5.1 电路中的能量（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

第一节　电路中的能量 课程内容要求 核心素养提炼 1.理解电功、电热及焦耳定律 2．能用焦耳定律解释生产、生活中的电热现象 1.物理观念：了解电流做功的实质，知道电功率的概念 2．科学思维：学会分析电路中能量转化的问题，知道焦耳定律和电功之间的关系 3．科学探究：通过电动机实例，探究电动机消耗的功率与输出功率及发热功率之间的关系 4．科学态度与责任：通过生活中用电常识，分析纯电阻元件和非纯电阻元件，利用焦耳定律解决生活中的问题 [对应学生用书P104] 一、电功和电功率 1．电功 (1)电流做功的实质：电流做功是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．自由电荷在静电力的作用下做定向移动，结果电荷的电势能(电能)减少，其他形式的能增加．电流做功的过程就是将电能转化为其他形式的能的过程． (2)公式的推导 由 电功W＝UIt W、I、U、t的单位分别为焦耳(J)、安培(A)、伏特(V)、秒(s)． 2．电功率 [判断] (1)电功与电能的单位是相同的，因此，电功就是电能．(×) (2)电流做的功越多，电功率越大．(×) (3)电流做功的过程实质上就是静电力对自由电荷做功的过程．(√) 二、焦耳定律 1．焦耳定律 (1)理论推导：对白炽灯、电炉等中的电热元件，电流做功时将电能全部转化为导体的内能，所以有Q＝W＝UIt，根据欧姆定律得U＝IR，代入上式后有Q＝I2Rt. (2)内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比． 2．热功率 3．电路中的能量转化 (1)电路中只有电阻(纯电阻电路)，电能完全转化为内能． (2)电路中除含有电阻外还含有其他负载(非纯电阻电路)，例如电动机电路中： ①能量转化：电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，一部分转化为内能． ②功率关系： a．P电＝P机＋P损 b．P电＝UI c．P损＝P热＝I2R [思考] 不同型号的白炽灯泡串联在电路中，它们的发光亮度会有明显差异，影响这个差异的主要参数是什么？该参数是如何影响灯泡亮度的？ 提示　电阻．串联电路中电流相同，所以电阻越大灯泡越亮． 三、闭合电路中的能量 1．电源输出电能：W＝Eq＝EIt. 2．外电路消耗的电能：Q外＝I2Rt. 3．内电路消耗的电能：Q内＝I2rt. 4．根据能量守恒定律，非静电力做的功应该等于内、外电路中电能转化为其他形式能的总和，即：W＝Q外＋Q内. [对应学生用书P105] 探究点一　电功与电热的比较 如图，电吹风和电熨斗都是通过电流做功进行工作的电器． (1)电吹风工作时，将电能转化为什么能？ (2)电熨斗工作时，将电能转化为什么能？ 提示　(1)电吹风工作时，将电能转化为机械能和内能． (2)电熨斗工作时，将电能转化为内能． 1．电功与电功率 电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．静电力对自由电荷做功的过程，就是电荷的电势能转化为其他形式的能的过程． (1)电功的计算公式：W＝UIt＝Pt. (2)电功的单位：在国际单位制中电功的单位是焦耳，常用单位还有“度”，1度＝1千瓦时＝3.6×106焦耳． (3)额定功率与实际功率 额定功率：用电器在额定电压下工作的功率； 实际功率：用电器在实际电压下工作的功率． 为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率． 2．焦耳定律 (1)推导：设导体的电阻为R，通过的电流为I，由欧姆定律可知，导体两端的电压U＝IR，又因为Q＝W＝UIt， 可得Q＝I2Rt. (2)注意：焦耳定律是实验规律，这里的推导过程只是为了方便大家理解． (3)在推导过程中用到Q＝W，即电热等于电功，但其实在非纯电阻电路中，焦耳定律依然成立． 如图，内阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的恒压电源两端，灯泡正常发光，则(　　) A．