内容正文:
第十二章 电能 能量守恒定律
第1节 电路中的能量转化
2
学习
任务
1.理解电功、电功率和焦耳定律的概念,会运用其公式进行相关的计算。
2.理清电功和电热、电功率与热功率的区别和联系。
3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别。
4.从能量守恒的角度认识用电器能量的转化问题。
第1节 电路中的能量转化
课时分层作业
关键能力·情境探究达成
学习效果·随堂评估自测
阅读材料·拓展物理视野
3
关键能力·情境探究达成
01
知识点一 电功和电功率
知识点二 焦耳定律
知识点三 电路中的能量转化
第1节 电路中的能量转化
课时分层作业
关键能力·情境探究达成
学习效果·随堂评估自测
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4
知识点一 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______做功。
2.电功
(1)定义:电流在一段电路中所做的功,等于这段电路两端的______、电路中的______、通电______三者的乘积。
(2)公式:W=_____。
(3)单位:国际单位是____,符号是_。
静电力
电压U
电流I
时间t
UIt
焦耳
J
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3.电功率
(1)定义:电流在一段电路中所做的功与________之比。
(2)公式:P==__。
(3)单位:国际单位是____,符号是_____。
通电时间
UI
瓦特
W
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提醒 对于纯电阻电路,由欧姆定律I=可得
(1)W=UIt=I2Rt=t。
(2)P=UI=I2R=。
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如图所示是三种发光原理不同的照明灯具,LED灯是直接把电转化为光,荧光灯是电磁辐射后发光,白炽灯是由灯丝通电加热发光。在同等亮度下,白炽灯消耗的电能是荧光灯的5倍,是LED灯的15倍。
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(1)选用哪种照明灯具更加节能和环保,为什么?
(2)如果三种照明灯具的额定电压相同,则这三种灯具在相同时间内电流所做的功之比为多少?
提示:(1)正常工作时,亮度相同,但LED灯消耗的电能少,所以选用LED灯更加节能和环保。(2)由题意可得W白∶W荧∶WLED=15∶3∶1。
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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。
(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。
(2)总功率P总=UI=U(I1+I2+…+In)=P1+P2+…+Pn。
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3.串、并联电路中的功率关系
串联电路 并联电路
功率
分配 各个电阻消耗的电功率与它们的电阻成正比,即 各个电阻消耗的电功率与它们的电阻成反比,即
功率
关系 总功率等于各个电阻上消耗的功率之和,即P=P1+P2+…+Pn
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【典例1】 有额定电压都是110 V,额定功率PA=100 W,PB=40 W 的电灯两盏,若接在电压是220 V的电路上,两盏电灯均能正常发光且电路中消耗功率最小的电路是( )
A B C D
[思路点拨] (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。
√
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C [若要两灯均正常发光,即每盏灯的电压均为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,由于RB>RA,A灯又并联变阻器,则RB>R并,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,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。]
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规律方法 串联电路中大电阻功率大,并联电路中小电阻功率大,无论串联与并联,总功率都是各个电阻消耗的电功率之和。
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[跟进训练]
1.有两盏电灯L1和L2,用图中所示的两种方式连接到电路中,已知电压U相同,且两盏电灯均能发光,比较在甲、乙两个电路中电灯L1的亮度,则( )
A.甲图电路中灯L1比乙图电路中灯L1亮
B.乙图电路中灯L1比甲图电路中灯L1亮
C.两个电路中灯L1一样亮
D.不知它们的额定电压和额定功率,无法判断
√
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B [因为电压U相同,两盏电灯串联后,L1两端电压小于U;两盏电灯并联后,加在电灯两端的电压都为U,因此并联后的灯泡较亮,选项B正确。]
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知识点二 焦耳定律
1.内容:电流通过导体产生的热量跟____________成正比,跟__________及________成正比。
2.表达式:Q=____。
电流的二次方
导体的电阻
通电时间
I2Rt
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3.热功率
提醒 在任何电路中,总有W≥Q,IU≥I2R。
只有在纯电阻电路中,电能全部转化为电热,即Q=W,电功率等于热功率IU=I2R。
快慢
发热量
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使用电水壶烧水时,壶内的水会很快被加热到沸腾,产生大量的热,而连接电水壶的导线却不怎么热,这是什么原因呢?
