12.1 电路中的能量转化(学案)-【成才之路】2024-2025学年高中新课程物理必修第三册同步学习指导(人教版2019)

111 第十二章电能 能量守恒定律 第1节 电路中的能量转化 核心素养 学习重点 (1)理解电功、电功率和焦耳定律的概念。 物理观念 (2)理解电功和电热的区别和联系。 (1)通过推导电功公式和焦耳定律，能用焦耳定律解释生活中的相 电功概念的建 关现象。 科学思维 立和理解，对 (2)通过实例分析，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功 包含电动机的 实现的。 电路中的能量 从能量转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，加深对功 转化的实例 科学探究 与能量转化关系的认识。 分析。 科学态度 联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守 与责任 恒思想，增强理论联系实际的意识。 探究点1电功和电功率 ●新知导学 [提示] (1）0g=h。 情境：(1)如图所示，一段电路两端的电压为U, ②W=Uh. 由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在， @P=n。 电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动。 (2)电热水壶通电 形成电流I。 时，电能转化为 ①在时间1通过这段电路上任一横截面的电荷量g是多少？ 内能。 ②这相当于在时间1内将这些电荷g由这段电路的一端移到另一端。在 手机电池充电时，把 这个过程中，电场力做了多少功？ 电能转化成化学能。 ③电场力做功的功率是多少？ 电动机通电时，把电 能转化为机械能。 (2)电热水壶、电动机通电 时，手机电池充电时，能量是怎 样转化的？ >[提示] 112 ●基础梳理 一、电功 1.电功是指电路中 力对定向移动的电荷所做的功，电流做功的过程就是 转 化为其他形式能的过程。 2.电功的计算公式：W= 单位： ,符号为 常用的单位：千瓦时(kW·h),也称“ ”,1kW·h 二、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=”= 0 3.单位： 符号为 4.意义：表示电流做功的 三、焦耳定律 1.焦耳定律 (1)内容：电流通过导体产生的热量跟 成正比，跟导体的 及 成正比。 (2)表达式：Q= 2.热功率 (1)定义： 内的发热量称为热功率。 (2)公式：Ps=FR [判断正误] (1)焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解。 ( (2)非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热。 (3)电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多。 ( ) (④)严=适用于任何电路，而W=f=公只适用于纯电阻电路」 ( (5)在非纯电阻电路中，1>R ( (6)焦耳热Q=R适用于任何电路。 ●重难解读 1.电功和电功率 (0)纯电阻电路的电功率计算表达式：由于甲=Q1-只所以有P=1=R-尽 (2)非纯电阻的电功率计算表达式：P=UⅢ。 2.串并联电功率计算 电路连接方式 串联 并联 特点 各部分电路电流1相同 各支路电压U相同 根据P=「R,各电阻上的电功率与电阻 根据P 尺，各支路电阻上的电功率与 功率分配 成正比，即片=…==r 电阻成反比，即PR=P2=·= R PR=U 113 Pe=川=(U,+巧2+…+Un)1=P,+P Pa=UI=U(I1+I2+…+n）=P,+P2 总功率 +…+P +…+P 无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率 说明 之和 类型一 纯电阻电路的电功率计算 [思维点拨] 典题1：如图所示，电路中电阻R,=400,R,=A?R⊙ 先搞清电阻的串并联 关系，再考忘功奉 602,R=602,A、B之间的电压恒为100V,电 分配。 