电解槽消耗的电功率为60 W B．电解槽的发热功率为60 W C．电解槽中将电能转化为化学能的功率为60 W D．整个电路消耗的总功率为60 W A　[由于灯泡正常发光，所以电解槽的电压为220 V－110 V＝110 V，由于电解槽和灯泡串联，它们的电流相等，所以I＝＝ A，所以电解槽的输入功率为P＝UI＝110× W＝60 W，所以选项A正确．电解槽的发热功率为P热＝I2r＝2×4.4 W≈1.3 W，所以选项B错误．电解槽中将电能转化为化学能的功率为P化＝P－P热＝(60－1.3) W＝58.7 W，所以选项C错误．电路消耗总功率为P总＝220 V× A＝120 W，所以选项D错误．] [题后总结] (1)电解槽是非纯电阻电路，电功率用P＝UI计算．电功率和热功率不相等，热功率只占很少一部分． (2)电解槽的热功率只能用P＝I2r计算，r为内阻． (3)电功率等于热功率与电能转化为化学能的功率之和，即P＝P热＋P化． [训练1]　(多选)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．计算某段时间电流通过电动机所做的功时可以用W＝UIt，也可以用W＝I2Rt＝t C．在包含电解槽的电路中，满足UI>I2R D．焦耳定律Q＝I2Rt适用于任何电路 CD　[电功率表示电流做功的快慢，电功率越大，说明电流做功越快，电流做功的过程是将电能转化为其他形式的能，不一定转化为热，A错误；W＝UIt适用于任何电路，W＝I2Rt＝ t只适用于纯电阻电路，电动机所在电路为非纯电阻电路，计算电功时只能用W＝UIt，B错误；非纯电阻电路中，UIt＝I2Rt＋E其他，所以UI>I2R，C正确；Q＝I2Rt是电热的计算式，适用于任何电路，D正确．] [训练2]　随着国家对环保的重视，作为清洁能源的电能在居民家庭的地位越来越重要，各种用电器随之进入家庭，如图所示为住着生活水平各不相同的12户居民的一幢居民楼，每户居民家中有各种不同的电器，例如：电炉、电视机、微波炉等，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选择的公式是(　　) A．P＝I2R　　　　　　 B．P＝ C．P＝UI D．P＝I2R＋ C　[家用电器中有纯电阻用电器，也有非纯电阻用电器，故计算总功率只能用P＝UI，C正确．] 探究点二　纯电阻电路和非纯电阻电路 如图是餐馆或其他公共场所常用的换气扇，思考以下几个问题： (1)换气扇是纯电阻电路还是非纯电阻电路？ (2)换气扇主要将电能转化为什么形式的能？ (3)换气扇工作时间过长时，为什么会发热？ 提示　(1)非纯电阻电路． (2)机械能． (3)换气扇线圈上有电阻，电流通过电阻会将电能转化为内能． 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． 2．非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能． 3．纯电阻电路和非纯电组电路的比较 电路 纯电阻电路 非纯电阻电路 举例 白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅 电动机、电解槽 能量转化情况 电功和电热的关系 W＝Q，即UIt＝I2Rt W＝Q＋E其他，UIt＝I2Rt＋E其他 电功率和热功率的关系 P＝P热，即IU＝I2R P＝P热＋P其他，即IU＝I2R＋P其他 欧姆定律是否成立 U＝IR，I＝，成立 U>IR，I<，不成立 4.说明 (1)W＝UIt、P电＝UI适用于任何电路计算电功和电功率． (2)Q＝I2Rt、P热＝I2R适用于任意电路计算电热和热功率． (3)只有纯电组电路满足W＝Q，P电＝P热；非纯电阻电路W>Q，P电>P热． 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． 解析　当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时，电动机停止工作，电动机中只有电动机的线圈电阻消耗电能，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＝Ir＝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. 