提示:电炉丝在使用时,电炉丝和导线串联,电流相等,通电时间t相同,因Q=I2Rt,R电炉丝>R导线, Q电炉丝>Q导线,所以会出现电炉丝变得很烫而连接电炉丝的导线却不怎么热的现象。
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对公式P=UI和P=I2R的理解
1.P=UI和P=I2R两式都是电流做功的功率表达式,但两式中“P”的含义是不同的。P=UI是在一般情况下推导的,没有对电路的性质做任何限制,所以P=UI中的“P”指电流做功的功率。P=I2R中的“P”专指电路中发热的功率。
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2.P=I2R计算的结果只是电能转化为内能的那部分功率,要计算电流做功的总功率,只能利用P=UI。在任何电路中,始终有电功率大于或等于热功率,即UI≥I2R,只有在纯电阻电路中,才有I2R=UI=。
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【典例2】 (2022·辽宁鞍山一中月考)某种热水器工作时有两种状态:一种是水烧开以前的加热状态,另一种是水烧开后的保温状态。如图所示是该热水器的电路图,R1是一个电阻,R2是加热用的电阻丝,保温状态时,R1、R2产生的热量均用以保温。
第1节 电路中的能量转化
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(1)自动开关S闭合和断开时,该热水器分别处于哪种状态?通过计算加以说明;
[解析] 自动开关S闭合时,只有R2接入电路,该热水器的热功率为P1=
自动开关S断开时,R1和R2串联后接入电路,该热水器的热功率为P2=
显然P1>P2,所以自动开关S闭合时该热水器处于加热状态,断开时处于保温状态。
[答案] 见解析
第1节 电路中的能量转化
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(2)现在分别用加热状态和保温状态烧开相等质量的水,要使保温状态下所用时间是加热状态下的3倍,R1∶R2应该是多少?(不考虑能量损失)
[解析] 烧开相等质量的水所需要的热量Q相同,应用焦耳定律Q=I2Rt和P=I2R可知Q=Pt,有Q=P1t1,Q=P2t2
根据题意,有3t1=t2
联立解得R1∶R2=2∶1。
[答案] 2∶1
第1节 电路中的能量转化
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[跟进训练]
2.若通过电阻R的电流为I时,在t时间内产生的热量为Q,则通过电阻R的电流为2I时,在时间内产生的热量为( )
A.4Q B.2Q C. D.
√
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知识点三 电路中的能量转化
1.电动机的作用:电动机从电源获得能量,一部分转化为______,还有一部分转化为内能。
2.能量转化关系式:P电=________,其中P电=_____,P机为________,P损=P热=_____。
3.正在充电的电池:电源的电能除了转化为电池的______之外,还有一部分转化为____。
机械能
P机+P损
UI
输出功率
I2R
化学能
内能
第1节 电路中的能量转化
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(1)某一电路中只含有某一元件,即电水壶、白炽灯、电风扇、电动机其中的一种,分析哪些属于纯电阻电路,哪些属于非纯电阻电路。
(2)纯电阻电路中,消耗的电能转化为什么形式的能?对于电动机的电路,消耗的电能转化为什么形式的能?