压表和电流表均为理想电表。下列说法正确的 100y [规律方法]功率求 是 () 解方法 A.电压表的示数为60V (1）在绝电阻电路 B.电流表的示数为2.5A 中，比较用电器的电 C.电阻R2两端的电压为60V 功率时，要根据己知 条件灵活选用公式， D.电阻R,消耗的电功率为100W [思维点拨] [规律方法] 如用电器电流相同 跟踪训练1：如图所示为某一电路的一部分，其中 时，用P=R比较， R=102,R2=R3=202,下列关于R、R2、R3消耗的电 若用电器电压相同 功率P,、P2P3,以及R,R2、R两端的电压U1、U2、U的 时，用P= 关系正确的是 F此较， 若用电器电阻相同 A.U1:U2:U3=1:2:2 B.U1:U2:U3=1:1:1 时，可根据I或U的 C.P:P2:P3=1:1:1 D.P,:P2:P3=1:2:2 关系比较。 类型二非纯电阻的电功率计算 (2)求解串、并联电 典题2：（多选）某抽油烟机的主要部件是照明灯L和 路中的功奉分配问 抽气扇M(电动机)，抽气扇有“强吸”和“弱吸”两 题，比例法求解会使 M 问趣简化，但一定要 个挡位，内部电路如图所示。抽气扇额定电压为 明确是正比还是反比 220V,额定功率为220W,线圈内阻为202，则 02201V0 关系。 ( (3)当求解用电器 A.保持S,、S2闭合，断开S,抽油烟机处于“弱吸”挡 的功奉时，要明确求 B.保持S,、S闭合，断开S2,抽油烟机处于“弱吸”挡 解的是什么功奉，实 C.闭合S,S2,抽气扇的输出功率为200W 际功季与额定功奉不 一定相等。 D.闭合S、S2,若电动机被卡住，则抽气扇消耗的功率小于220W [思维点拨] ●[规律方法][思维点拔] 跟踪训练2：（多选）一个直流电动机所加电压为U,电流为1，线圈内阻为首先搞清楚是不是纯 R,当它正常工作时，下述错误的是 电阻电路，电动机被 卡住说明没有机械能 A电动机的输出功率为5 输出成了纯电阻 B.电动机的发热功率为PR 电路。 C.电动机的输出功率为U-TR D电动机的功率可写作W=FR=(】 114 探究点2电路中的能量转化 [规律方法]纯电阻 电路和非纯电阻电 ●重难解读 路的比较 1.电动机 纯电阻电 培 非韩电阳电路 (1)电动机消耗的功率P电=U。 自级行 举创 电土势机。电研情 (2)电动机线圈电阻上的热功率P热=PR。 花权锅 (3)电动机输出功率P=U-PR。 能量特 (4)能量关系：电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能，还有一部 电功和 =0 WOE 分转化为内能。 电热的 美系 Uh=FRE (5)功率关系：电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P:与电动 电功 和热功=P P=作+ 机损失的功率P之和，即：P电=P出+P,P电=UI,P损=R。 2.电池 欧姆定 U=IR. >R, 充电时的能量转化：电池从电源获得的能量一部分转化为化学能，还有 0下应 一部分转化为内能。 W=为P=月边用t 3.电路中的能量转化 O=f府，P.fR边用十生 说明艺气路计算电机幼 电功计算：W=U 只有比光雄电活高是 传▣O.P。产。：排电电第 电路0.P>P 电功率计算：P=”= [思维点拨] 电路中的 焦耳定律：Q=PR 考虑能量守恒及能量 能量转化 热功率：P=PR 转化。 [规律方法]含电动 能量转化：纯电阻电路电流做功全部转化为热：非纯电阻电 机电路的功率计算 路电流做功一部分转化为热，一部分转化为其他 (1)电动机模型：如 类型电路中的能量转化及守恒 图所示，电动机由线 图电阻和其他元件组 典题3：直流电动机在生产和生活中有着广泛的应用，但是 成。电动机正常工 电动机启动瞬间，转子还未转动，电动机的启动电流很 作时，部分电压加在 大。为了减小启动电流，保护用电器，如图所示，将一线 线圈电阻上，大部分 圈电阻为「的电动机与电阻箱串联后接在电源电动势 电压加在其他元件上 E=8V,内阻r=1Ω的电源两端，电压表可以视为理想 用来将电能转化为机 表，现利用电动机竖直向上牵引一质量为m=0.1kg的物体，已知重力加 械能，此时电路为非 速度为g=10m/s2。