答案　22.0 W　2 Ω [训练3]　如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为r＝1 Ω，电动机两端的电压为5 V，电路中的电流为1 A，物体A重20 N，不计摩擦力，求： (1)电动机线圈电阻上消耗的热功率； (2)电动机的输入功率和输出功率； (3)10 s内，可以把重物A匀速提升多高； (4)这台电动机的机械效率． 解析　(1)根据焦耳定律，热功率P热＝I2r＝12×1 W＝1 W. (2)电动机的输入功率P入＝UI＝5×1 W＝5 W，输出功率P出＝P入－P热＝5 W－1 W＝4 W. (3)电动机对外做功提升重物，电能转化为机械能，在10 s内P出t＝mgh，解得h＝＝ m＝2 m. (4)机械效率η＝＝80%. 答案　(1)1 W　(2)5 W　4 W　(3)2 m　(4)80% [训练4]　在如图所示的电路中，输入电压U恒为8 V，灯泡L标有“3 V　6 W”字样，电动机线圈的电阻RM＝1 Ω.若灯泡恰能正常发光，求： (1)整个电路消耗的电功率； (2)电动机的效率． 解析　(1)电路中的电流I＝＝ A＝2 A， 整个电路消耗的电功率P＝UI＝16 W. (2)电动机的输入电压UM＝U－UL＝5 V， 电动机的效率η＝＝60%. 答案　(1)16 W　(2)60% [对应学生用书P108] 1．(电功、电功率、焦耳定律的理解)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，电路中产生的热量一定越多 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 A　[电功率越大，表示电流做功越快，但是电路中产生的热量的多少还与做功的时间的长短有关，选项A错误；公式W＝UIt是计算电路的总功的大小，适用于任何的电路，当为纯电阻电路时，根据欧姆定律I＝，可以推导出W＝I2Rt，W＝t，所以W＝I2Rt，W＝t只能适用于纯电阻电路，选项B正确；在不是纯电阻的电路中，UI表示的是总功率，而I2R只是电路的发热功率，还有对外做功的功率，所以UI>I2R，所以选项C正确；焦耳定律公式Q＝I2Rt适用于任何电路中的热量的计算，选项D正确．] 2．(电路中的能量转化)额定电压、额定功率相同的电风扇、电烙铁和日光灯，各自在额定电压下工作了相同时间，比较它们产生的热量，结果是(　　) A．电风扇最多 B．电烙铁最多 C．日光灯最多 D．一样多 B　[电风扇、电烙铁和日光灯的额定电压、额定功率相同，相同时间内消耗的电能相等，而电风扇消耗的电能大部分转化为机械能，日光灯消耗的电能大部分转化为光能，电烙铁消耗的电能全部转化为内能，所以电烙铁产生的热量最多，B正确．] 3．(焦耳定律的应用)通过电阻R的电流为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流为，则在时间t内产生的热量为(　　) A．4Q B．2Q C. D. C　[根据Q＝I2Rt得，电阻变为原来的2倍，电流变为原来的，时间不变，则热量变为原来的，选项C正确．] 4．(含电动机电路)一台小型电动机在6 V电压下正常工作，用此电动机提升重为10 N的物体时，在10 s内使该物体在竖直方向匀速上升了1.1 m，上述过程中，通过电动机的电流为0.2 A．不计除电动机线圈生热外的其他能量损失．求： (1)电动机输出的机械功率； (2)电动机线圈的电阻． 解析　(1)物体做匀速直线运动，则拉力F＝G＝10 N，物体上升的速度v＝＝ m/s＝0.11 m/s， 电动机输出的机械功率为P机＝Fv＝10×0.11 W＝1.1 W. (2)电动机的输入功率为P入＝UI＝0.2×6 W＝1.2 W，根据能量关系得P入＝P机＋PQ， 则电动机的热功率为PQ＝P入－P机＝1.2 W－1.1 W＝0.1 W， 又PQ＝I2R，得线圈的电阻为R＝2.5 Ω. 答案　(1)1.1 W　(2)2.5 Ω 学科网（北京）股份有限公司 $$