第3章 第3节 电功与电热（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理必修第三册（鲁科版2019）福建专版

电功与电热 (赋能课——精细培优科学思维) 第 3 节 课标要求 1.理解电功、电功率及焦耳定律。 2.能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。 层级达标 学考 层级 1.初步形成电功与电热的概念。 2.通过对焦耳定律内容的理解,可以在熟悉的情境中分析解决问题。 选考 层级 1.通过对电功与电功率、电热与热功率的综合分析,可以解释生活中的实际问题。 2.通过生活实例,能将电气设备耗能问题中的对象和过程转化成电功与电热问题。 3.通过分析生活中的用电现象,提出可探究的电功与电热问题。 1 课前预知教材 2 课堂精析重难 3 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 课前预知教材 一、电功和电功率 电功 电功率 概念 电场力对定向移动的自由电荷所做的功 单位时间内_____所做的功 公式 W=qU=____ P==UI 单位 焦耳,符号为J 瓦特,简称瓦,符号为____ 物理意义 描述_____转化为其他形式的能的多少 描述电流做功的快慢 电流 UIt W 电能 [微点拨] 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。 [情境思考] 如图所示,一段电路两端的电压为U,电路中的自由电荷在静电力的作用下发生定向移动,形成电流I。则在时间t内,通过这段电路上任一横截面的电荷量q为多少?在这个过程中,静电力做了多少功? 提示:在时间t内,通过这段电路上任一横截面的电荷量为q=It,在这个过程中,静电力做功为W=UIt。 二、焦耳定律 1.内容:电流通过导体产生的热量与______的二次方成正比,与导体的_____及通电时间成_____。 2.公式:Q=_____。 3.单位:焦耳,简称焦,符号为J。 电流 电阻 正比 I2Rt 4.微观解释:当导体内的电子在电场力作用下做定向运动时,会与金属离子不断_____,在碰撞过程中把一部分动能传递给离子,使离子的热运动加剧,导致导体_____。 5.纯电阻电路和非纯电阻电路 (1)纯电阻电路:电路中只含电阻,电流所做的电功与产生的热量_____。 (2)非纯电阻电路:电路中还含有电动机等其他转换能量的装置,电流所做的电功与产生的热量_______。 碰撞 发热 相等 不相等 [情境思考] 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? 提示: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:电炉丝电阻较大,通电时间相同,电炉丝产生的热量较多。 三、身边的电热 1.电水壶、电饭锅等家用电器都利用了电流的热效应,它们的电阻丝都由电阻率______的材料制成。 2.电阻焊就是在被焊接的金属接触面上通过______,利用接触电阻产生的______得到适合焊接的高温,对接触面进行焊接的。 较大 电流 热量 3.插头和插座之间、电线连接处如果接触不良,都会产生大电阻,容易_____,甚至迸出火花。 4.电视机和计算机显示器的后盖有很多孔,计算机的中央处理器上要安装散热片及风扇,都是为了_____。 发热 散热 [情境思考] 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,它们将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。 课堂精析重难 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。 强化点(一)对电功与电功率的理解 任务驱动 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。 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,电功的大小度量了电能的减少量,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。 要点释解明 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。 ①额定功率:用电器正常工作所消耗的功率。 ②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=。 1.一种称作地中海电鳐的电鱼能够电击它的猎物,一般来说,在一次电击中它不必移动,就能引起0.20 kV电势差,以18 A的电流传送电荷,持续时间为1.5 ms,则在这次电击中 (　 ) A.传输的电荷量为18 C B.电鱼能将机械能转化为电能 C.电鱼的电器官功率为3.6 kW D.电鱼的电器官所做的功为3 600 J 题点全练清 √ 解析:在这次电击中,传输的电荷量为q=It=18×1.5×10-3 C=2.7×10-2 C,A错误;电鱼能将生物化学能转化为电能,B错误;通过电鱼的电器官的电流为18 A,电鱼的电器官功率为P=UI=0.2×103×18 W=3.6×103 W=3.6 kW, C正确;电鱼的电器官所做的功为W=Pt=3.6×103×1.5×10-3 J=5.4 J,D错误。 2.