提示:(1)纯电阻电路有:白炽灯、电水壶;非纯电阻电路有:电动机、电风扇。
(2)内能,内能和机械能。
第1节 电路中的能量转化
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1.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较
两种电路 纯电阻电路 非纯电阻电路
元件特点 电路中只有电阻元件,只能把电能转化为内能 除电阻外还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器
欧姆定律是否适用 欧姆定律适用,I= 欧姆定律不适用,U>IR或I<
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两种电路 纯电阻电路 非纯电阻电路
能量转化 电流做功,电能全部转化为内能 电流做功,电能除转化为内能外还要转化为其他形式的能
元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯等 电动机、电解槽等
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2.电功与电热的区别与联系
(1)纯电阻电路
W=Q=UIt=I2Rt=t;
P电=P热=UI=I2R=。
(2)非纯电阻电路
电功W=UIt,电热 Q=I2Rt,W>Q;
电功率P电=UI,热功率P热=I2R,P电>P热。
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3.电动机的功率和效率
(1)电动机的总功率(输入功率):P总=UI。
(2)电动机发热的功率:P热=I2r。
(3)电动机的输出功率(机械功率):P机=P总-P热=UI-I2r。
(4)电动机的效率:η=×100%。
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【典例3】 如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图。电动机内阻r=0.8 Ω,电路中另一电阻R=10 Ω。直流电压U=160 V,电压表示数UV=110 V。
(1)求通过电动机的电流。
(2)求输入电动机的电功率。
(3)若电动机以v=1 m/s的速度匀速竖直向上提升重物,则该重物的质量为多少?(g取10 m/s2)
(4)在提升过程中电动机被卡住,求电动机消耗的功率。
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[思路点拨] 电动机是非纯电阻元件,其电流和电压只能根据串、并联规律间接求解(串联电路中的电流相等,并联电路中各支路两端电压相等),电动机转化为机械能的功率P机=UI-I2r,电动机对外做功的功率也可以根据P机=F牵v求解。
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[解析] (1)由电路中的电压关系可得电阻R两端的电压
UR=U-UV=(160-110)V=50 V
流过电阻R的电流IR= A=5 A
即通过电动机的电流IM=IR=5 A。
(2)电动机两端的电压UM=UV=110 V
输入电动机的功率P电=IMUM=550 W。
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(3)电动机的发热功率P热=r=20 W
电动机输出的机械功率P机=P电-P热=530 W
又P机=mgv,所以m==53 kg。
(4)I′= A≈14.8 A
P′=I′2r=14.82×0.8 W≈175 W。
[答案] (1)5 A (2)550 W (3)53 kg (4)175 W
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规律方法 电动机电路的分析与计算
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[跟进训练]
3.一台标有“220 V,66 W”的电风扇,线圈的电阻为20 Ω。
(1)当加上220 V电压,求电风扇消耗的功率、转化为机械能的功率和发热功率;
[解析] 电风扇消耗的功率为P总=66 W
电路中的电流为I==0.3 A
则发热功率为P热=I2R=1.8 W
转化为机械能的功率为P机=P总-P热=66 W-1.8 W=64.2 W。
[答案] 66 W 64.2 W 1.8 W
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(2)如果接上220 V的电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电风扇消耗的功率和发热功率。
[解析] 扇叶被卡住,不能转动,有
P总′=P热′==2 420 W。
[答案] 2 420 W 2 420 W
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02
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1.下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法错误的是( )
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适用于任何电路,而W=I2Rt=t只适用于纯电阻电路
C.在非纯电阻电路中,UI>I2R
D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
√
第1节 电路中的能量转化
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A [电功率公式为P=,电功率越大,表示电流做功越快,对于一段电路,有P=IU,则I=,焦耳热Q=Rt,可见Q与P、U、R、t都有关,所以,P越大,Q不一定越大,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,B正确;在非纯电阻电路中,电流做的功转化为焦耳热和其他形式的能,所以W>Q,即UI>I2R,C正确;Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路中产生的焦耳热,D正确。A符合题意。]
