学年高中物理第二章直流电路第6节焦耳定律电路中的能量转化教学案教科版选修310124146正式版.docx

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学年高中物理第二章直流电路第6节焦耳定律电路中的能量转化教学案教科版选修310124146正式版

第6节焦耳定律__电路中的能量转化

1．电功是指电场力移动电荷所做的功，其大小为

W＝UIt。

2．电功率指单位时间内电流所做的功，表达式为

P＝IU，表示电流做功的快慢。

3．焦耳定律的表达式为Q＝I2Rt，热功率的表达

式P热＝I2R，两式可用于任何电路。

4．电源工作时，把其他形式的能转化为电能的

功率为IE，等于电源输出功率IU和电源内部

的热功率I2r之和。

5．在纯电阻电路中：

W＝Q即：

W＝IUt＝I2Rt＝

t；在非纯电阻电路中：

W＞Q。

一、电功　电功率

1．电功

（1）定义：

电场力移动电荷所做的功。

（2）大小：

等于这段电路两端的电压U与电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。

（3）公式：

W＝UIt。

（4）国际单位：

焦耳，符号J。

（5）意义：

电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电流做了多少功，表明就有多少电能转化为其他形式的能。

即电功是电能转化为其他形式的能的量度。

2．电功率

（1）定义：

电流所做的功与做这些功所用时间的比值，即单位时间内电流所做的功。

（2）公式：

P＝＝UI。

（3）国际单位：

瓦特。

符号：

W。

（4）大小：

一段电路上的电功率P等于这段电路两端的电压和电路中电流I的乘积。

（5）意义：

表示电流做功的快慢。

二、焦耳定律　热功率

1．焦耳定律

（1）内容：

电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比。

（2）公式：

Q＝I2Rt。

2．焦耳热

电流通过电阻而产生的热量。

3．热功率

（1）定义：

电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值。

即单位时间内电阻通电所产生的热量。

（2）公式：

P热＝＝I2R。

4．焦耳热的应用与危害

（1）应用：

利用电流的热效应来加热、烘干物体，如电烙铁、电烤箱、电暖气、电炉、电饭锅、电熨斗等。

（2）危害：

①减少用电器的使用寿命。

②烧坏用电器甚至引起火灾。

三、电路中的能量转化

1．电源内部的能量转化

在电源内部，通过各种作用将其他形式的能转化为电能。

2．电路中的能量转化

（1）纯电阻电路中：

P电＝P热。

（2）在非纯电阻电路中：

P电＝P热＋P其他。

3．闭合电路的功率分析

（1）公式表达：

由闭合电路欧姆定律可得IE＝IU＋I2r。

（2）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。

1．自主思考——判一判

（1）电功越大，电功率就越大。

（×）

（2）只有纯电阻电路中，电热的表达式是Q＝I2Rt。

（×）

（3）非纯电阻电路中，电热的表达式是Q＝I2Rt。

（√）

（4）电动机工作时，消耗的电能大于产生的电热。

（√）

（5）电源的功率越大，其输出功率越大。

（×）

2．合作探究——议一议

（1）根据我们的生活、生产经验列举一些常见的用电器，并说明电能主要转化为什么能？

提示：

①电灯，把电能转化为光能。

②电热毯、电熨斗、电饭煲、电热水器，把电能转化为内能（热能）。

③电动机，把电能转化为机械能。

④电解槽，把电能转化为化学能。

（2）用电器铭牌上所标的功率有何意义？

提示：

用电器铭牌上所标功率指的是用电器的额定功率，即用电器能长时间正常工作时的最大功率，用电器实际工作时，其功率不一定等于额定功率，一般要小于或等于额定功率。

（3）电功率与热功率的含义分别是什么，计算公式分别是什么？

提示：

电功率是指某段电路的全部电功率，或这段电路上消耗的全部电功率，计算公式P＝IU；热功率是指在这段电路上因发热而消耗的功率，计算公式P＝I2R。

（4）对一个电动势为E和内电阻一定的电源，在对外供电的过程中，什么情况下电源的总功率最大？

什么情况下电源内部的发热功率最大？

提示：

由P总＝IE，P内＝I2r可知，当流过电源的电流最大时，即回路中电阻值最小时，电源的总功率和电源内部的发热功率最大。

电功、电功率的计算

1．串、并联电路中的功率关系

串联电路

并联电路

功率分配

＝

＝

功率关系

P＝P1＋P2＋…＋Pn

P＝P1＋P2＋…＋Pn

2．额定功率和实际功率

（1）用电器正常工作时所消耗的功率叫做额定功率。

当用电器两端电压达到额定电压U额时，电流达到额定电流I额，电功率也达到额定功率P额，且P额＝U额I额。

（2）用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率。

为了使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大于其额定功率。

[典例]　额定电压都是110V，额定功率P甲＝100W，P乙＝40W的电灯两盏，若接在电压是220V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是（　　）

[思路点拨]

