2.8焦耳定律 电路中的能量转化 2.9家庭电路 课件-2025-2026学年高二上学期物理教科版必修第三册

physics 第二章 电路及其应用 知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别，并能进行有关计算 02 理解电功、电功率、电热、热功率的概念，知道它们的区别和联系 01 理解电路中的能量转化关系 03 重点 重难点 了解安全用电和节约用电常识。 04 重难点 电功、电功率 01 现代生活中常见的用电器有电灯、电热水壶等。你知道这些用电器中的能量是通过什么途径转化的吗？ 电灯 电能 内能和光能 电炉 电动机 电解槽 机械能和内能 化学能和内能 电能 电能 电能 内能 公司logo 公司logo 情境导入 W=qU q=It 电流做功的实质：恒定电场对自由电荷的静电力作正功，电势能减小，其它形式的能增加。 (1)定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。 (2)计算公式：W = qU= UIt W=UIt 适用一切电路 电功 电路中电荷定向移动的示意图 公司logo 公司logo 核心知识 (4)意义：量度电能转化为其它形式的能的多少。 标量 (3)单位： J(焦耳) 1kW· h =3.6×106 J (5)决定因素：电功与通过用电器的电量(通过用电器的电流和通电时间)和用电器两端的电压成正比。 电功 公司logo 公司logo 核心知识 不同用电器做功的快慢不同，如何描述电流做功的快慢？ (1)定义：单位时间内电流所做的功 (2)公式： P = = UI 标量 (3)单位： W(瓦特) 1 kW=103 W 1 W=1 J/s 电功率 适用一切电路 比值定义法 公司logo 公司logo 核心知识 (4)额定功率：用电器在额定电压下的功率(铭牌上标出的功率) (5)实际功率：用电器在实际电压下的功率 用电器正常工作时电压(铭牌上标出的电压) 用电器实际工作时的电压 电功率 公司logo 公司logo 核心知识 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。 公司logo 公司logo 讨论交流 (1)电功率越大，表示电流做功越多。(　　) (2)由公式P=可知，时间越短，功率越大。(　　) × × 辨析 1. (来自教材)三个阻值相同，但允许消耗的最大功率不同的电阻如图所示连接，各自允许消耗的最大功率分别是10 W、10 W、4 W。电路工作时，求它们实际消耗的功率之比。 答案　4∶1∶1 两并联电阻的阻值相同，电压相同，根据P=则功率相同；根据串并联规 律，左侧电阻通过的电流是右侧任一电阻通过的电流的两倍，根据P=I2R，则功率是两并联电阻的4倍，故它们实际消耗的功率之比为4∶1∶1。 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电阻消耗的功率之和。 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。 公司logo 公司logo 总结提升 焦耳定律、热功率 02 公司logo 公司logo 情境导入 (1)内容：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。 焦耳定律 (2)表达式： Q=I2Rt 公司logo 公司logo 核心知识 (1)定义：电流通过电阻所产生的热量Q与产生这些热量所用时间t的比，它在数值上等于单位时间内电流通过电阻所产生的热量。 P热=I2R (电流发热的功率) 热功率 (2) 公式：P热=I2R 公司logo 公司logo 核心知识 用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？ 答案　通电导线跟电炉丝是串联在一起的，通过它们的电流相等，而电炉丝的电阻比导线的电阻要大得多。由焦耳定律Q=I2Rt知，在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热量要少得多。 公司logo 公司logo 讨论交流 2.两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B并联在电路中，A的长度为2L，直径为d；B的长度为L，直径为2d，那么通电后，A、B在相同的时间内产生的热量之比为 A.QA∶QB=1∶8 B.QA∶QB=8∶1 C.QA∶QB=1∶2 D.QA∶QB=4∶1 √ 例题 电阻丝A、B的长度之比为2∶1，直径之比为1∶2，则横截面积之比为1∶4，根据电阻定律R=ρ知，电阻之比为8∶1，电阻丝A、B并联在电路中，电压相同，根据I=可得电阻丝A、B中的电流之比为IA∶IB=1∶8，根据Q=I2Rt可知电阻丝A、B在相同的时间内产生的热量之比为QA∶QB=1∶8，故选A。 