201x201X学年高中物理 第二章 直流电路 第8讲 焦耳定律 电路中的能量转化学案 教科版选修.docx
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201x201X学年高中物理第二章直流电路第8讲焦耳定律电路中的能量转化学案教科版选修
第8讲焦耳定律电路中的能量转化
[目标定位] 1.知道并理解电功、电功率的概念,并能利用公式进行有关计算.2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系.3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别.4.明确闭合电路中的功率及能量转化.
一、电功和电功率
1.电功
(1)定义:
电场力移动电荷所做的功.
(2)定义式:
W=UIt.
(3)单位:
国际单位制:
焦耳,符号:
J.
(4)实质:
电能转化为其他形式的能.
(5)适用条件:
任何电路.
2.电功率
电流所做的功与做这些功所用时间的比值.
(1)定义:
单位时间内电流所做的功.
(2)公式:
P=
=IU.
(3)单位:
国际单位制:
瓦特,符号:
W.
(4)物理意义:
表示电流做功的快慢.
(5)适用条件:
任何电路.
深度思考
(1)两个电阻串联,功率和电阻存在什么关系?
(2)两个电阻并联,功率和电阻存在什么关系?
答案
(1)由P=I2R知,串联电阻的功率与电阻成正比.
(2)由P=
知,并联电阻的功率与电阻成反比.
例1
将两个定值电阻R1、R2并联在电压为U的电源两端,R1消耗的功率为P1,R2消耗的功率为3
P1,当把它们串联在电压为4U的电源两端时,下列说法正确的是( )
A.R1两端的电压为U
B.R2消耗的功率变小
C.通过R2的电流变小
D.两个电阻消耗的总功率为12P1
解析 当R1、R2并联在电压为U的电源两端时,两电阻两端的电压为U,根据P=IU,功率之比等于电流之比,根据并联电路电流和电阻的关系,可知:
R1=3R2;当把它们串联在电压为4U的电源两端时,电路中的电流I=
=
,故通过R2的电流不变,电压不变,所以R2的电功率不变,仍为3P1,故B、C错误;R1两端的电压U1=IR1=
×3R2=3U,故A错误;两个电阻消耗的总功率P=U′I=4U·
=12P1,故D正确.
答案 D
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)表达式:
Q=I2Rt.
(3)焦耳热:
电流通过电阻而产生的热量.
(4)适用条件:
任何电路.
2.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)表达式:
P热=
=I2R.
(3)适用条件:
任何电路.
深度思考
电风扇、电冰箱消耗的电能等于I2Rt吗?
电风扇、电冰箱消耗的电能转化成什么形式的能量?
答案 不等于;电风扇、电冰箱消耗电能没有全部转化为热能,有大部分转化为机械能,小部分转化为电热.
例2
一台电动机,额定电压为100V,电阻为1Ω.正常工作时,通过的电流为5A,则电动机因发热损失的功率为( )
A.500WB.25W
C.1000WD.475W
解析 电动机的热功率P热=I2r=52×1W=25W,B正确,A、C、D错误.
答案 B
三、电路中的能量转化
1.电源是将其他形式的能转化为电能的装置,电源转化为电能的功率IE,等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和,即:
IE=IU+I2r.
2.纯电阻电路和非纯电阻电路
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即IUt=I2Rt=
t
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IUt=I2R+P其他
欧姆定律是否成立
U=IR I=
成立
U>IR I<
不成立
例3
如图1所示的电路中,电源电压为60V,内阻不计,电阻R=2Ω,电动机的内阻R0=1.6Ω,电压表的示数为50V,电动机正常工作,求电动机的输出功率.
图1
解析 电动机正常工作时,电动机两端的电压U0=50V,此时通过电路中的电流:
I=
=
=5A,电动机的输出功率P出=U0I-I2R0=210W.
答案 210W
电动机的功率
电动机的总功率(输入功率):
P入=UI
电动机的热功率P热=I2r.
电动机的输出功率(机械功率):
P出=UI-I2r
电动机的效率:
η=
=
=1-
.
说明:
注意区分电动机的几种功率,从能量守恒角度去分析和考虑电动机问题.
例4
如图2所示的电路中,电源电动势E=10V,内阻r=0.5Ω,电动机的电阻R0=1.0Ω,定值电阻R1=1.5Ω.电动机正常工作时,电压表的示数U1=3.0V,求:
图2
(1)电源释放的电功率;
(2)电动机消耗的电功率及将电能转化为机械能的功率;
(3)电源的输出功率.
解析
(1)电动机正常工作时,总电流为I=
=
A=2A,电源释放的电功率为P释=EI=10×2W=20W.
