,即Q=W=IUt 由欧姆定律 U=IR,得热量Q的表达式Q=I2Rt 初中我们就学过,能量在相互转化或转移的过程中是守恒的,下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转化问题。 电流通过电热水器中的电热元件做功时,电能全部转 化为导体的内能。 1.电流的热效应:电流通过导体时发热的现象。 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.这个关系式最初是由焦耳通过实验直接得到的,物理学中就把它叫作焦耳定律. (2)表达式Q=I2Rt. (3)焦耳定律适用条件:焦耳定律是一条实验定律,是通过实验总结出的一条普适定律,适用于一切导体(电路)。 3.热功率P热=I2R. 电烙铁通电后,电烙铁的烙铁头热得能把金属熔化,而与电烙铁相连的导线却不怎么热,为什么? 根据焦耳定律Q=I2Rt, 烙铁头的电阻大,导线的电阻很小,所以烙铁头产生的热量大,温度高于导线的温度。 纯“发热”元件的电功和电热 电路中的电能全部转化为导体的内能,所以电流在这段电路中做的功 W = UIt,等于这段电路产生的热量 Q。 即:Q = W= UIt ① 对纯发热元件,由欧姆定律得: U = IR ② 由①、②可得热量 Q 的表达式: Q = I2 Rt 注意:不能误认为Q = I2 Rt 是由 W= UIt 推导出来的。 三、电路中的能量转化 焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况,但是实际中如果是非纯电阻电路,能量又是如何转化的呢?.下面我们以电动机为例,讨论其能量转化. 没有,不成立.因为电能只有部分转化为机械能,另一部分转化为内能。 1.电流通过电动机做功,将电能全部转化成机械能了吗? 即“P机=P电”成立吗?为什么? P热=I2R. P电=P机+P热. 3.电功率、热功率和转化为机械能的功率三者什么关系? 2.若电路中的电流为I,电动机线圈的电阻为R,则P热 等于什么? 电能 内能 Q=I2Rt W=UIt = 电功率 = 热功率:P =P热 = UI = I2R 说明:欧姆定律适用于纯电阻! R (1)纯电阻电路:电能完全转化为内能。例如白炽灯、电炉、电烙铁等。 1.纯电阻电路和非纯电阻电路 (2)非纯电阻电路:电能部分转化为内能,同时还转化为其它形式的能量。例如:电动机、电解槽、电风扇等 。 电能 内能 + 其它形式的能 W W - Q Q UIt I2Rt > 电功率:P=UI 热功率:P热=I2R 其它形式功率:P其它=UI-I2R 注意:欧姆定律不适用于非纯电阻! M 2.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较 比较项目 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件特点 电路中只有电阻元件,如电阻、电炉丝、小灯泡 电路中除电阻外,还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器,如电动机、电解槽 欧姆定律 能量 转化 电能全部转化为内能: 电能转化为内能和其他形式的能: W=UIt,Q=I2Rt,W=Q+E其他 功率 特点 电功率等于热功率: 电功率等于热功率与其他功率之和: P电=UI P热=I2R P电=P热+P其他 (1)电动机的功率 ①输入功率:电动机消耗的总功率 ②发热功率:线圈上电阻的发热功率 ③输出功率:即机械功率 P入= P总= UI P热=I 2r 三者关系为:UI=I 2r+P机 P出= P机=UI-I 2r 3. 含电动机电路的分析 (2)电动机的效率 典例分析 (1)电功率越大,表示电流做功越多。( ) (2)由公式P= 可知,时间越短,功率越大。( ) 典例分析 1.A、B两灯的额定电压都是110 V,A灯的额定功率PA=100 W,B灯的额定功率PB=40 W,若将两灯同时接入电压恒为220 V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 √ 典例分析 2.一个阻值为1 的电阻,通过它的电流为2 A,则下列说法正确的是 A.1 s内通过该电阻的电荷量为1 C B.该电阻1 s内产生的热量为2 J C.该电阻1 s内产生的热量为4 J D.该电阻的热功率为2 W √ 典例分析 该电阻1 s内产生的热量为Q=I2Rt=4 J,B错误,C正确; P=I2R=4 W,D错误。 课堂练习 1.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 A C B D 课堂练习 R1 R2 R3 3.如图所示的电路中,三电阻串联,其阻值R1=2 ,R2=3 ,R3=6 ,电路总电压为U,各电阻消耗的功率分别为P1、P2、P3,则 P1∶P2∶P3 等于( ) A.2∶3∶6 B.6∶3∶2 C.1∶2∶3 D.3∶2∶1 A 课堂练习 C 4.加在某台电动机上的电压是U,电动机消耗的电功率为P,电动机线圈的电阻为r,则电动机线圈上消耗的热功率为( ) A.P B.U2/ r C.P2r /U2 D.P–P2r / U2 感谢观看 THANK YOU Lavf58.20.100 适用,I=eq \f(U,R) 不适用,I<eq \f(U,R) P电=P热=UI=I2R=eq \f(U2,R) W=Q=UIt=I2Rt=eq \f(U2,R)t eq \f(W,t) 根据电流定义式I=eq \f(q,t)知,1 s内通过该电阻的电荷量为q=It=2 C,A错误; $$