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    物理必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化学案设计

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    这是一份物理必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化学案设计,共9页。

    1.电路中的能量转化

    [学习目标] 1.理解电功和电功率的概念,知道电流做功的实质。(重点)2.理解电功和电热的区别,会区分纯电阻电路和非纯电阻电路。(难点)3.理解电热和电热功率。(重点)4.会从能量守恒的角度理解焦耳定律。(难点)

    一、电功和电功率

    1.电流做功的实质:导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。

    2.电功

    (1)定义:电流在一段电路中所做的功,等于这段电路两端的电压、电路中的电流、通电时间三者的乘积。

    (2)公式:WUIt

    (3)单位:国际单位是焦耳,符号是J

    3.电功率

    (1)定义:电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。

    (2)公式:PUI

    (3)单位:国际单位是瓦特,符号是W

    二、焦耳定律

    1.内容:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻通电时间成正比。

    2.表达式:QI2Rt

    3.热功率

    三、电路中的能量转化

    1.电动机工作时的能量转化

    (1)能量关系:电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能,还有一部分转化为内能。

    (2)功率关系:电动机消耗的功率P等于电动机的输出功率P与电动机损失的功率P之和,即:PPPPUIPI2R

    2.电池充电时的能量转化

    电池从电源获得的能量一部分转化为化学能,还有一部分转化为内能。

    1.思考判断(正确的打“√”,错误的打“×”)

    (1)电功与能量的单位都是焦耳,电功就是电能。 (×)

    (2)电功与电能不同,电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。 (√)

    (3)电功率越大,表示电流做功越多。 (×)

    (4)焦耳定律的表达式为QI2Rt,此式适用于任何电路。 (√)

    (5)三个公式PUIPI2RP没有任何区别,它们表达相同的意义,所示P即是电功率。              (×)

    2.通过电阻R的电流为I时,在时间t内产生的热量为Q;若电阻为2R,电流为时,则在时间t内产生的热量为(  )

    A4Q   B2Q   C   D

    C [由电热公式QI2Rt可得Q·2RtI2Rt,故选项C正确。]

    3.把六个相同的小灯泡接成如图甲、乙所示的电路,调节变阻器使灯泡正常发光,甲、乙两电路所消耗的总功率分别用PP表示,则下列结论中正确的是(  )

    甲        乙

    APP  BP3P  CP3P  DP>3P

    B [设每个灯泡正常工作时的电流为I,则甲图中电路的总电流为3IP12 V×3I,乙图中电路的总电流为IP12 V×I,故有P3PB正确。]

     

    串、并联电路中电功率的计算

    1.串联电路功率关系

    (1)各部分电路电流I相同,根据PI2R,各电阻上的电功率与电阻成正比。

    (2)总功率PUI(U1U2Un)IP1P2Pn

    2.并联电路功率关系

    (1)各支路电压相同,根据P,各支路电阻上的电功率与电阻成反比。

    (2)总功率PUIU(I1I2In)P1P2Pn

    3.结论

    无论是串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。

    【例1 有额定电压都是110 V,额定功率PA100 WPB40 W 的电灯两盏,若接在电压是220 V的电路上,两盏电灯均能正常发光,那么电路中消耗功率最小的电路是(  )

     

     A        B         C          D

    思路点拨:(1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和。

    (2)串联电路中,功率与电阻成正比;并联电路中,功率与电阻成反比。

    C [若要两灯均正常发光,亦即每灯的电压均为110 V,对A电路,因为RARB,所以UAUB,即UB110 VB灯将被烧坏;对B电路,UBUB灯将被烧坏;对C电路,RA可能等于B灯与变阻器并联后的电阻,所以UA可能等于UB,等于110 V,两灯可能正常发光,且电路消耗总功率为200 W;对D电路,变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻,可能有UAUBU110 V,两灯可能正常发光,且电路中消耗总功率为280 W。综上可知,C正确。]

    功率求解的技巧

    (1)在纯电阻电路中,比较用电器的电功率时,要根据已知条件灵活选用公式,如用电器电流相同时,用PI2R比较,若电压相同时用P比较,若电阻相同时,可根据IU的关系比较。

    (2)求解串、并联电路中的功率分配问题,比例法求解会使问题简化,但一定要明确是正比还是反比关系。

    (3)当求解用电器的功率时,要明确求解的是什么功率。实际功率与额定功率不一定相等。

     

    1.如图所示,一个电阻R和一个灯泡L串联接在电压恒为U的电源上,电路中的电流为I。电阻两端的电压为U1,电功率为P1;灯泡两端的电压为U2,电功率为P2,则下列关系式正确的是(  )