(2024·四川1月学考)如图所示是手电筒的电路 图,小灯泡的额定电压是 2.5 V,额定电流是0.3 A。开关 断开时,小灯泡两端的电压是　　V;开关闭合时,小灯 泡正常发光的功率是　　　 W。  解析:开关断开时,小灯泡右端与电源断开,两端的电压是0; 小灯泡正常发光的功率是P=UI=2.5×0.3 W=0.75 W。 0 0.75 1.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较 要点释解明 强化点(二)　电功与电热的关系 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 除电阻外还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器 电流、电压、电阻三者的关系 遵循欧姆定律I= 不遵循欧姆定律,由W=UIt= I2Rt+W其他知U>IR或I< 能量转化形式 电流做功全部转化为内能:W=Q=UIt=I2Rt=t 电流做功转化为内能和其他形式的能量:电功W=UIt,电热Q=I2Rt, W=Q+W其他 元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯 电动机、电解槽、电风扇 续表 2.对纯电阻电路和非纯电阻电路的三点说明 (1)电能全部转化成电热为纯电阻电路,电能转化成电热和其他形式的能为非纯电阻电路。 (2)非纯电阻电路只能用Q=I2Rt计算电热,电功W=UIt大于Q。 (3)对于含电动机的电路,电动机转动时是非纯电阻电路,电动机不转时是纯电阻电路。 3.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,计算公式: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]　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;重新调节滑动变阻器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。 [答案]　22.0 W　2 Ω [解析]　当电动机停止转动时,电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V,电动机中只有线圈的电阻消耗电能,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=r=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。 [变式拓展]　上述[典例]中,若电动机以v=1 m/s 的速度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。 [思维建模] 电动机电路的分析与计算 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 √ 题点全练清 解析: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,则焦耳热Q=Rt,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,选项D正确。 2.服务型机器人无处不在,彰显着技术的魅力。如图所示,一款微型机器人的直流电动机的额定电压为U,额定电流为I,线圈电阻为R,将它接在输出电压为U的直流电源上,电动机恰好能正常工作,下列说法正确的是 (　 ) A.电动机消耗的热功率为UI B.电动机的输出功率为UI-I2R C.流过电动机的电流为 D.电动机的输入功率为I2R √ 解析:电动机正常工作,消耗的热功率P=I2R,A错误;电动机的输出功率P出=UI-I2R,B正确;电动机所在的电路不是纯电阻电路,则流过电动机的电流I≠,C错误;电动机的输入功率P电=IU>I2R,D错误。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 A级——学考达标 1.如图是电解硫酸铜溶液的装置示意图,图中电压表示数为U,电流表示数为I,通电时间为t,则下列说法正确的是(　 ) A.CuSO4溶液中的阳离子向铜板定向移动 B.IU是电能转化成化学能的功率 C.IUt是这段时间内电路消耗的总电能 D.IUt是这段时间内产生的总焦耳热 √ 6 7 8 9 10 11 12 解析:由于铜板接电源的正极,因此CuSO4溶液中的阴离子向铜板定向移动,A错误;该电路是非纯电阻电路,IU是消耗电能的总功率,其中有一部分转化为化学能,还有一部分产生焦耳热,因此,IUt是这段时间内电路消耗的总电能,而I2rt是这段时间内产生的总焦耳热(式中r表示电路的电阻),其余的才转化为化学能,B、D错误,C正确。 1 2 3 4 5 1 5 6 7 8 9 10 11 12 2.小芳家正在使用的电器有电灯、洗衣机、电冰箱,小芳从家里的总电能表中测得在时间t内消耗的电能为W。设小芳家的供电电压为U,总电流为I,上述电器的总电阻为R,总功率为P。下列关系式正确的是 (　 ) A.P= B.W=I2Rt C.I= D.P= 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:由于洗衣机、电冰箱是非纯电阻电路,欧姆定律不成立,所以I=不成立,所以关系式P=不成立,关系式W=I2Rt不成立,故A、B、C错误;公式P=普遍适用,故D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 3.