5.1 电路中的能量 课件 -2024-2025学年高二上学期物理粤教版（2019）必修第三册

第五章　电能与能源的可持续发展 电路中的能量 理解电功、电热、电功率、热功率的概念，知道它们的区别与联系 会分析纯电阻与非纯电阻电路，并能进行有关计算 重点 重难点 1 2 理解闭合电路中的能量转化关系 3 重难点 现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、 电热水壶、电动汽车等。那么，你知道这些用电器中的能量是通过什么途径转化的吗? 通过电流做功来实现，即导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。 导入 电功和电功率 一 注意单位： W(J) ＝ U(V)I(A)t(s) 如图所示，在导体两端加上电压U后，导体中自由电荷在电场力作用下定向移动，形成电流I，请思考在t时间段内，通过某横截面的电量为多大？电场力做了多少功？ 电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率(electric power),用P表示 注意单位： P (W)＝ U(V)I(A) 由P＝ P＝UI (1)定义：电路中________对自由电荷所做的功称为电功，电功的大小等于被消耗的电能。 (2)公式：W＝_____。 (3)单位：在国际单位制中，电功的单位是_____，符号为J。 (4)意义：电功是电能转化为其他形式的能的量度，即电功是多少就有多少电能转化为其他形式的能. 1.电功 电场力 UIt 焦耳 2.电功率 (1)定义：电流做功与完成这些功所用_____之比叫作电功率，用P表示。 (2)公式：P＝ ＝_____。 (3)单位：在国际单位制中，电功率的单位是_____，符号为____。常用的单位还有kW,1 kW＝1 000 W。 (4)意义：表示电流做功的_____。 时间 UI 瓦特 W 快慢 (5)额定功率：额定功率是指用电器在额定电压下正常工作时所消耗的功率，此时流经用电器的电流就是它的额定电流。 用电器在实际使用时，若加在它两端的实际电压不等于额定电压，那么它消耗的实际功率不等于额定功率，因此，在计算用电器的实际功率时，要注意两者的区别。 (1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做的功。 (　　) (2)电流做功过程是电能转化为其他形式能的过程，电功的大小等于电能的减少量。(　　) (3)电功W＝Uq＝UIt对任何电路都适用。(　　) (4)电功率越大，表示电流做功越多。(　　) √ √ √ × × √ 易错辨析 我们常说的月耗电量为100度，其中“度” 表示什么物理意义？100度是多少焦耳？ 答案　“度”是能量单位，1度＝1 kW·h＝3.6×106 J 100度＝100×3.6×106 J＝3.6×108 J。 讨论与交流 1.(2024·广州市高二期中)现有标有“110 V　40 W”的灯泡L1和标有“110 V　100 W”的灯泡L2及一只最大阻值为500 Ω的滑动变阻器R，将它们接在220 V的电路中，在如图所示的几种接法中，两个灯泡可以正常发光，且整个电路消耗功率最小的是 √ 例题 (1)无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率都等于各部分消耗的功率之和。 总结提升 焦耳定律 二 初中我们就学过，能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转化问题。 电流通过电热水器中的电热元件做功时，电能全部转 化为导体的内能。 设热水器两端电压为U，电流为I，通电时间为t，能产生多生热量？ 电流在这段电路中做的功W等于这段电路产生的热量Q，即Q=W=IUt 由欧姆定律 U=IR，得热量Q的表达式Q＝I2Rt 焦耳定律和热功率 1.焦耳定律 (1)内容：电流通过导体产生的热量与_____________成正比，与_______ _____及_________成正比。 (2)表达式：Q＝______。 2.热功率 (1)定义：一段电路因发热而消耗的功率称为热功率。 (2)公式：P＝____。纯电阻电路上的热功率P＝I2R。 电流的二次方 导体的 电阻 通电时间 I2Rt 2.(2024·佛山市高二期中)如图所示为一电热壶玩具的加热装置电路图，加热电阻丝R2＝2 Ω，电源电动势E＝16 V，内阻r＝1 Ω。当把电阻R1调节为13 Ω时，则 A.此时加热电阻丝的电压为16 V B.此时加热电阻丝的热功率为2 W C.此时电路的电流为2 A D.如果想使同样一壶水在更短时间内烧开，应把电阻R1调大些 √ 例题 3.