3.(多选)(2024·巴中市高二期末)如图所示是电饭锅的电路原理图，R1是定值电阻，R2是加热用的电热丝。电饭锅工作时有两种状态，当自动开关S闭合时为锅的加热状态；当自动开关S断开时为保温状态。若要使R2在保温状态下的功率是加热状态的四分之一，不考虑电阻随温度的变化，则R2在保温状态下的电压U1与加热状态下的电压U2之比及R1、R2的电阻值之比，分别为 A.U1∶U2=1∶1 B.U1∶U2=1∶2 C.R1∶R2=(-1)∶1 D.R1∶R2=1∶1 √ √ 例题 在加热状态下P加热=， 在保温状态下P保温=R2， P加热=4P保温，解得R1∶R2=1∶1， 根据串联电路的分压原理，可知S断开后， 两个电阻的电压相等，则U1=， 加热状态的电压U2=U， 可得U1∶U2=1∶2，故选B、D。 电路中的能量转化 03 电熨斗工作时，将电能转化为什么能？电吹风工作时，将电能转化为什么能？ 电熨斗工作时，将电能转化为内能。电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能。 公司logo 公司logo 情境导入 纯电阻电路: 电能 → 内能 Q W 非纯电阻电路: 电能 → 内能和其它形式的能 W W其+Q 欧姆定律不适用于非纯电阻电路 IUt I2Rt ＞ 指某段电路在某段时间内消耗的全部电能 指转化为内能的那部分电能! M = IUt I2Rt 公司logo 公司logo 核心知识 纯电阻电路: 非纯电阻电路: 电功 = 电热: 电功率=热功率： 电功：W= IUt 电热：Q=I2Rt 电功率：P电 = IU 热功率：P热=I2R M 公司logo 公司logo 核心知识 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件特点 电路中只有电阻元件 电路中除电阻外，还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器 欧姆定律 适用，I= 不适用，I< 能量转化 电流做功全部转化为电热即电能全部转化为导体的内能 电流做功除转化为内能外还要转化为其他形式的能 元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯等 电动机、电解槽等 公司logo 公司logo 核心知识 实质：能量守恒定律在闭合电路中的具体体现。 闭合电路中的能量转化 闭合电路中能量：EI=IU+I2r 物理意义：电源把其他形式的能量转化为电能的功率IE，等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和。 公司logo 公司logo 核心知识 (1)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。 (　　) (2)任何电路中的电功W=UIt，电热Q=I2Rt，且W=Q。(　　) (3)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。 (　　) (4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈电阻产生的电热。(　　) √ × × √ 辨析 4.(来自教材改编)有一个直流电动机，其线圈电阻r=0.5 Ω，若在电动机两端加上2.0 V的电压，电动机正常工作，工作电流是1.0 A。求该电动机在1 min内： (1)电源输入给电动机的功率为多少？ (2)电动机消耗的电能为多少？ (3)电动机线圈产生的热量为多少？ (4)电动机有多少电能转化为机械能？ 答案　 (1) 2 W　 (2) 120 J　 (3) 30 J　 (4) 90 J 例题 (3)产生的热量为Q=I2rt=1.02×0.5×60 J=30 J (1)电源输入给电动机的功率为P=IU=1×2 W=2 W (2)电动机消耗的电能为E=Pt=2×60 J=120 J (4)电动机电能转化为机械能为ΔE=E-Q=90 J。 5.(2024·凉山州高二期末)某实验小组拆下一个小电风扇的电动机，他们把它接入某电路(图中未画出)，发现它不转动，用电压表测得它两端的电压U0=0.3 V，流过它的电流I0=0.3 A。该小组又设计了如图所示的实验电路，已知电源的电动势E=10 V，内阻 r=1 Ω。小灯泡的额定电压U=2 V，额定功率P=2 W。