⇒⇒

[解析]　对灯泡有P＝UI＝，可知：

R甲U甲，且有U乙>110V，乙灯被烧毁，U甲<110V不能正常发光，A错误。

对于B电路，由于R乙>R甲，甲灯又并联变阻器，并联电阻更小于R乙，所以U乙>U并，乙灯被烧毁。

对于C电路，乙灯与变阻器并联电阻可能等于R甲，所以可能U甲＝U乙＝110V，两灯可以正常发光。

对于D电路，若变阻器的有效电阻等于甲、乙的并联电阻，则U甲＝U乙＝110V，两灯可以正常发光。

比较C、D两个电路，由于C电路中变阻器功率为（I甲－I乙）×110，而D电路中变阻器功率为（I甲＋I乙）×110，所以C电路消耗电功率最小。

[答案]　C

1．当电阻两端加上某一稳定电压时，通过该电阻的电荷量为0.3C，消耗的电能为0.9J。

为在相同时间内使0.6C的电荷量通过该电阻，在其两端需加的电压和消耗的电能分别是（　　）

A．3V　1.8J　　　　　　　　B．3V　3.6J

C．6V　1.8JD．6V　3.6J

解析：

选D　设两次加在电阻R上的电压分别为U1和U2，通电的时间都为t。

由公式W1＝U1q1和W1＝t可得：

U1＝3V，＝0.1s·Ω－1。

再由W2＝U2q2和W2＝t可求出：

U2＝6V，W2＝3.6J，故选项D正确。

2．一只规格为“220V　2000W”的电炉，它在正常工作时的电阻是多少？

若电网电压为200V，电炉工作时的实际功率是多少？

在220V电压下，如果平均每天使用电炉2h，求此电炉一个月（按30天计算）要消耗多少度电？

解析：

设电炉的电阻为R，由P＝得

R＝＝Ω＝24.2Ω

当电压为U′＝200V时，电炉的实际功率为

P′＝＝W≈1653W

在220V的电压下，该电炉一个月消耗的电能为

W＝Pt＝2×2×30kW·h＝120kW·h。

答案：

24.2Ω　1653W　120度

电功与电热的区别和联系

1．纯电阻电路与非纯电阻电路对比

纯电阻电路

非纯电阻电路

元件特点

电路中只有电阻元件

除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的用电器

欧姆定律

服从欧姆定律I＝

不服从欧姆定律

U＞IR或I＜

能量转化

电流做功全部转化为内能

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

2．电功与电热

（1）纯电阻电路：

W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t，

P电＝P热＝UI＝I2R＝。

（2）非纯电阻电路：

电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，W＞Q；电功率P＝UI，热功率P热＝I2R，P＞P热。

[特别提醒]　在非纯电阻电路中，只能用W＝UIt和P＝UI计算电功和电功率；Q＝I2Rt及P热＝I2R计算电热和热功率。

而且W≠t，P≠，Q≠t，P热≠。

[典例]　规格为“220V　36W”的排气扇，线圈电阻为40Ω，求：

（1）接上220V的电压后，求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；

（2）如果接上220V的电压后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率。

[审题指导]

第一步　抓关键点

关键点

获取信息

排气扇规格为“220V，36W”接220V电压

电压和功率均达到额定值

线圈电阻40Ω

可根据“220V,36W”

求出I，从而求出P热

接上电源，电动机不转

电路转化为纯电阻电路

第二步　找突破口

（1）额定电压下，电流可据I＝求出。

（2）机械功率可通过P机＝P电－P热求出。

（3）电动机不工作时，220V电压全加在40Ω电阻上，电动机此时即为“电阻”。

[解析]　

（1）排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为：

I＝＝A≈0.16A，

发热功率为：

P热＝I2R＝（0.16）2×40W≈1W。

转化为机械能的功率为：

P机＝P－P热＝36W－1W＝35W。

（2）扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为

I′＝＝A＝5.5A，

电动机消耗的功率即发热功率：

P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5W＝1210W。

[答案]　

（1）35W　1W　

（2）1210W　1210W

电动机的功率问题

（1）功率关系：

P入＝P机＋P热，即IU＝P机＋I2R。

（2）电动机的效率：

η＝。

（3）当电动机被卡不转动时相当于一个纯电阻电路。

1．一直流电动机线圈内阻一定，用手握住转轴使其不能转动，在线圈两端加电压为0.3V时，电流为0.3A。

松开转轴，在线圈两端加电压为2V时，电流为0.8A，电动机正常工作。

求该电动机正常工作时，输入的电功率是多少？

电动机的机械功率是多少？

解析：

电动机不转动时，其消耗的电功全部转化为内能，故可视为纯电阻电路，由欧姆定律得电动机线圈内阻：

r＝＝Ω＝1Ω。

电动机转动时，消耗的电能转化为内能和机械能，其输入的电功率为P入＝I1U1＝0.8×2W＝1.6W。

电动机的机械功率P机＝P入－Ir＝（1.6－0.82×1）W＝0.96W。

答案：

1.6W　0.96W

2.如图261所示，一台直流电动机所加电压为110V，通过的电流为5A。

该电动机在10s内把一个质量为50kg的物体匀速提高了9m，求电动机的电功率和电动机线圈的电阻（不计摩擦，g取10m/s2）。

图261

解析：

电功率：

P＝UI＝110×5W＝550W

电动机做功的过程就是把电能转化为机械能和内能的过程。

机械能：

E＝mgh＝50×10×9J＝4500J

内能：

Q＝W－E＝Pt－E＝（550×10－4500）J＝1000J

由焦耳定律Q＝I2Rt，得：

R＝＝Ω＝4Ω。

答案：

550W　4Ω

闭合电路中的功率问题

1．电源的有关功率和电源的效率。

（1）电源的总功率：

P总＝IE。

（2）电源的输出功率：

P出＝IU。

（3）电源内部的发热功率：

P内＝I2r。

（4）三者关系：

P总＝P出＋P内。

（5）电源的效率：

η＝＝，对于纯电阻电路，η＝。

2．纯电阻电路中输出功率与外电阻的关系：

P出＝I2R＝R＝

＝。

（1）当R＝r时，电源有最大输出功率P出max＝。

（2）输出功率P出与外电阻R的图像分析。

图262

①当R＝r时，输出功率最大，P出＝。

②当Rr时，若R增大，则P出减小。

③除R＝r外，图像上总有两点输出功率P出相等，如图中R1与R2，则有：

2×R1＝2×R2

整理得：

R1R2＝r2。

[典例]　如图263所示，已知电源的电动势为E，内阻r＝2