(多选)(2024·江门市高二期中)电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧开前的加热状态，另一种是锅内水烧开后的保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，S是用感温材料制成的开关。下列说法中正确的是 A.其中R2是供加热用的电阻丝； B.当开关S断开时电饭锅为加热状态，S接通时 为保温状态； √ √ 电功和电热的关系 三 焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况，但是实际中有些电路除含有电阻外还含有其他负载，如电动机.下面我们以电动机为例，讨论其能量转化. 没有，不成立.因为电能只有部分转化为机械能，另一部分转化为内能。 1.电流通过电动机做功，将电能全部转化成机械能了吗？ 即“P机＝P电”成立吗？为什么？ 2.若电路中的电流为I，电动机线圈的电阻为R，则P热 等于什么？ P热＝I2R P电＝P机＋P热 3.电功率、热功率和转化为机械能的功率三者什么关系？ 纯电阻: 电能 → 内能 非纯电阻: 电能 → 内能 + 机械能或化学能 Q=I2Rt W=UIt = W W - Q Q UIt I2Rt ＞ 电功率 = 热功率：P =P热 = UI = I2R 电功率：P=UI 热功率：P热=I2R 输出功率：P其它=UI-I2R 说明：欧姆定律适用于纯电阻！ 注意：欧姆定律不适用于非纯电阻！ R M (1)电功W＝UIt在任何电路中都适用，Q＝I2Rt只在纯电阻电路中适用。 (　　) (2)电热Q＝I2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热。 (　　) (3)任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，且W＝Q。(　　) × √ × 易错辨析 4.(2024·广州市高二期中)一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A，通过洗衣机电动机的电流是0.5 A，则下列说法中正确的是 A.电饭煲的电阻为44 Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω B.电饭煲消耗的电功率为1 555 W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W C.1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J，洗衣机电动机消耗的电能为 6.6×103 J D.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍 √ 例题 电功、电热的计算方法 1.判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器。 2.分析各用电器之间的连接方式，对纯电阻电路，计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路的分流特点。 3.由所求问题选取合适的公式，在非纯电阻电路中计算电功只能用W＝UIt，计算电热只能用Q＝I2Rt，欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用。 4.对于含电动机的电路，电动机转动时是非纯电阻用电器，电动机卡住不转动时是纯电阻用电器。 总结提升 5.(多选)(2024·东莞市高二期末)如图所示的电路中，输入电压U恒为12 V，灯泡L上标有“6 V　12 W”字样，电动机线圈的电阻RM＝0.50 Ω。若灯泡恰能正常发光，下列说法中正确的是 A.电路电流为12 A B.电动机的输入功率为12 W C.用电动机匀速提升10 N重物速率为1 m/s D.整个电路消耗的电功率84 W √ √ 例题 电动机两端的电压U与IRM有什么关系？试根据公式讨论说明。 答案　本题中电动机两端电压UM＝5 V IRM＝1×1 V＝1 V 数据显示UM>IRM 公式讨论：因为PM＝UI＝I2RM＋E其他 即UI>I2RM 故U>IRM。 拓展 纯电阻电路和非纯电阻电路的比较   纯电阻电路 非纯电阻电路 能量转化情况     电功和电热的关系 W＝Q W＝Q＋E其他 即UIt＝I2Rt＋E其他 电功率和热功率的关系 P＝P热 P＝P热＋P其他 即IU＝I2R＋P其他 欧姆定律是否适用 总结提升 闭合电路的能量 四 1.电路中的能量转化 电源通过非静电力做功把其他形式的能转化为电能，在电路中通过电流做功把电源提供的电能一部分消耗在外电路上，转化为其他形式的能；另一部分消耗在内阻上，转化为内能。 2.