(2)电动机两端的电压为U=E-Ir-U1=(10-2×0.5-3.0)V=6V.
电动机消耗的电功率为:
P电=UI=6×2W=12W.
电动机消耗的热功率为:
P热=I2R0=22×1.0W=4W.
根据能量守恒得
P机=P电-P热=(12-4)W=8W.
(3)电源的输出功率为
P出=P释-P内=P释-I2r
=(20-22×0.5)W=18W.
答案
(1)20W
(2)12W 8W (3)18W
1.(电功和电功率)(多选)如图3所示,把四个相同的灯泡接成甲、乙两种电路后,灯泡都正常发光,且两个电路的总功率相等.则下列对这两个电路中的U甲、U乙、R甲、R乙之间的关系的说法,正确的是( )
图3
A.U甲>2U乙B.U甲=2U乙
C.R甲=4R乙D.R甲=2R乙
答案 BC
解析 设灯泡的电阻为R,正常发光时电流为I,电压为U,由于两个电路的总功率相等,P=U甲I=U乙·2I,得U甲=2U乙;又由U甲=2U+IR甲,U乙=U+2IR乙,得R甲=4R
乙,故正确答案为B、C.
2.(焦耳定律)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.4QB.2Q
C.
D.
答案 C
解析 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
,C正确.
3.(焦耳定律和热功率)一台电动机,额定电压为100V,电阻为1Ω.正常工作时,通过的电流为5A,则电动机因发热损失的功率为( )
A.500WB.25W
C.1000WD.475W
答案 B
解析 电动机的热功率P热=I2r=52×1W=25W,B正确,A、C、D错误.
4.(闭合电路中的能量转化)如图4所示,电源电动势E=30V,内阻r=1Ω,灯泡上标有“6V 12W”字样,直流电动机线圈电阻R=2Ω,若灯泡恰好能正常发光,求电动机输出的机械功率.
图4
答案 36W
解析 因灯泡正常发光,所以I=
=
A=2A
U内=Ir=2×1V=2V
所以电动机两端电压为
UM=E-U内-U=30V-2V-6V=22V
电动机输出的机械功率为
P机=UMI-I2R=22×2W-22×2W=36W.
题组一 对电功、电功率的理解和计算
1.(多选)关于电功,下列说法中正确的有( )
A.电功的实质是静电力所做的功
B.电功是电能转化为其他形式能的量度
C.静电力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大
D.电流通过电动机时的电功率和热功率相等
答案 AB
2.两个精制电阻,用锰铜电阻丝绕制而成,电阻上分别标有“100Ω 10W”和“20Ω 40W”,则它们的额定电流之比为( )
A.
∶5B.
∶20C.
∶10D.1∶2000
答案 C
解析 由公式P=I2R得:
I=
,所以I1∶I2=
∶10.
3.电压都是110V,额定功率PA=100W,PB=40W的灯泡两盏,若接在电压为220V的电路上,使两盏灯泡均能正常发光,且消耗功率最小的电路是( )
答案 C
解析 判断灯泡能否正常发光,就要判断电压是否是额定电压,或电流是否是额定电流,对灯泡有
P=IU=
,可知RA<RB.
对于A电路,由于RA<RB,所以UB>UA,且有UB>110V,B灯被烧毁,UA<110V,A灯不能正常发光.
对于B电路,由于RB>RA,A灯又并联变阻器,并联电阻更小于RB,所以UB>U并,B灯被烧毁.
对于C电路,B灯与变阻器并联电阻可能等于RA,所以可能UA=UB=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A、B的并联电阻,则UA=UB=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(IA-IB)×110V,而D电路中变阻器功率为(IA+IB)×110V,所以C电路消耗电功率最小.