调节电阻箱至R=17Ω后，闭合开关S,电动机转子稳 纯电阻电路，电动机 定转动时，物体以速度=0.6m/s匀速上升，电压表示数为U=3.4V。下 迪电但不工作时，电 列说法正确的是 压全部加在线图电阻 A.电动机的线圈电阻rM=72 上，此时电路为纯电 B.电动机转动稳定时，其输入电压为4V 阻电路。 C.电动机转动稳定时，其输出功率为6W --一一---==1 ○ D.调节电阻箱至R=172后，闭合开关S,电动机的启动电流为0.2A 线圈电阻其他元件 [思维点拨]·[规律方法] 115 跟踪训练3：小祝在家帮妈妈做家务劳动，她在擦拭油烟机时看到了上面 贴有如图所示的铭牌。她想测算出这台吸油烟机将电能转化为机械能的效 率。请你帮她分析一下，为达成这个目的，除了知道空气的密度，至少还应 (2)电动机的特性： 该再去获取的信息有 电动机是一钟非纯电 产品名称 吸油烟机 阻用电露，它把电能 转化为机械能和内 额定电压 220V- 能，在电路计算中， 额定频率 50 Hz 欧姆定律不再适用。 绝缘等级 E级 (3)输入功奉：电劫 机消耗的功季即总功 噪音 60 dB 奉P。=UI。 风量 13.5±1m3/min (4)输出功奉：电动 机做有用功的功奉， 额定输入总功率 230W 如图所示，P生=mg贸 A.吸油烟机排风口的直径D (设重物匀速上升)。 B.吸油烟机内腔的容积V C.吸油烟机排风口的直径D、吸油烟机内腔的容积V 工4电动机 D.吸油烟机的质量M、吸油烟机底部距离地面的高度H (5热功奉：电动机 跟踪训练4：如图1所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图2 线图上有电阻，电流 所示。在充电开始后的一段时间（内，充电宝的输出电压U、输出电流I可认 通过线图时要发热， 为是恒定不变的，设手机电池的内阻为「，则时间1内 热功奉P。=R。 (6)功率关养：P。 =P上+P热· 电 (7)电动机的效奉： 充电宝 P五x100%· 1 图1 图2 A充电宝输出的电功为！ B.充电宝产生的热功率为 C手机电池产生的焦耳热为号，D.手机电池储存的化学能为山+P 课堂效果反馈内化知识·对点验收 1.如图.电路中R,、R2是材料相同、上下表面为 A.通过R,的电流大于通过R2的电流 正方形的长方体导体，R,、R2厚度相同，R1的 B.R两端的电压大于R2两端的电压 上下表面的面积大于R,的上下表面的面积。 C.R,两端的电压等于R,两端的电压 闭合开关后，以下判断正确的是 D.R,的电功率小于R2的电功率 2.如图所示，把4个完全相同的灯接成如图所示 的a、b两个电路，两电路电源输出电压相同且 一定，调节变阻器R、R2使灯均正常发光，设 两个电路消耗的功率分别为P。、P,则() 116 4,小明发现摩托车启动过 程中，当电动机启动时， ① 摩托车的车灯会瞬时变 U 暗。如图所示为摩托车 A.4P.=P B.P.=4P 蓄电池供电简化电路图。若蓄电池的电动势 C.P <4P D.P >4P E=12V,内阻r=0.42,车灯的电阻R=22 3.微型螺旋桨型无人机 启动该车时，先接通开关S,打开车灯，再接通 电源电动势为E= 开关S,启动电动机，此刻测得流过蓄电池的 6V,内阻是r=12, 电流I=10A。在接通开关S,后，下列对电路 总质量为M=0.5kg, 电源对电动机供电. 的分析，正确的是 () 使螺旋桨高速水平旋转，带动无人机竖直匀速 A.蓄电池的路端电压，在开关S接通后比接 上升。若某次测试时，电源的输出功率等于该 通前大 电源对纯电阻电路供电时的最大输出功率，电 B.流过蓄电池的电流，在开关S,接通后比接 动机输出的机械功率占其总功率的60%，空气 通前小 阻力不计，重力加速度g取10m/s2。则无人机 C.开关S,接通前，车灯的功率为72W 匀速竖直上升的速度大小是 D.