2.8 焦耳定律 电路中的能量转化（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（教科版2019）

第8节　焦耳定律　电路中的能量转化 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.理解电功的概念和公式，能进行有关的计算。 2．理解电功率的概念和公式，能进行有关的计算。 3．知道电功率和热功率的区别和联系。 4．通过推导电功和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律。 　　通过推导电功和焦耳定律，提高综合应用知识解决问题的能力。 　　通过联系生活中的电热水壶、电动机、蓄电池等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。 一、电功　电功率 1．电功(W) (1)电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U与电路中的电流I、通过时间t三者的乘积。 (2)表达式：W＝UIt。 (3)单位：国际单位制中：焦耳(J)。 (4)实质：导体中的电场力做功。 2．电功率(P) (1)定义：电流所做的功W与做这些功所用时间t的比。 (2)表达式：P＝＝UI。 (3)单位：国际单位制中：瓦特(W)。 (4)物理意义：表示电流做功的快慢。 3．额定功率和实际功率 用电器在额定电压下正常工作时所消耗的功率是额定功率，用电器在实际电压下工作的功率是实际功率。 二、焦耳定律　热功率 1．焦耳定律：电流通过电阻产生的热量Q跟电流I的二次方成正比、跟导体的电阻R成正比、跟通电时间t成正比。 表达式：Q＝I2Rt。 2．热功率：指电路中因发热而消耗的功率。 表达式：P＝I2R。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)电功率越大，电流做功越快，单位时间内电路中产生的焦耳热就越多。(　　√　　) (2)在电路中能用W＝UIt求某用电器的电功，就能用W＝I2Rt或W＝t求该用电器的电功。(　　×　　) (3)在纯电阻的电路中，电流的电功率等于热功率。(　　√　　) (4)焦耳热Q＝I2Rt只适用于纯电阻电路。(　　√　　) (5)在任何电路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，但W不一定等于Q。(　　√　　) (6)W＝UIt在任何电路中成立，Q＝I2Rt只在纯电阻电路中成立。(　　√　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 探究点一___电路中的能量转化 在日常生活中，经常会用到家用小电器，例如电吹风、电熨斗等，它们都会分为几挡，像电吹风可以吹暖风和热风。它们都是通过电流做功把电能转化为热能的。 [问题设计] (1)电流做功的实质是什么？ 提示：因电流是自由电荷在电场力作用下定向移动形成的，电流做功实质上是导体中恒定电场对自由电荷的电场力做功。 (2)设加在一段电路两端的电压为U，通过电路的电流为I，试推导t时间内电流做功的表达式及电功率的表达式。 提示：t时间内通过电路的总电荷量q＝It，电场力移动电荷做功W＝qU，故t时间内电流做功W＝UIt。又因为P＝，可得P＝UI。 1．电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少量。 2．电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功。 3．电功率P＝＝IU，表示电流做功的快慢。 【例1】 额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W的灯泡两盏，若接在电压为220 V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是(　　) C　解析：判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是额定电压，或电流是否是额定电流，对灯泡有P＝UI＝，可知RA＜RB。对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，B灯被烧毁或A灯不能正常发光。对于B电路，由于RB＞RA，A灯又并联滑动变阻器，并联电阻小于RB，所以UB＞U并，B灯被烧毁或A灯不能正常发光。对于C电路，B灯与滑动变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光。对于D电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光。比较C、D两个电路，由于C电路中滑动变阻器功率为(IA－IB)×110 V，而D电路中滑动变阻器功率为(IA＋IB)×110 V，所以C电路消耗电功率最小。 [练1] 如图所示，R1＝6 Ω，R2＝3 Ω，R3＝4 Ω接入电路后，关于这三只电阻的判断正确的是(　　) A．功率之比是P1∶P2∶P3＝1∶2∶6 B．电压之比是U1∶U2∶U3＝1∶2∶2 C．电流之比是I1∶I2∶I3＝4∶3∶6 D．功率之比是P1∶P2∶P3＝6∶3∶4 A　解析：电阻R1与R2并联后再与R3串联，并联电阻为R12＝＝2 Ω，并联电路各支路两端电压相等，串联电路电压之比等于电阻之比，有U并∶U3＝R12∶R3＝2∶4＝1∶2，可得U1∶U2∶U3＝1∶1∶2，B错误；串联电路中电流处处相等，并联电路电流之比等于电阻的反比，故＝＝，因为I3＝I1＋I2，所以有I1∶I2∶I3＝1∶2∶3，C错误；根据电功率公式P＝UI，有P1∶P2∶P3＝U1I1∶U2I2∶U3I3＝1∶2∶6，A正确，D错误。 探究点二___焦耳定律和热功率 　 [问题设计] (1)某同学家中有一只电炉，电阻为50 Ω，试计算该电炉接到220 V电源上在100秒的时间内消耗的电能和产生的热量。 提示：I＝，W＝UIt＝U··t＝t＝96 800 J，Q＝W＝96 800 J。 (2)某同学家中有一电风扇，电阻为80 Ω，当加上220 V的电压时电流为0.25 A，试计算该风扇工作100秒时间消耗的电能和产生的热量。 提示：W＝UIt＝5 500 J，Q＝I2Rt＝500 J。 (3)通过上面的计算比较消耗的电能和产生的热量之间的关系。 提示：电炉消耗的电能和产生的热量相等。电风扇消耗的电能和产生的热量不相等。 1．纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能。W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t；P＝P热＝UI＝I2R＝。 2．非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路。W＝UIt＝Q＋E其他>Q＝I2Rt；P＝UI＝P热＋P其他>P热＝I2R。 【例2】 一台电动机内阻为1 Ω，接到120 V的电源上。当电动机工作时，电流为10 A。问： (1)电动机输入功率是多少？ (2)电动机发热功率是多少？ (3)输出的机械功率是多少？ 答案：(1)1 200 W　(2)100 W　(3)1 100 W 解析：(1)电动机的输入功率P电＝UI＝120×10 W＝1 200 W。 (2)电动机的发热功率P热＝I2r＝102×1 W＝100 W。 (3)输出的机械功率P机＝P电－P热＝1 200 W－100 W＝1 100 W。 [练2] 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． C． D．P－ C　解析：电动机工作时把电能转化为机械能和内能，消耗的电能为W＝UIt。根据焦耳定律，用电器的电阻会消耗电能转化为内能，大小等于Q＝I2rt，电动机消耗的电功率P＝UI，电路中的电流为I＝，电流在时间t内释放的热量为Q＝I2rt＝()2rt，发热功率为P′＝＝()2r；电动机工作时放出内能与机械能之和等于消耗的电能，输出的机械功率为P－。C正确。 探究点三___闭合电路中的功率 [问题设计] 根据闭合电路的欧姆定律，推导闭合电路中能量的转化关系，并解释各项的物理意义。 提示：根据E＝U内＋U外可得EI＝U内I＋U外I，式中EI表示电源提供的电功率，U外I表示外电路上消耗的电功率；U内I表示内电路上消耗的电功率。 1．闭合电路中的能量转化关系：EI＝U内I＋U外I，对于纯电阻电路该式可写为EI＝I2r＋I2R。电动势反映了电源把其他形式的能转化为电能的能力。 2．电源的效率η＝×100%＝×100%。 【例3】 如图所示的电路中，电源电动势E＝10 V，内阻r＝0.5 Ω，电动机的电阻R0＝1.0 Ω，电阻R1＝1.5 Ω。电动机正常工作时，电压表的示数U1＝3.0 V，求： (1)电源释放的电功率； (2)电动机消耗的电功率和将电能转化为机械能的功率； (3)电源的输出功率和效率。 答案：(1)20 W　(2)12 W　8 W　(3)18 W　90% 解析：(1)电动机正常工作时，总电流为I＝＝ A＝2 A， 电源释放的电功率为P释＝EI＝10×2 W＝20 W。 (2)电动机两端的电压为U＝E－Ir－U1＝(10－2×0.5－3.0)V＝6 V 电动机消耗的电功率为：P电＝UI＝6×2 W＝12 W 电动机的热功率为：P热＝I2R0＝22×1 W＝4 W 根据能量守恒定律，电动机将电能转化为机械能的功率P机＝P电－P热＝12 W－4 W＝8 W。 (3)电源的输出功率为P出＝P释－P内＝P释－I2r＝(20－22×0.5)W＝18 W， η＝×100%＝×100%＝90%。 [练3] (多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是(　　) 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 BCD　解析：电功率公式P＝，表示电功率越大，电流做功越快。对于一段电路，有P＝IU，I＝，焦耳热Q＝Pt，可见Q与t也有关，所以P越大，Q不一定越大，A错；W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝只适用于纯电阻电路，B对；在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C对；Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对。 1．(多选)关于电功，下列说法正确的有(　　) A．电功的实质是电场力所做的功 B．电流做功一定是电能全部转化为内能 C．电场力做功是电能转化为其他形式能量的量度 D．电流通过电动机时的电功率和热功率相等 AC　解析：所谓电流做功，实际上是导体中恒定电场对自由电荷的静电力在做功，自由电荷在静电力作用下沿静电力的方向做定向移动，结果电荷的电势能减小，其他形式的能增加，电场力做了多少功，就有多少能量发生了转化，在纯电阻电路中电功率与热功率相等，非纯电阻电路中不相等。A、C正确，B、D错误。 2．(多选)对计算任何用电器的电功率都适用的公式是(　　) A．P＝I2R B．P＝ C．P＝UI D．P＝ CD　解析：公式P＝I2R、P＝适用于纯电阻电路，而P＝UI、P＝对计算任何用电器的电功率都适用，A、B错误，C、D正确。 3．某学习小组用如下电路研究小电动机的电流与电压关系。通过调节滑动变阻器R接入电路的阻值，测量得到下表记录的信息。若认为小电动机的电阻是不变的，则(　　) 序号 电压U/V 电流I/A 电动机工作状态 1 1.25 0.50 卡住未转动 2 2.00 0.20 稳定转动 3 3.5 0.30 稳定转动 A.小电动机的电阻大约为10 Ω B．当小电动机的电压为2.00 V时，其发热功率为0.1 W C．当小电动机的电压为2.00 V时，其电功率为0.3 W D．当小电动机的电压为3.5 V时，其对外做功的功率为1.05 W B　解析：将电压表当作理想电压表，当小电动机的电压为1.25 V时，电动机卡住未转动，电功率等于内阻发热功率UI＝I2r，将第一组数据代入可解得r＝2.5 Ω，A错误；当小电动机的电压为2.00 V时，电流是0.20 A，由P＝I2r得其发热功率为0.1 W，B正确；当小电动机的电压为2.00 V时，其电功率P＝UI＝2×0.2 W＝0.4 W，C错误；当小电动机的电压为3.5 V时，其对外做功的功率P出＝UI－I2r＝3.5×0.3 W－0.32×2.5 W＝0.825 W，D错误。 [课时梯级训练(22)见P179] 学科网（北京）股份有限公司 $$