5.1 电路中的能量 课件 -2024-2025学年高二上学期物理粤教版（2019）必修第三册

第五章 电能与能源的可持续发展 第1节 电路中的能量 01电功与电功率 电流流过用电器会消耗电能，电能转化为其他形式能量。 电能全部转化为内能 电能部分转化为内能，大部分转化为机械能； 纯电阻元件 非纯电阻元件 W=qU q=It 电流做功的实质：恒定电场对自由电荷的静电力做正功，电势能降低，其他形式能量增加，电能转为其他形式的能量。 电功 1.定义：电场力对自由电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。 2.表达式：W = UIt （适用于任何电路） W=UIt 电流做功（电功） 证明： 3.单位：国际单位制：焦耳 简称 焦（J）常用单位有：千瓦时（kW·h）.俗称“度” 　1kW·h＝3.6×106J 4.物理意义：电功是电能转化为其他形式能的量度。 4.物理意义：电功率表示电流做功的快慢． 3.单位：国际单位制：瓦（W），常用单位：千（KW） 电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫做电功率 2.表达式： P电=UI（适用于任何电路） 1.定义： 电功率 1kW=1000W 【讨论与交流】 和 两式的意义相同吗？ 额定功率:用电器在额定电压下的功率（铭牌上标出的功率） 实际电压:用电器实际工作时的电压 实际功率:用电器在实际电压下的功率 P实≤ P额 额定电压:用电器正常工作时电压（铭牌上标出的电压） 常用电路 29寸彩电 电熨斗 电冰箱 微波炉 台灯 额定电压（V） 220 220 220 220 220 额定功率（W） ～150 300～800 100～150 800～1200 40～60 电功率 例1　一根电阻丝，在通过2 C的电量时电功为8 J，若在相同的时间内通过4 C的电量，求此时电阻丝上的电流做的功和所加的电压分别是多少。 训练1　如图为一种服务型机器人，其额定功率为48 W，额定工作电压为24 V。 　机器人的锂电池容量为20 A·h，则机器人(　　) B A.额定工作电流为2.4 A B.充满电后最长工作时间为10 h C.电池充满电后总电量为7.2×103 C D.以额定电流工作时每秒消耗电能为20 J 02 焦耳定律 用数据采集器、温度传感器、焦耳定律实验器、学生电源、导线、煤油(或色拉油)、计算机等实验器材，按如图所示的实验原理图连接电路. (1)用注射器在焦耳定律试验器的三个测温有机玻璃管中注入等量的煤油，将电阻 、 分别插入有机玻璃管中，再分别插入三个温度传探头。 (2)将三个温度传感器与数据采集器连接. (3)把焦耳定律实验器接入学生电源，电压调至6-9V，设置采样时间为闭合电路中的10s，每隔10s自动采集一组温度数据. (4)采集数据3-5 min，停止采集数据，关闭电源. (5)以时间t为横轴，传感器测量温度T为纵轴，分别画出三个温度传感器温度随时间变化的图线 (6) 分别对三组数据进行处理得到三条图线. 电流通过纯电阻元件产生的热量与哪些因素有关呢？ 分别将电阻 、 与电阻R对比，作用分别是什么？这种研究方法是什么方法？ 煤油的温度与什么因素有关？ 煤油的温度升高所需热量从哪里来？ 1.内容：电流通过某导体产生的热量, 跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。 电流通过纯电阻元件做功时，电能全部转化为导体的内能。 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。 焦耳定律（电热） 适用于所有电路 3.物理意义：表示电流发热的快慢． 一段电路因发热而消耗的功率 2.表达式： 1.定义： 热功率 P热=I2R（适用于所有电路） 电功W＝热量Q，即 （1）对纯电阻， 电功率P电=热功率P热，即 电能 热量（内能） 转化 =电功W 在纯电阻的电路中,产生的热量Q等于电流做的功W. 电功W＝热量Q+ 其他形式的能量W 其它，即 （2）对非纯电阻， 电功率P电=热功率P热+ P 其它，即 电能 热量（内能） 机械能 转化 =电功W 在非纯电阻的电路中,产生的热量Q与其他形式能量之和等于电功W. 对于纯电阻， 可用来表示电功，也可用来表示热量 对于非纯电阻，只能用 表示电功，只能用求热量。 