某款新能源汽车,其电动机启动时电压与电功率分别为300 V、30 kW,则该电动机启动时电流为 (　 ) A.10 A B.100 A C.1 000 A D.10 000 A 解析:根据P=UI可得I== A=100 A,故选B。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 4.如图为甲、乙两种电学元件的I-U 图像,交点处的坐标为(U1,I1)。现在两元件两端分别加电压U1时,甲、乙元件的阻值分别为R甲、R乙,电功率分别为P甲、P乙,则 (　 ) A.R甲>R乙,P甲>P乙 B.R甲<R乙,P甲<P乙 C.R甲=R乙,P甲<P乙 D.R甲=R乙,P甲=P乙 解析:根据R=,P=UI,可知R甲=R乙,P甲=P乙,故选D。 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 5.某品牌充电宝的参数如下表所示。下列说法正确的是 (　 ) 2 3 4 产品净重 600 g 电芯类型 锂聚合物电池 电池容量 50 000 mA·h 输入电压 12 V 输出电压 12 V 输出快充功率 66 W 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.电池容量中的“mA·h”是能量的单位 B.电池容量中的“mA·h”是电容的单位 C.该充电宝能输出的电能最多为2.16×106 J D.该充电宝以快充功率可以持续供电约900小时 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:电池容量中的“mA·h”是电荷量的单位,A、B错误;该充电宝能输出的电能最多为W=UIt=Uq=12×50 000×10-3×60×60 J=2.16×106 J, C正确;该充电宝以快充功率持续供电时的电流为I== A= A,所以可得持续供电时间为t'== h≈9 h,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 6.如下表所示是某款微波炉的产品规格,根据表格中的数据可以得出 (　 ) 2 3 4 某型号微波炉产品规格 容量 25 L 重量 14 kg 尺寸 485*410*293 mm 微波功率 880 W 额定功率 1 100 W 额定电压 220 V 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.微波炉的额定电流为4 A B.微波炉的工作效率为80% C.微波炉的内阻大小为55 Ω D.微波炉连续工作0.5 h消耗的电能为0.44 kW·h 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:微波炉的额定电流为I额==5 A,故A错误;微波炉的工作效率为η==80%,故B正确;微波炉的热功率为P热=P额-P微=220 W,根据P热=I2R可得,微波炉的内阻为R==8.8 Ω,故C错误;微波炉连续工作0.5 h消耗的电能为W=P额t=0.55 kW·h,故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 7.(多选)已知在相等亮度下,白炽灯消耗的电能是荧光灯的5倍,是LED灯的15倍。在额定电压220 V下工作的白炽灯、荧光灯和LED灯,如果要求荧光灯和LED灯发光亮度与100 W的白炽灯相同,则 (　 ) A.可选用20 W的LED灯 B.通过LED灯的电流为 A C.在60 s内通过LED灯的电荷量为 C D.电流对荧光灯做的功是白炽灯的5倍 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:由题意可得,白炽灯的额定功率是LED灯额定功率的15倍,则P白=15PLED,所以要使LED灯发光亮度与100 W的白炽灯相同,则可选用LED灯的功率为PLED=×100 W= W,A错误;由公式P=UI,得通过LED灯的电流为ILED== A= A,B正确; 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 在60 s内通过LED灯的电荷量为Q=ILEDt=×60 C= C,C正确;由题意可得,白炽灯的额定功率是荧光灯额定功率的5倍,则P荧=P白,由电流做功公式W=Pt,可得,电流对荧光灯做的功是白炽灯的,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 8.(多选)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“强吸”和“弱吸”两个档位,内部电路如图所示。抽气扇额定电压为220 V,额定功率为220 W,线圈内阻为20 Ω,则 (　 ) A.保持S1、S2闭合,断开S3,抽油烟机处于“弱吸”档 B.保持S1、S3闭合,断开S2,抽油烟机处于“弱吸”档 C.闭合S1、S2,抽气扇的输出功率为200 W D.