4.两盏额定功率相同的灯泡A和B,其额定电压UA>UB,则下列说法正确的是( )
A.两灯正常发光时,灯泡的电流IA>IB
B.两灯电阻RA C.将两灯串联后接入电路中发光时,则灯泡的功率PA D.将两灯并联后接入电路中发光时,则灯泡的功率PA′ 答案 D 解析 由P= 可知RA>RB,由P=IU可知额定电流IA 两灯串联后,由串联电路的功率分配关系可知P∝R,所以PA>PB,故C错误; 两灯并联后,由并联电路的功率分配关系可知P∝ ,所以PA′ 5.用稳压电源和三根电阻丝R1、R2、R3来加热一桶水,三根电阻丝采用如图所示的几种连接方式,则供热最快的是( ) 答案 B 解析 A选项总电阻为R1+R2+R3,B选项的总电阻小于R1、R2、R3三个电阻的任何一个电阻 ,C选项的总电阻大于R3,D选项的总电阻大于R1,可知B选项的总电阻最小,根据P= 知,电功率最大,供热最快.故B正确. 题组二 焦耳定律的理解 非纯电阻电路计算 6.(多选)关于四个公式①P=IU;②P=I2R;③P= ;④P= ,下列叙述正确的是( ) A.公式①④适用于任何电路的电功率的计算 B.公式②适用于任何电路的热功率的计算 C.公式①②③适用于任何电路电功率的计算 D.以上均不正确 答案 AB 解析 P=IU、P= 适用于任何电路的电功率的计算,而P=I2R、P= 只适用于纯电阻电路的电功率的计算,故A正确,C、D错误.P=I2R适用于任何电路的热功率的计算,P=IU、P= 只适用于纯电阻电路的热功率的计算,故B正确. 7.额定电压、额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯,各自在额定电压下正常工作了相同的时间.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 答案 B 解析 在三种用电器中,只有电烙铁能将电能全部转化为内能,电风扇将部分电能转化为机械能,日光灯将部分电能转化为光能,故B选项正确. 8.有一内阻为4.4Ω的电解槽和一盏标有“110V 60W”的灯泡串联后接在电压为220V的直流电路两端,灯泡正常发光,则( ) A.电解槽消耗的电功率为120W B.电解槽消耗的电功率为60W C.电解槽的发热功率为60W D.电路消耗的总功率为60W 答案 B 解析 灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110V电压,且流过电解槽的电流I=I灯= A= A,则电解槽消耗的电功率P=IU=P灯=60W,A选项错误,B选项正确;电解槽的发热功率P热=I2r≈1.3W,C选项错误;电路消耗的总功率P总=IU总= ×220W=120W,D选项错误. 9.(多选)如图1所示,电阻R1=20Ω,电动机线圈的电阻R2=10Ω.当开关断开时,电流表的示数是0.5A,当开关闭合后,电动机转动起来,电路两端的电压不变,电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是( ) 图1 A.I=1.5AB.I<1.5A C.P=15WD.P<15W 答案 BD 解析 电路两端的电压为: U=I1R1=0.5A×20Ω=10V.电动机是非纯电阻用电器,UI2>I R2,所以I2< =1A.电流表的示数I=I1+I2<1.5A,A错误,B正确.电路总功率为P=U(I1+I2)<15W,C错误,D正确. 题组三 综合应用 10.规格为“220V 36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,求: (1)接上220V的电源后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率; (2)如果接上 (1)中电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率.(计算结果均保留为整数) 答案 (1)35W 1W (2)1210W 1210W 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=(36-1)W=35W. (2)扇叶被卡住不能转动后,电动机所在电路成为纯电阻电路,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电功率等于发热功率: P电′=P热′=UI′=220×5.5W=1210W. 11.如图2所示,电源电动势E=10V,内阻r=0.5Ω,标有“8V 16W”的灯泡L恰好能正常发光,电动机 线圈的电阻R0=1Ω,求: 图2 (1)电源的总功率; (2)电动机的输出功率. 答案 (1)40W (2)12W 解析 (1)L正常发光,路端电压等于灯泡额定电压8V. 内电压U内=(10-8)V=2V,则总电流I= =4A, 电源总功率为P电=IE=4×10W=40W. (2)流经电动机的电流IM=I- =2A. 输入电动机的总功率PM总=U·IM=8×2W=16W. 电动机内阻消耗功率PM内=I R0=4×1W=4W. 故电动机的输出功率PM出=(16-4)W=12W. 12.表中是一辆电动自行车说明书上的一些技术参数,根据表中提供的信息,探究以下问题: (g取10m/s2,计算结果均保留两位有效数字) 规格 后轮驱动直流电机 车型 26″电动自行车 额定输出功率 120W 整车质量 30kg 额定电压 40V 最大载重 120kg 额定电流 3.5A (1)在额定电压下工作时,该电机的内阻是多少? 其效率为多大? (2)假设行驶过程中所受阻力是车和人总重的0.02倍,在最大载重量的情况下,人骑车行驶的最大速度为多大? 答案 (1)1.6Ω 86% (2)4.0m/s 解析 (1)由题目提供的数据表可知,电机的输出功率为P出=120W,额定电压为U0=40V,额定电流为I0=3.5A 电机正常工作时输入功率为 P入=U0I0=40×3.5W=140W 所以电机的效率为 η= ×100%= ×100%≈86% 设电机的内阻为r,则由欧姆定律知P入-P出=I r 解得r≈1.6Ω (2)由题意知,行驶时所受阻力为F阻=k(M+m)g 当达到最大速度vmax时,应有P出=F阻vmax 解得vmax=4.0m/s. 如有侵权请联系告知删除,感谢你们的配合!
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