开关S,接通时，车灯的功率为32W A.1.08m/s B.2.16m/s C.4.32m/s D.1.8m/s 夯基提能作业 请同学们认真完成练案[16] 第2节 闭合电路的欧姆定律 核心素养 学习重点 (1)知道电源的作用及原理：知道电动势的概念和意义。 物理观念 (2)理解内、外电路的能量转化。 (3)理解闭合电路的欧姆定律。 理解电动势的概念， 知道公式中各物理量 (1)能根据闭合电路的欧姆定律解释路端电压与负载的 的舍义和单位。通过 关系。 科学思维 闭合电路的欧姆定律 (2)体会图像法在研究物理问题中的作用。 的理论推导过程，体 (3)知道欧姆表测电阻的原理。 验能量转化和守恒定 律在电路中的具体应 (1)经历闭合电路的欧姆定律的理论推导过程。 科学探究 (2)探究电源两端电压与电流的关系。 用。理解内、外电路 的能量转化。 科学态度 了解电源短路可能会带来的危害，加强安全用电意识。 与责任=0.2A.内阻的分压为V. 第十二章 阻箱的电压V-3.4V,电流/= 电能 能量守恒定律 U =I=0.2V.则电动机的输入电压为V. =E-V-V= 第1节 电路中的能量转化 4.4V.由P.=V./-fr.可得电动机的内阻r=70.电动 探究点1 机启动时,转子未转动,电动机为纯电阻元件,启动电流为/= 基础梳理 一、1.静电 电能 2.Uh 焦耳1 度 3.6x10] 跟踪训练3:A 想测算出这台吸油烟机将电能转化为机械能的 二、1.通电时间 效率,需要计算出吸油烟机的有用功,假设空气在排风管中获 2.1 得速度t.则在一分钟之内排除的空气的体积为V=t 3.瓦特 4.快慢 三、1.(1)电流的二次方 电阻 通电时间(2)fRt 2.(1)单位时间 [判断正误] (1)V(2)×(3)x(4)V(5)V(6)V 分钟,故还需要知道吸油烟机排风口的直径D,故A正确,B. 类型一 C.D错误。故选A。 典题1:A 电压表为理想电表,因此电压表的示数为电阻R。两 跟踪训练4:A 充电宝的输出电压为/、输出电流为/.所以时 端的电压,则有V:R+R{ 60 间:内充电宝输出的电功为W=UIt.故A正确;充电宝内的电 流也是/,但其内阻未知,所以无法判断充电宝产生的热功率, 确;电流表的示数为电路中的总电流,由欧姆定律可知/ B 100 故B错误;V是充电宝的输出电压,不是手机电池的内电压 +40+60A=1A.B错误;电压表为理想电表,则电阻 所以不能用:计算手机电池产生的焦耳热,手机电池产生 R. 两端的电压是零.C错误;由电功率公式,可得电阻R.消耗 的电功率为P。=V.I=60x1W=60W.D错误。故选A 的焦耳热应为/rt.故C错误;充电宝输出的电能一部分转化 跟踪训练1:B 设流过R. 的电流为7.则U.=IR. =107.V.= 为手机电池储存的化学能,一部分转化为手机电池产生的焦 耳热,故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为V -/frt.故D错误。故选A。 ## .得P:. ## 课堂效果反馈 正确;根据公式P- 1.C 由于两导体串联在电路中,因此两导体中电流一定相等,选 :1:1.故C.D错误。故选B 类型二 典题2:BC 保持S8.闭合,断开S.定值电阻被短路,抽油烟 -,则可知导体电阻与厚度a有关,与上下表面的面 机两端的电压为额定电压220V,抽油烟机处于“强吸”挡,故 A错误;保持S.S.闭合,断开S.,抽油烟机与定值电阻串联 积无关.因此R 的电阻等于R.的电阻:由V=R可知.R 两端 的电压等于R.两端的电压,选项B错误,C正确;二者电阻值 抽油烟机两端的电压小于额定电压,抽油烟机处于“弱吸 相等,由P-R可知,R.的电功率等于R。的电功率,选项D错 误。故选C。 2.B 令灯泡的额定电压与额定电流分别为V。、4.,则a电路中 干路电流为4/.消耗的功率为P. =4U/..b电路干路电流为 1W-1x20W=200W.故C正确;闭合S.$..若电动机被 1..消耗的功率为P.=U..可知P.=4P.故选B W=2420W> 3.A 电源对纯电阻供电,当外电阻等于电源内阻时,电源的输出 220W,故D错误。故选BC。 