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 第 1 节 电路中的能量 教学目标 1. 理解电功的概念， 理解电功的公式，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. 用电器通电后，可以将电能转化成其他形式的能量，下面两个常见的用电器，请同学们说明其能量的转化情况. 常 见 的 用 电 器 用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程.电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢?本节课我们学习关于电功和电功率的知识. 新课引入 电场力做功就是W=qU= IUt 　　 在时间t内通过这段电路任一横截面的电荷量为q=It 讨论与交流 如图所示，假设在一段导体两端加上电压U后，导体内的自由电荷在电场力的作用下定向移动，形成电流I。电流通过导体做的电功与什么因素有关? 1．电功 (1) 定义： 在一段电路中电场力所做的功，也就是通常所说的电流所做的功． (2) 表达式： W＝qU＝UIt 电流在一段电路中所做的功W等于这段电路中的电流 I 、电路两端的电压U、通电时间 t 三者的乘积． 电功是电能转化为其他形式能的量度. (3)电功的作用： (4)电功的单位： 焦耳(J) 千瓦时(kW·h) 1kW·h＝3.6×106J 一、电功和电功率 2．电功率． (1)定义：电流所做的功跟完成这些功所用时间的比值叫做电功率． (2)表达式：P＝＝UI (3)单位：瓦特，符号W. (4)物理意义：表示电流做功的快慢． （电功率普适公式） 电流在一段电路上做功的功率P等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积． P＝和P＝UI 两式的意义相同吗？ P＝ 适用于计算所有功率 P＝UI只适用于电功率 ►讨论与交流 为什么用电器通电后会发热呢？ 电烙铁 电熨斗 在真空中，电场力对电荷做正功时，减少的电势能转化为电荷的动能；在金属导体中，在电场力作用下做加速运动的自由电子频繁地与离子碰撞，把定向移动的动能传给离子，使离子热运动加剧，将电能全部转化为内能。 电流通过纯电阻元件产生的热量与哪些因素有关呢？ 用数据采集器、温度传感器、焦耳定律实验器、学生电源、导线、煤油（或色拉油）、计算机等实验器材，按如图所示的实验原理图连接电路 二、焦耳定律 观察与思考 (1)用注射器在焦耳定律实验器的三个测温有机玻璃管中注入等量的煤油(或色拉油)，将电阻R1、R2、R3分别插入有机玻璃管中，再分别插入三个温度传感器探头，如图所示 (2)将三个温度传感器与数据采集器连接。 (3)把焦耳定律实验器接入学生电源，电压调至6~9V，设置采样时间为10s，每隔10s自动采集一组温度数据 (4)采集数据3~5min，停止采集数据，关闭电源。 (5)以时间t为横轴，传感器测量温度T为纵轴，分别画出三个温度传感器温度随时间变化的图线 (6)分别对三组数据进行处理得到三条图线温度T分别与哪些因素有关? 上述实验表明，煤油(或色拉油)的温度与通过电阻的电流I、电阻的阻值R及通电时间t有关。 因此，电流通过电阻元件产生的热量与电流I、电阻R和时间t有关，那么它们之间具体有什么关系呢？ 电流的热效应 电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关呢? 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 1．焦耳定律． (1)内容：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比． (2)表达式：Q＝I2Rt （电热普适公式) (3)适用范围：Q＝I2Rt可求任何电路中电流I通过电阻R时产生的热量(电热)． (4)实质：电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为内能． 2．热功率． 电流通过导体发热的功率．热功率也是电能转化为内能的功率. (1)定义： (2)表达式 （热功率普适公式) P＝ 计算的是电功率 P＝I2R计算的是热功率 当用电器是纯电阻时，电功率与热功率相等 当用电器是非纯电阻，电功率大于热功率。比如电动机，电功率等于热功率加机械功率 P＝和P＝I2R两式的意义相同吗？两者在什么情况下相等？ ►讨论与交流 （1）在时间t内外电路中有多少电能转化为内能？ Q外=I2R t （2）在时间 t 内，内电路中电流做功产生的热为多少？ Q内=I2 r t （3）电流流经电源时，在时间t内非静电力做多少功？ W=Eq＝ EIt 设电源电动势为 E ，内阻为 r，外电路的用电器都是纯电阻 ，阻值为 R ，闭合电路的电流为 I。从能量转化方面考虑。 三、闭合电路中的能量 W = Q外+ Q内 即 EIt = I 2Rt ＋I 2 rt 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的能的总和。 EI = I 2R ＋I 2 r 闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的体现。 （4）根据能量守恒定律，以上各能量之间有什么关系？ 发生短路时：EI =I 2 r，电源释放的能量全部在内电路中转化为内能，危险！容易损坏电源，甚至可能引起火灾。 例1.一个电动机，线圈电阻是0.4 Ω，当它两端所加的电压为220V时，通过的电流是5A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少? 解：电动机消耗的电功率P电、电动机的发热功率P热、转化为机械能的功率P机 根据能量守恒定律: P电＝P热+P机 由焦耳定律知，电动机的热功率为P热 ＝I2R=10W 消耗的电功率为P电＝UI=1100W P机＝P电－P热＝IU－I2R=1090W 典例分析 收集新型电热器的资料，了解其发热原理. 空气能热水器工作原理是什么？ 通过压缩机系统运转工作，吸收空气中热量制造热水。 与空调机的制冷原理相同，是空调的反用。 优点：空气能热水器主要向空气要热能，具有太阳能热水器节能、环保、安全的优点，又解决了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的问题。 ►实践与拓展 一、电功和电功率 1、电功：在一段电路中电场力所做的功，就是电流所做的功，简称电功。 定义式：W=UIt （适用于一切电路） 2、电功率：单位时间内电流所做的功叫做电功率。 定义式：P=UI （适用于一切电路） 二、焦耳定律 Q=I2 R t 1、焦耳定律： （适用一切电路） 2、热功率 ： （适用一切电路） 三、闭合电路中的能量 EI=U外I +U内I. 本课小结 1.下列关于电功的说法中，错误的是（　 ） A．导体内电场力移送电荷所做的功叫做电功 B．电流做功的过程，就是电能转化为其他形式的能的过程 C．电流做功消耗的能量，由电源来供给 D．电功就是电能 D 跟踪练习 2.理发用的电吹风机中有电动机和电热丝，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，得到热风将头发吹干，设电动机线圈的电阻为R1，它与电热丝的电阻R2相串联，接到直流电源上，电吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的电功率为P，有（ 　） A．IU>P B．P=I2(R1+R2) C．IU=P D．P>I2(R1+R2) CD 3．微型吸尘器的直流电动机的内阻一定，为1 Ω，当加在它两端的电压为2.0 V时，电流为0.8 A，且能正常工作．求： (1)它的额定输入功率多大？ (2)工作时由导线发热损失的功率多大？ (3)它的最大输出功率多大？ 解析：电动机正常工作时是非纯电阻电路 (1)额定输入功率P额＝UI＝2×0.8 W＝1.6 W (2)电动机发热功率P热＝I2R＝(0.8)2×1 W＝0.64 W (3)根据能的转化与守恒，电动机的最大输出功率P出＝P额－P热＝0.96 W. 答案：(1)1.6 W　(2)0.64 W　(3)0.96 W 4.如图所示的电路中，电炉电阻R＝10 Ω，电动机线圈的电阻r＝1 Ω，电路两端电压U＝100 V，电流表的示数为30 A，问通过电动机的电流强度为多少？通电一分钟，电动机做的有用功为多少？ 解析 ：通过电炉的电流强度为I1＝ ＝10 A. 通过电动机的电流强度为I2＝I－I1＝20 A. 电动机的总功率为P＝UI2＝100×20 W＝2×103 W. 因发热而损耗的功率为P′＝I22r＝400 W. 电动机的有用功率(机械功率)为P″＝P－P′＝1.6×103 W， 电动机通电1 min做的有用功为W＝P″t＝1.6×103×60 J＝9.6×104 J. 答案：20 A　9.6×104 J 谢谢 大家 $$