高中物理人教版 (2019)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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[学习目标] 1.理解电功、电功率、焦耳定律、热功率的概念，知道它们的区别与联系(重点)。2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别，理解两种电路的能量转化关系(重难点)。
一、电功和电功率
1．电功
(1)电流做功的实质是，导体中的恒定电场对自由电荷的________在做功。电能转化为其他形式的能，是通过________________来实现的。
(2)电功的计算公式：W＝________。
单位：________，符号为________。
常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“______”，1 kW·h＝________ J。
2．电功率
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电________之比。
(2)公式：P＝eq \f(W,t)＝________。
(3)单位：________，符号为________。
(4)意义：表示电流做功的________。
(5)额定功率：额定功率是指用电器在额定电压下正常工作时所消耗的功率，此时流经用电器的电流就是它的额定电流。
(1)电功率越大，表示电流做功越多。( )
(2)由公式P＝eq \f(W,t)可知，时间越短，功率越大。( )
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？
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例1 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”。下列按消耗功率大小排列这四个定值电阻正确的是( )
A．PA＝PCPC>PA>PD
C．PD>PA>PC>PB
D．PA＝PC>PB＝PD
(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＝eq \f(U2,R)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＝eq \f(U2,R)求解。
二、焦耳定律
1．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量跟____________成正比，跟______________及________________成正比。这个关系式最初是由________通过实验直接得到的，物理学中就把它叫作焦耳定律。
(2)表达式 Q＝________。
2．热功率
(1)定义：________________内的发热量称为热功率。
(2)公式：P热＝I2R。
例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3 (2022·长安一中高二期中)电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧干前的加热状态，另一种是锅内水烧干后保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，K是感温材料制造的开关。下列说法中错误的是( )
A．其中R2是供加热用的电阻丝
B．当开关K接通时电饭锅为加热状态，K断开时为保温状态
C．要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，eq \f(R1,R2)应为2∶1
D．要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，eq \f(R1,R2)应为(eq \r(2)－1)∶1
三、电路中的能量转化
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？
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1．电动机工作时的能量转化关系：电动机从电源获得能量，一部分转化为________，还有一部分转化为内能。
2．电动机的简易模型及其功率、效率
(1)电动机消耗的功率(总功率)：P总＝UI。
(2)电动机的发热功率：P热＝I2R。
(3)电动机的输出功率(机械功率)P机＝P总－P热＝UI－I2R。
(4)电动机的效率：η＝eq \f(P机,P总)×100%。
3．电池充电时的能量转化关系：电池从电源获得的能量一部分转化为电池的________能，还有一部分转化为内能。
(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。( )
例4 如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为r＝1 Ω，电动机两端电压为5 V，电路中的电流为1 A，物体A重20 N。忽略一切摩擦，求：
(1)电动机线圈电阻消耗的热功率为多少？
(2)电动机输入功率和输出功率各是多少？
(3)10 s内电动机可以把物体A匀速提升多高？
(4)这台电动机的效率是多少？
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例5 (2022·行唐启明中学月考)如图所示，A为电解槽，M为电动机，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，当S1闭合，S2、S3断开时，电流表示数为6 A；当S2闭合，S1、S3断开时，电流表示数为5 A，且电动机的电阻rM＝1 Ω；当S3闭合，S1、S2断开时，电流表示数为4 A，且电解槽电阻rA＝2 Ω。求：
(1)电炉丝的电阻及发热功率；
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(2)电动机的机械效率；
(3)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率。
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纯电阻电路与非纯电阻电路的比较
比较项目
纯电阻电路
非纯电阻电路
元件特点
电路中只有电阻元件，如电阻、电炉丝、小灯泡
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，如电动机、电解槽
欧姆定律
适用，I＝eq \f(U,R)
不适用，I