总结： 【思考】纯电阻中，电功率等于热功率，即UI＝I2R；非纯电阻中， UI＝I2R+P其他，本质上说明了什么？ UI＝I2R U＝IR UI＝I2R+P其他 UIR 欧姆定律适用于纯电阻电路 欧姆定律不适用于非纯电阻电路 例2　(2023·广东揭阳高二期末)有一个直流电动机，把它接入0.2 V电压的电路时，电机不转，测得流过电动机的电流是0.4 A；若把电动机接入2 V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1 A。求： 　(1)电动机线圈的电阻R； 　(2)电动机正常工作时输出的功率为多少？ 　(3)电动机正常工作时的转子突然被卡住，则电动机热功率是多少？ 03 闭合电路中的能量 情境：如图所示的电路中，电源的电动势为E，电路中的电流为I. （1）电路中的能量是如何转化的？ （2）电动势和内电压、外电压什么关系？ （3）电源提供的功率与电路消耗的功率有什么关系？ 电源通过非静电力做功把其他形式的能转化为电能，在电路中通过电流做功把电源提供的电能一部分消耗在外电路上，转化为其他形式的能；另一部分消耗在内阻上，转化为内能。 例3　在如图所示电路中，若R1＝4 Ω，R3＝6 Ω，电池内阻r＝0.6 Ω，则电源 　产生的总功率为40 W，而输出功率为37.6 W。求： 　(1)电源内阻上消耗的电功率； 　(2)电源电动势； 　(3)电阻R2的阻值。 提升1　电源的功率、效率问题 1.电源的总功率 P总＝EI；电源内电阻消耗的功率P内＝U内I＝I2r；电源的输出功率P出＝U外I。 3.电源的效率 例1　(2023·安徽合肥高二期中)在如图所示的电路中，已知电源电动势E＝3 V， 　内电阻r＝2 Ω，电阻R1＝2 Ω，滑动变阻器R的阻值可连续增大，问： (1)当R多大时，R1消耗的功率最大？最大功率为多少？ (2)当R为多大时，电源的输出功率最大？最大为多少？此时电源的效率是多少？ (3)当R多大时，R消耗的功率最大？最大功率为多少？当R消耗功率最大时电源的效率是多少？ 例2　(多选)(2023·广东东莞高二期末)如图所示，直线A为某电源的U-I图线，曲线B为某小灯泡D的U-I图线的一部分，用该电源和小灯泡D组成闭合电路时，灯泡D恰好能正常发光，则下列说法中正确的是(　 　) BCD 提升2　非纯电阻电路的功率、效率问题 1.非纯电阻电路消耗的电能一部分转化为内能，一部分转化为其他形式的能(机械能、化学能等)，其能量转化示意图为 2.非纯电阻电路中，电功W＝UIt大于电热Q＝I2Rt，同理可知电功率P＝UI大于 　热功率P热＝I2R。 　由能量守恒定律，可得UIt＝I2rt＋E其他，UI＝I2r＋P其他。 例3　(2023·山西运城高二期末)图中所示的电路中，电源电动势为E＝45 V，内阻为r＝3 Ω，电阻R1、R2的阻值分别为8 Ω、12 Ω，平行板电容器的电容C＝2×10-4μF。开关闭合后，电动机恰好正常工作。已知电动机的额定电压UM＝12 V，线圈的电阻RM＝2 Ω，求： 　(1)开关闭合后，电容器的带电量； 　(2)电动机正常工作时的效率是多少？ 2.对于纯电阻电路，电源的输出功率 P出＝I2R＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(E,R＋r))) eq \s\up12(2)R＝eq \f(E2,\f(（R－r）2,R)＋4r)，当R＝r时，电源的输出功率最大，其最大输出功率为Pm＝eq \f(E2,4r)。电源输出功率随外电阻变化曲线如图所示。 指电源的输出功率与电源的总功率之比，即η＝eq \f(P出,P总)×100%＝eq \f(IU,IE)×100%＝eq \f(U,E)×100%。 对于纯电阻电路，电源的效率η＝eq \f(I2R,I2（R＋r）)×100%＝eq \f(R,R＋r)×100%＝eq \f(1,1＋\f(r,R))×100%，所以当R增大时，效率η提高。当R＝r(电源有最大输出功率)时，效率为50%，效率并不高。 A.此电源的内阻为eq \f(3,2) Ω B.灯泡D的额定电压为3 V，功率为6 W C.电源的效率为75% D.把灯泡D换成阻值为1 Ω的定值电阻， 电源的输出功率将变大 3.电动机、电解槽等非纯电阻元件的效率η＝eq \f(P其他,P总)×100%＝eq \f(UI－I2r,UI)×100%。 $$