闭合电路的能量转化遵守能量守恒定律，表达式有两种形式：EI＝U外I＋U内I和EIt＝U外It＋U内It。 (1)EI表示电源提供的电功率。 (2)U外I和U内I分别表示外电路和内电路上消耗的电功率。 (1)太阳能电池的内阻r； (2)电动机的效率η； (3)若电动机的转子被卡住了，此时电热丝消耗的功率P′。 6.(2024·广东省高二月考)“祝融号”火星车的动力主要来源于太阳能电池。现将“祝融号”的动力供电电路简化如图，其中太阳能电池电动势E＝120 V，内阻r未知，电动机线圈电阻rM＝1.6 Ω，电热丝定值电阻R＝4 Ω，当火星车正常行驶时，电动机两端电压UM＝80 V，电热丝R消耗功率P＝100 W。求： 答案　(1) 4 Ω　 (2) 90%　 (3) 625 W 　　 例题 (1)对电热丝，有P＝I2R 解得回路电流为I＝5 A 根据闭合回路能量转化与守恒有EI＝I2r＋UMI＋I2R 解得电源的内阻为r＝4 Ω 解得η＝90% 电热丝上消耗的功率P′＝I′2R＝625 W。 电路中的能量 一、电功和电功率 四、闭合电路的能量 二、焦耳定律 三、电功和电热的关系 D图中灯L2与滑动变阻器并联，总电阻小于L2的电阻，所以灯L2两端的电压小于灯L1两端的电压，图中L1、L2一定不会同时正常发光，故D错误； 由并联电路电压相等特点可知B图中L1、L2电压相等，两灯可以正常发光，P总＝2(P1＋P2)； C图中L1与滑动变阻器并联，总电阻小于L1的阻值，可能与L2的阻值相等，则两灯可以正常发光，P总′＝2P2，所以P总>P总′，所以消耗功率最小的是C图电路，故选C。 此时加热电阻丝的电压为UR2＝IR2＝1×2 V＝2 V， 故A错误； 此时加热电阻丝的热功率为P＝I2R2＝2 W，故B正确； 由Q＝W＝Pt可知如果想使同样一壶水在更短时间内烧开，应调节电阻R1，使加热电阻丝的热功率变大，由P热＝I′2R2，可知应把电路中电流调大，即应把电阻R1调小些，故D错误。 电动机的输入功率为P＝I(U－UL)＝12 W，故B正确； 电动机的发热功率P热＝I2RM＝(2 A)2×0.5 Ω＝2 W，电动机的输出功率P输出＝P－P热＝12 W－2 W＝10 W，用电动机匀速提升10 N重物时电动机对重物的牵引力F＝G＝10 N，牵引力的功率即电动机的输出功率P输出＝Fv，解得v＝1 m/s，C正确； 整个电路消耗的电功率P总＝IU＝24 W，故D错误。 Lavf58.20.100 根据电流的定义式I＝可知q＝It；电场力做功W＝qU＝UIt。 eq \f(W,t) (5)由公式P＝可知，时间越短，功率越大。(　　) (6)电功率P＝＝UI对任何电路都适用。(　　) (2)串、并联电路的功率分配：串联时电流相同，由P＝I2R可知，P与R成正比；并联时电压相同，由P＝可知，P与R成反比。 (3)最大功率求法：先找出电路允许通过的最大电流或允许加的最大电压，然后利用P＝I2R或P＝求解。 C.要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，应为2∶1； D.要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，应为(－1)∶1 不适用，U>IR，I< 即IUt＝I2Rt＝t 即IU＝I2R＝ 适用，U＝IR，I＝ (2)电动机的效率为η＝×100% (3)电动机的转子被卡住，回路电流为I′＝＝12.5 A L1(110 V　40 W)和L2(110 V　100 W)的额定电压相同，由P＝可知R1>R2，A图中由串联电路电流相等，两灯的电压不相等，可知图中L1、L2一定不会同时正常发光，故A错误； 由闭合电路欧姆定律可得此时电路的电流为I＝ ＝ A＝1 A，故C错误； 如图所示，根据P＝，当接通开关S时，电阻 变小，功率变大，处于加热状态，当断开开关S 时，电阻变大，功率变小，处于保温状态，则R2 是供加热用的电阻丝，接通开关S时，处于加热状态，断开开关S时，处于保温状态，故B错误，A正确； 要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，根据P＝I2R可知，R2在保温状态时和加热状态时的电流值比＝，根据I＝可知＝，解得＝，故C错误，D正确。 由于电饭煲是纯电阻元件，所以R1＝＝44 Ω，P1＝UI1＝1 100 W，其在1 min内消耗的电能W1＝UI1t＝6.6×104 J，洗衣机为非纯电阻元件，所以R2≠，P2＝UI2＝110 W，其在1 min内消耗的电能W2＝UI2t＝6.6×103 J，洗衣机电动机的热功率P热≠P2，所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍。故选C。 对灯泡，由P＝UI可得，电路电流I＝IL＝＝ ＝2 A，故A错误； $$