跟踪训练2:AD 电动机的输出功率等于输入功率减去线圈内 当电源对电动机供电时,电动机的输出功率为P=60%P.,飞 机匀速上升,有P=Mgr,解得v=1.08m/s.故选A。 4.D 在开关S.接通后,总电阻变小,总电流变大,内电压变大, 路端电压变小,流过车灯的电流变小,所以流过蓄电池的电流 探究点2 类型 2+0.4A=5A,车灯的功率为P.-1*R=50W,故C错误:开 12 典题3:A 电动机转子稳定时,输出功率P.=mgu=0.6W,电 -245- 关8.接通时.回路电流为/=10A.车灯两端电压为V=E- r 总电阻先大于后小于右部分的电阻,当变阻器的滑片P由 向5端移动时,总电阻先增大,后减小,所以总电流先减小后 增大,所以通过灯L。的电流先减小后增大,故L.先变暗后变 第2节 闭合电路的欧姆定律 亮,而通过L。的电流一直变大,L.不断变亮,A正确,B错误; 电容器C两端的电压V.=E-/(r+R。),总电流先减小后增 探究点1 大.所以电容器C两端的电压先增大后减小.则电容器极板所 基础梳理 带的电荷量先增大后减小,C错误;电源的效率n 1.非静电 负 正 电荷量 1C 负 正 2.E-W伏特(V)1V/C F=E 3.标量 后增大,所以电源的效率先增大后减小,D错误 电势 跟踪谢练3:ACD 4.其他形式的 由题图可知,VV.分别是RR.两端的电 5.非静电力 体积 外电路 压,电流表测通过这个电路的总电流,V.是路端电压,由欧姐 6.(1)电动势E(2)内阻/(3)容量 安·时(A·h) 毫 安·时(mA·h) 电路的欧姆定律有U.-E-1(R+r)(F、R 、均是定值). [判断正误] V (1)×(2)x(3)(4) 类型 典题1:BC 电动势是一个用比值定义的物理量,这个物理量的 大小与这两个相比的项没有关系,它是由电源本身决定的,是 表征电源把其他形式的能转化为电能本领强弱的物理量。电 动势和电势差尽管单位相同,但本质上是不相同的,故选BC 跟踪训练1:D 电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间 正确。 的电势差,若电源接入电路,由于电源的内电路有电势差,则 1类型二 电源两极间的电势差小于电动势,故A错误;根据W=El可 典题3:(1)0 8W (2)1.5O 6W(3)9W(4)3O 知,电源向外提供的电能多,不能说明电动势大,还与电源做 4w 功的时间、电路中的电流有关,故B错误;电动势是一个表征 电源特征的物理量,由电源的本身性质决定,与外电路无关。 故C错误:电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为 电能的装置,电源电动势反映了电源内部非静电力做功的本 和,是常量,而R是变量,故R最小时,P。最大,即R=0时, E*R 6x0.5w-8 w。 领,非静电力做功的本领越大,电源的电动势越大,故D正确 Pom.= (r)-1.50 故选D。 探究点2 (2)把保护电阻R. 与电源内阻r算在一起,当R=R。+r. 基础梳理 即R=0.5O+10=1.50时,电阻箱R消耗的功率最大, E Ps4f。)-4.5W=6 W。 1.(1)Elt (2)fRt fn (3)fRt+frt 6 2.(1)电动势 内、外电路的电阻之和 (3)U+U电势降落 [判断正误] R -+4r (1)V(2)x(3)V(4)x(5)x 类型一 典题2:AD 当照射到R。的光照强度减小时,R。的阻值增大 6 W=9W。 根据“串反并同”规律,与R。串联的电流表示数减小,A正确; 干路电流减小,由U.=Ir.可知内电压减小,V=E-U.,则路 (4)把R。=5O当作电源内阻的一部分,则等效电源内阻r 端电压增大,即电压表示数增大,B错误;干路电流减小.即流 为60.而电阻箱R的最大值为3O,小于60.由P= &2} (R_)_ 经R.的电流减小,R.两端电压减小,又知电压表示数增大 _-,可知当电阻箱R的电阻取 故R.两端电压增大,流经R。的电流增大,则流经灯泡的电流 R 30时,R消耗的功率最大,最大值为P=(1)R# 100%,电源的效率n增大,D正确。 跟踪训练2:A B。>R。时,灯L。与滑动变阻器的左部分串联的 -246-