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2.(2022·广东联考联盟期末)由若干个LED灯组成的LED屏幕如图所示,每只LED灯在不同的电压下能发出不同颜色的光。当电压为3.2 V时,LED灯会发出蓝光,发光时的工作电流约为20 mA。若这块屏幕共有约10 000个LED灯,则整体发蓝光时这块屏幕消耗的功率约为( )
A.6.4 W B.64 W
C.320 W D.640 W
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D [LED灯发蓝光时的工作电流I=20 mA=0.02 A,当所有的LED灯均发蓝光时,屏幕消耗的功率P=nUI=10 000×3.2×0.02 W=640 W,选项D正确。]
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3.如图所示,一幢居民楼里住着生活水平各不相同的24户居民,所以整幢居民楼里有各种不同的电器,例如电炉、电视机、微波炉、电脑等。停电时,用欧姆表测得A、B间电阻为R;供电后,各家电器同时使用,测得A、B间电压为U,进线电流为I,则计算该幢居民楼用电的总功率可以用的公式是( )
A.P=I2R B.P=
C.P=IU D.P=I2R+
C [家用电器中既有纯电阻元件也有非纯电阻元件,故总功率只能用P=UI来计算,C正确。]
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4.一台电动机的额定电压U=220 V,线圈电阻R=0.5 Ω,电动机正常工作时通过电动机线圈的电流I=2 A,若此电动机正常工作t=10 min,求在这段时间内:
(1)电动机消耗的电能W1;
[解析] 根据W=UIt可得,电动机消耗的电能
W1=220×2×10×60 J=2.64×105 J。
[答案] 2.64×105 J
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(2)电动机产生的热量Q。
[解析] 根据焦耳定律Q=I2Rt可得,电动机产生的热量
Q=22×0.5×10×60 J=1 200 J。
[答案] 1 200 J
(3)电动机输出的机械能W2。
[解析] 电动机输出的机械能
W2=W1-Q=2.628×105 J。
[答案] 2.628×105 J
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回归本节知识,自我完成以下问题:
1.如何从微观角度理解“电能转化为其他形式的能,是通过电流做功来实现的”?
提示:当在一段导体两端加上电压后,这段导体内部产生电场,在静电力作用下,自由电荷做定向移动形成电流,静电力对自由电荷做功,电荷的电势能减少,减少的电势能转化为其他形式的能。
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2.电流的热效应实质是什么?
提示:电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为导体的内能。
3.根据U=IR和W=UIt,也可以得到Q=I2Rt,是不是电流做了多少功,就产生多少的热量呢?
提示:不是,因为电流做功并不一定全部转化为内能,有可能同时转化为其他形式的能。
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焦耳及焦耳定律
焦耳(1818—1889)是英国人,1818年12月24日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里,从小就跟着父亲酿酒,没有进过学校。然而焦耳天资聪明,喜欢读书,常常一边劳动一边认字,自学到不少知识。后来,他幸运地认识了著名化学家道尔顿教授,便常常到他那里请教。从此,焦耳对自然科学,特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。
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1841年在焦耳23岁时,焦耳开始对通电导体放热的问题进行了深入的研究。他把父亲的一间房子改成了实验室,一有空便钻到实验室里忙个不停。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上,做成了1个电热器。然后把电热器放入1个玻璃瓶中,瓶中装有已知质量的水。给电热器通电并开始计时,用鸟的羽毛轻轻搅动水,使水温度均匀。从插在水中的温度计,可随时观察到水温的变化,同时用电流计测出电流的大小。焦耳做了大量的实验,精确地确定了电流产生的热量跟电阻、电流大小和通电时间的定量关系:电流通过导体时产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电的时间成正比。物理学把这个规律叫作焦耳定律。
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焦耳定律可以用能量转化和守恒的观点来解释:电流通过导体时,电阻越大,电流越大,时间越长,电流做的功就越多,所产生的热量就越多。
在工农业生产和日常生活中,人们有时候要利用电流产生热量。电烙铁、电炉、电熨斗、电烤箱等设备,都是常见的电热器,它们的设计都以焦耳定律作为理论依据。当然,电流产生的热量也有不利的一面,例如通过电视机的电流比较大,机内元件发出的热量就比较多,夏天收看电视节目时,如果开机时间过长又不注意通风,电视机容易因为过热而损坏。
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问题 试猜想电视机发热的原因。
提示:电视机内部元件有电阻。
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