    AP1UI  BP2U2R

    CU2UIR DU1UIR

    C [电阻的功率P1U1IA错误;P2U2IB错误;U2UU1UIRC正确,D错误。]

     

     

    纯电阻电路和非纯电阻电路

    1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

    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

    不服从欧姆定律

    能量转化

    电流做功全部转化为电热

    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、白炽灯等

    电动机、电解槽等

    2电功与电热的区别与联系

    (1)纯电阻电路

    WQUItI2Rtt

    PPUII2R

    (2)非纯电阻电路

    电功WUIt,电热 QI2RtWQ

    电功率PUI,热功率PI2RPP

    3.电动机的功率和效率

    (1)电动机的总功率(输入功率)PUI

    (2)电动机发热的功率:PI2r

    (3)电动机的输出功率(机械功率)

    PPPUII2r

    (4)电动机的效率:η×100%

    【例2 在研究微型电动机的性能时,可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时,电流表和电压表的示数分别为0.5 A1.0 V;重新调节R使电动机恢复正常运转时,电流表和电压表的示数分别为2.0 A15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。

    思路点拨:(1)电动机停止转动,电路为纯电阻电路。

    (2)电动机正常运转,电路为非纯电阻电路。

    [解析] 当电流表和电压表的示数为0.5 A1.0 V时,电动机停止工作,电动机中只有电动机的内阻消耗电能,其阻值r Ω2 Ω

    当电动机正常工作时,电流表、电压表示数分别为2.0 A 15.0 V

    则电动机的总功率PU2I215.0×2.0 W30.0 W

    线圈电阻的热功率PIr2.02×2 W8.0 W

    所以电动机的输出功率

    P输出PP30.0 W8.0 W22.0 W

    [答案] 22.0 W 2 Ω

    上例中,若电动机以v1 m/s匀速竖直向上提升重物,该重物的质量为多少?(g10 m/s2)

    提示:Pmgv,则m2.2 kg

    电动机电路的分析与计算

    2.规格为220 V 36 W的排气扇,线圈电阻为40 Ω

    (1)接上220 V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220 V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。

    [解析] (1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为,I A0.16 A

    发热功率为PI2R(0.16)2×40 W1 W

    转化为机械能的功率为

    PPP36 W1 W35 W

    (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 A5.5 A

    电动机消耗的功率即发热功率为

    PPUI220×5.5 W1 210 W

    [答案] (1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W

    课 堂 小 结

    知 识 脉 络

    1.对电功、电功率、电热及热功率的理解与计算。

    2串、并联电路的功率分析与计算。

    3对纯电阻电路与非纯电阻电路的比较。

    1.下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法错误的是(  )

    A.电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多

    BWUIt适用于任何电路,而WI2Rtt只适用于纯电阻电路

    C.在非纯电阻电路中,UI>I2R

    D.焦耳热QI2Rt适用于任何电路

    A [电功率公式为P,功率越大,表示电流做功越快。对于一段电路,有PIUI,焦耳热QRt,可见QPUt都有关。所以,P越大,Q不一定越大,A错误。WUIt是电功的定义式,适用于任何电路,而I只适用于纯电阻电路,B正确。在非纯电阻电路中,电流做的功=焦耳热+其他形式的能,所以W>Q,即UI>I2RC正确。QI2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路中产生的焦耳热,D正确。]

    2.如图所示,一幢居民楼里住着生活水平各不相同的24户居民,所以整幢居民楼里有各种不同的电器,例如电炉、电视机、微波炉、电脑等。停电时,用欧姆表测得AB间电阻为R;供电后,各家电器同时使用,测得AB间电压为U,进线电流为I,则计算该幢居民楼用电的总功率可以用的公式是  (  )

    API2R   BP  CPIU  DPI2R

    C [家用电器中有纯电阻也有非纯电阻,故总电功率只能用PUI来计算,C正确。]

    3.如图所示,电路两端的电压U保持不变,电阻R1R2R3消耗的电功率一样大,则R1R2R3(  )

    A111  B411  C144  D122

    C [R2R3,由PU2U3知,R2R311,对R1R2,由PI2RI12I2知,R1R2II14C正确。]

    4.有一个电风扇,标有220 V 50 W,某电动机线圈的电阻为0.4 Ω,把它接入220 V的电路中,以下几种计算时间t内产生热量的方法中正确的是(  )

    AQ BQPt

    CQ·Rt D.以上三种方法均正确

    C [通过电风扇的电流为I,因为电风扇不是纯电阻电路,所以其焦耳热为Q·Rt,而不应该是QQPtC正确。]

     

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