闭合S1、S2,若电动机被卡住,则抽气扇消耗的功率小于220 W 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:根据电路图,可知保持S1、S2闭合,断开S3时,定值电阻被短路,抽油烟机两端的电压为额定电压220 V,功率最大,处于“强吸”档,故A错误;根据电路图,可知保持S1、S3闭合,断开S2时,抽油烟机与定值电阻串联,其两端的电压小于额定电压220 V,处于“弱吸”档,故B正确;根据电路图,可知闭合S1、S2,抽气扇的输出功率为P=P额-rM=220 W-×20 W= 200 W,故C正确;闭合S1、S2,若电动机被卡住,则抽气扇消耗的功率为P'== W=2 420 W,故D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 9.(12分)电动机也称电机(俗称马达),在电路中用字母“M”表明。它的首要作用是产生驱动力,作为用电器设备和机械设备的动力源。电动机分类方法很多,依据电动机工作时所需的电源不同,可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机能将直流电能转换成机械能。已知一台直流电动机的额定工作电压U=110 V,正常工作时电流I=10 A,若该电动机在1 min 内把一个质量m=50 kg的物体匀速竖直向上提升H=105.6 m,不计摩擦及空气阻力,取重力加速度g=10 m/s2。求: 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (1)电动机内线圈的电阻r; 答案:2.2 Ω 解析:电动机的机械功率为P机=mgv=50×10× W=880 W,对电动机有UI=P机+I2r,解得r=2.2 Ω。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)电动机的工作效率η。 答案:80% 解析:电动机的工作效率η=×100%=×100%=80%。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 B级——选考进阶 10.(多选)电池放电时能输出的总电荷量叫作电池的容量,通常以“安时”(A·h)或“毫安时”(mA·h)作为单位。一般的锂电池,充电电压约为工作时额定电压的1.2倍。某款电动摩托车的部分参数如下表,由表中数据可知下列选项正确的是(　 ) 2 3 4 锂电池容量 额定电压 充电电压 最大速度 额定功率 20 A·h 60 V 72 V 48 km/h 800 W 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.该车以额定功率行驶时,理论上的额定电流为20 A B.该车以额定功率行驶时,理论上的额定电流约为13.3 A C.该车的锂电池储存的能量理论上为1.2 kWh D.该车在水平路面以最大速度行驶时,所受的阻力约为16.7 N 2 3 4 √ √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:该车以额定功率行驶时,理论上的额定电流为I== A≈13.3 A,A错误,B正确;该车的锂电池储存的能量理论上为E=UIt=60 V×20 A·h =1.2 kWh,C正确;该车在水平路面以最大速度行驶时,所受的阻力约为f== N=60 N,D错误。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 11.智能感应式矫正器能提醒不良姿势,起到矫正的作用。如图是某矫正器的铭牌信息,已知当剩余电池容量为总容量的20%时,智能感应式矫正器将停止工作。若该智能感应式矫正器工作时一直处于额定工作状态,使用前电池容量为零,则下列说法正确的是 (　 ) 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 A.理论上该矫正器充满电可以连续工作约4.6小时 B.第一次充满电的时间和可正常工作时间之比约为 C.电池容量的单位mAh是能量单位 D.该矫正器充满电所储存的能量约为6.7×103 J 2 3 4 √ 1 5 6 7 8 9 10 11 12 解析:额定工作状态时的电流为I== A= A,理论上该矫正器充满电可以连续工作的时间为t== h=3.7 h,A错误;第一次充满电的时间t'== h=2.5 h,第一次充满电的时间和可正常工作时间之比为==,B错误;电池容量的单位mAh是电荷量单位,C错误;该矫正器充满电所储存的能量为E=UIt=3.7×500×10-3×3 600 J≈6.7×103 J,D正确。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(14分)有一个直流电动机,把它接入0.2 V电压的电路时,电动机不转,测得流过电动机的电流是0.4 A;把它接入2 V电压的电路中,电动机正常工作,工作电流是1 A。 (1)求这台电动机的内阻; 答案:0.5 Ω　 解析:电动机不转时电路为纯电阻电路,由欧姆定律可知电动机的内阻r== Ω=0.5 Ω。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)求电动机正常工作时的输出功率; 答案:1.5 W 解析:电动机正常工作时电路为非纯电阻电路, 消耗的总功率P总=UI=2×1 W=2 W 线圈内阻的热功率P热=I2r=12×0.5 W=0.5 W 则电动机正常工作时的输出功率 P出=P总-P热=2 W-0.5 W=1.5 W。 2 3 4 1 5 6 7 8 9 10 11 12 (3)如在正常工作时,转子突然被卡住,此时电动机的发热功率为多大? 答案:8 W 解析:电动机的转子突然被卡住,此时电路为纯电阻电路, 发热功率P== W=8 W。 2 3 4 $$