高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化导学案及答案

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第十二章 电能 能量守恒定律
12.1 电路中的能量转化
【学习目标】
1. 通过实例分析，理解电能转化为其他形式能是通过电流做功来实现的，加深对功与能量转化关系的认识。
2.通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中相关现象。
3.从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系。
4.联系生活中的电风扇、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。
【开启新探索】从能量角度研究电路
我们知道，在电路中使用不同的用电器，往往会有不同的能量转化。回顾生活中用过的用电器，说明用电器将电能转化成怎样的能量？


【质疑提升1】电功和电功率
1. 功是能量转化的量度，思考并说明：用电器将电能转化为其它形式的过程中，是什么力做功实现的呢？


2. 如图，在一段电路中，电路两端电压为U，在t时间内，定向移动电荷量为q，则移动电荷电场力做多少功？若电路中的电流为I，又可以怎样表示电场力做功？

电功：电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的 、电路中的 、 三者的 。
3. 电流在一段电路中做功的功率又怎样求解？

电功率：电流在一段电路中做功的功率P等于这段电路两端的 和 的 。
4. 想一下，用上述表达式求解电功和电功率，与接在电路中的元件是纯电阻、非纯电阻有关吗？

【质疑提升2】焦耳定律
1. 在初中我们已学习了焦耳定律，回顾一下，焦耳定律的内容？焦耳定律是实验定律、还是理论推导定律？
焦耳定律：电流通过导体产生的 跟电流的 成 ，跟导体的 及通电 成 。
焦耳定律的表达式：Q＝ 。焦耳定律是 定律。
2. 能量在转化或转移的过程中是守恒的。在电路中，通过电流做功将电能转化为其它形式的能。若电流通过电热水器中的电热元件做功时，电能转化为什么能量？

设电阻为R的元件两端电压为U、通过元件的电流为I，则（1）在时间t内电流做的功W？产生的电热Q？（2）W、Q大小上有怎样关系？（3）通过两者的关系，你会有怎样的推论？

3. 电流通过导体发热的功率如何求解？在求解电热的表达式中，是否对任何电路都可以适用呢？

【质疑提升3】电路中的能量转化
1. 当电流通过纯电阻元件时，电能完全转化为热能。但有些电路中除含有电阻外还含有其它负载，如电动机。以含电动机的电风扇为例，研究电路中的能量转化。思考：当电路中接入电风扇，电动机正常运行。(1)电路中有怎样的能量转化？能量间又有怎样的关系？(2)电路中有怎样的功率、功率关系？



2. 通过对非纯电阻电路的分析，说明：欧姆定律适用于非纯电阻电路吗？


3. 通过对纯电阻电路、非纯电阻电路的分析，思考不同电路中电功、电热的求解方法：

物理量
　电路
纯电阻电路
非纯电阻电路
电功（电功率）


电热（电热功率）


【学以致用】
1. 试根据串、并联电路的电流、电压特点推导：串联电路和并联电路各导体消耗的电功率与它们的电阻有什么关系？
串联：功率的分配与电阻成正比
并联：功率的分配与电阻成反比

2. 电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内的水烧干以前的加热状态，另一种是水烧干以后的保温状态。如图所示是电饭锅的电路图， R1是电阻，R2是加热用的电阻丝。
（1）自动开关S接通和断开时，电饭锅分别处于哪种状态？说明理由。
（2）要使电饭锅在保温状态下的功率是加热状态的一半，R1 ：R2应该是多少？

加热、保温，断开时，回路电阻较大，电压相同，功率较小。
1：1


3. 一台电动机，线圈的电阻是为0.4Ω，当它两端所加的电压是220V时，通过的电流是5A 。
（1） 我们通过欧姆定律计算出线圈的电流是550A ，为什么有这样的差别？
（2） 这台电动机发热的功率和对外做功的功率各是多少？
（3） 如果电动机被卡，不再转动，试计算其产生的电热功率。
非纯电阻元件。10W 1090W。1.21×105W


【核心素养提升】
1．下列关于电功和电功率的说法中，正确的是( )
A. 电功率也就是热功率
B. 电流做功越多，则功率越大
C. 电功率越小，则电流做的功一定越小
D. 电流做功就是电场力做功，把电能转化为其他形式的能
2．通过电阻R的电流强度为I时，在时间t内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为I/2时，则在时间t内产生的热量为（ ）
A．4Q B．2Q
C．Q/2 D．Q/4
3. 关于三个公式的适用范围，以下说法正确的是（ )
A. 第一个公式普遍适用于求电功率，后两个公式普遍适用于求热功率
B. 在纯电阻电路中，三个公式既可适用于求电功率又可适用于求热功率
C. 在非纯电阻电路中，第一个公式可适用于求电功率，第二个公式、第三个公式可适用于求热功率
D. 由可知，三个公式没有任何区别，它们表达相同的意义
4. 两个绕线电阻分别标有“100Ω、10W”和“20Ω、40W”，则它们的额定电流之比为 （ ）
A． B． C． D．
5． 为手机电池充电时，充电宝输出电能转化为手机电池的化学能和内能，等效电路如图所示。在充电开始后的时间内，充电宝的输出电压U与输出电流I都恒定，若手机电池的内阻为r，则t时间内（　　）
A．输出电流
B．充电宝自身的热功率为I2r
C．充电宝输出的电能为UIt
D．手机电池储存的化学能为UIt
6． 在研究微型电动机的性能时，应用如图所示的实验电路。调节滑动变阻器R并控制电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5A和1.0V。重新调节R并使电动机恢复正常运转，此时电流表和电压表的示数分别为2.0A和24.0V。则这台电动机正常运转时的机械功率为（　　）
A．40W B．44W C．47W D．48W
7． 如图所示的电路中，输入电压U恒为12V，灯泡L上标有 “6V，12W”字样，电动机线圈的电阻0.5Ω。若灯泡恰能正常发光，则下列说法正确的是（　　）
A．灯泡正常发光时的电阻为2Ω
B．电动机的输入功率为10W
C．电动机线圈电阻的发热功率为2W
D．整个电路消耗的电功率为14W

8． 近年来，机器人逐渐走入我们的生活。如图所示，某科技小组在研究机器人内部直流电动机的性能时，发现当电动机两端电压为U1、通过的电流为I1时，电动机没有转动。当电动机两端电压为U2、通过的电流为I2时，电动机正常转动。则这台电动机正常工作时的输出功率为（　　）
A． B． C． D．
M
A
U
R
电动机

9. 如图所示的电路中，电炉电阻R=10Ω，电动机线圈电阻r=1Ω，电路两端电压U=100V，电流表的示数为30A，则：
　　（1）通过电动机的电流为多少？
　　（2）电动机输出功率？
　　（3）电动机１分钟对外提供的动能？

20A 1600W 9.6×104J





10. 四个定值电阻连成如图所示的电路。RA、RC的规格为“10 V 4 W”，RB、RD的规格为“10 V 2 W”。请按消耗功率大小的顺序排列这四个定值电阻，并说明理由。

DACB






11. 如图所示，输电线路两端的电压U 为220 V，每条输电线的电阻R为5 Ω，电热水器A的电阻RA为30 Ω。求电热水器 A 上的电压和它消耗的功率。如果再并联一个电阻R B 为15 Ω的电热水壶 B，则电热水器和电热水壶消耗的功率各是多少？