闭合开关S，调节电阻箱的阻值，当R=2 Ω时，灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，根据以上信息，可知 A.电动机线圈的电阻为5 Ω B.电动机正常工作时输出功率为5 W C.电源的效率为80% D.电动机被突然卡住(未烧坏)时的发热功率为 W √ 例题 电动机两端电压为0.3 V，电流为0.3 A时，电动机不转动，根据欧姆定律有RM==1 Ω，故A错误；当 R=2 Ω时，灯泡恰好正常发光，则电路电流为I1==1 A，电动机两端电压为U1=E-U-I1(r+R)=5 V，电动机正常工作时输出功率为P输=U1I1-RM=4 W，故B错误；电源的效率为η=×100%=90%，故C错误；灯泡电阻为RL==2 Ω，电动机被突然卡住(未烧坏)时，根据闭合电路欧姆定律有I2== A此时电动机的发热功率为P'=RM= W，故D正确。 电动机电路的分析与计算 1.当电动机正常工作时，要注意分清电功和电热的关系，电动机消耗的电能也就是电流做的功W=UIt，电动机产生的内能必须用Q=I2Rt来求。另外，还要注意能量守恒定律的应用，即W=Q+E(E为其他形式的能)或P电=P机+P热，其中P电=UI，P热=I2R，P机为机械功率。 2.当电动机被卡住时，非纯电阻电路转变为纯电阻电路，电动机消耗的电能全部转化为电动机产生的内能，W=Q，即UIt=I2Rt。 公司logo 公司logo 总结提升 安全用电、节约用电 04 (1)安装可靠的接地线。 (2)过载保护与漏电保护。 1.安全用电 (1)尽量使用节能的用电器。 (2)合理使用空调。 (3)较长时间不使用的电器，请关闭电源。 2.节约用电 公司logo 公司logo 核心知识 3.不同规格铜芯导线允许通过的电流 横截面积/mm2 直径/mm 25 ℃时的载流量/A 1.5 1.38 18 2.5 1.78 26 4 2.25 38 6 2.76 44 10 1.30×7 80 公司logo 公司logo 核心知识 (1)发现有人触电，该怎样施救？ 答案　应先切断电源开关，使触电者脱离电源后再进行抢救。 (2)列举家庭电路中的安全防护措施。 答案　①安装可靠的地线，②过载保护，③漏电保护。 公司logo 公司logo 讨论交流 6.(来自教材)小明经过一番努力，终于把家里的主要电器工作时消耗的电功率情况基本摸清：空调柜机2 800 W，挂机1 200 W×2，微波炉1 500 W，电磁炉2 000 W，洗衣机300 W，电冰箱120 W，电视机100 W×2，台式电脑150 W，照明灯具130 W，其他不常用的如电熨斗、电吹风、吸尘器等未计入。请计算一下，他家的主输电线的横截面积应该选用多大的？ 答案　6 mm2 上述所有用电器同时启动时消耗的总功率P=9 600 W，干路的电流I== A=43.6 A，从上表中查到，应该使用横截面积为6 mm2的铜导线。 例题 电路中的 能量转化 电功率 P=UI 做功的快慢 电功 W=UIt (适用于一切电路) 焦耳 定律 电热：Q=I2Rt 热功率：P热=I2R 能量 转化 P电=P机+P热 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! $这是两个透明容器，橡胶软管的两端分别与容器和U型玻璃管紧密相连，其中密封有等量空气，两个容器中各装有一段电阻丝，当电流通过电阻丝时产生的热量加热容器内的空气，空气膨胀会使U型管中液面的高度发生变化，电流产生的热量越多，U型管中液面高度的变化就越大。实验一，在两个密闭容器中分别装有一段五欧和10欧的电阻丝，将两段电阻丝串联后接到电源两端，闭合开关，此时通过两段电阻丝的电流相等，观察两个U型管中液面高度的变化。可以观察到在通电时间相同的情况下，十欧电阻丝对应的U型管中液面升高的更高。也就是说十欧电阻丝所在的密闭容器内空气的温度升高的更多，说明十欧电阻丝产生的热量更多。这个实验表明，在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大产生的热量越多。实验2，两个密闭容器中各有一段十欧的电阻丝，在右侧容器的外部将另一段十欧的电阻丝和容器内的电阻丝并联。如图连接电路闭合开关，此时通过两容器中电阻的电流不相等，观察两个U型管中液面高度的变化。可以观察到在通电时间相同的情况下，左侧容器对应的U型管中液面升高的更高。这表明在电阻相同通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，这个电阻产生的热量就越多。从实验中我们还可以观察到，通电时间越长，U型管中液面升高的越高，说明产生的热量越多。综合以上实验，我们可以总结出，电流通过导体产生的热量跟导体的电阻、电流大小和通电时间有关。