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

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化导学案，共35页。学案主要包含了物理核心素养，教学重难点，经典例题1，变式训练1，经典例题2，变式训练2，经典例题3，变式训练3等内容，欢迎下载使用。
物理观念：焦耳定律是能量守恒定律在电能和热能转换中的体现，能量观念
科学思维：通过对电动机电路的探究，提高学生的分析论证能力，在教学中培养学生归纳、总结的科学思维方法．
科学探究：通过分组实验，培养学生主动观察、分析和总结的能力．
科学态度与责任：通过本节教学，让学生体会到探索自然规律的科学态度。
【教学重难点】
教学重点：电功概念的建立和理解
教学难点：分析非纯电阻电路（例如电动机）能量的转化关系、区分电功和电热。
知识点一、
1．电功和电功率
W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路．
2．电热和热功率
Q＝I2Rt是电热的计算式，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率．
3．电功和电热的关系
(1)在纯电阻电路中：
①电功和电热相等，W＝Q＝UIt＝eq \f(U2,R)t＝I2Rt；
②电功率和热功率相等，P电＝P热＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R)；
③欧姆定律成立：由UIt＝I2Rt得：I＝eq \f(U,R).
(2)在非纯电阻电路中：
①电功大于电热，W＝Q＋W其他，电功只能用W＝UIt计算，电功率只能用P＝UI计算；
②电热只能用Q＝I2Rt计算，热功率只能用P＝I2R计算；
③欧姆定律不成立，由UIt>I2Rt得：U>IR.
【经典例题1】如图是额定电压均为220V的灯泡L1和L2的U－I图像。下列分析不正确的是（ ）
A．当L1两端的电压为100V时，其实际功率为20W
B．当通过L2的电流为0.45A时，其1min消耗的电能为4320J
C．将L1、L2串联，若L1两端的电压为40V，则L2的功率为8W
D．将L1、L2并联，若通过L2的电流为0.5A，则L1的功率为66W
【变式训练1】下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中不正确的是（ ）
A．电功率越大，则电流做功越快，电路中产生的热量一定越多
B．W=UIt适用于任何电路，而只适用于纯电阻电路
C．在非纯电阻电路中，
D．热量适用于任何电路
知识点二、纯电阻电路中功率的分配与计算
1．在纯电阻电路中，由于W＝Q，I＝eq \f(U,R)，所以有P＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R).
2．串、并联电路中的功率关系
3.额定功率和实际功率
(1)用电器正常工作时所消耗的电功率叫作额定功率．当实际电压达到额定电压时，实际功率等于额定功率．
(2)为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率．
【经典例题2】额定电压都是110V、额定功率PA＝110W和PB＝40W的两盏电灯，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（ ）
A．B．
C．D．
【变式训练2】如图所示，a、b两点间的电压为9V，三个电阻的阻值分别为R1=R2=6Ω、R3=3Ω。下列说法正确的是（ ）
A．R1、R2、R3两端的电压之比为2：1：1
B．R1、R2、R3消耗的电功率之比为1：1：2
C．在相等的时间内，通过R1、R2、R3的电荷量之比为2：2：1
D．在相等的时间内，R1、R2、R3产生的焦耳热之比为1：2：2
知识点三、非纯电阻电路功率的分析与计算
1．电动机的功率和效率
(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P电＝UI.
(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2R.
(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率P出＝P机．
三者关系为：P电＝P热＋P机
(4)电动机的效率：η＝eq \f(P机,P电)×100%＝eq \f(IU－I2R,IU)×100%＝eq \f(U－IR,U)×100%.
2．串、并联电路的总功率
(1)串联电路：P总＝U总I＝(U1＋U2＋U3＋…＋Un)I＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn
(2)并联电路：P总＝UI总＝U(I1＋I2＋I3＋…＋In)＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn
从能量转化的角度看，无论是串联电路还是并联电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电路消耗的总功率均等于电路中各部分消耗的功率之和．
【经典例题3】有一个直流电动机，给它接0.2 V电压，电动机不转，测得流过电动机的电流是0.5 A；若给电动机接2 V的电压，电动机正常工作，工作电流是1.0 A。则：
（1）电动机正常工作时的输出功率为多大？
（2）如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大？
【变式训练3】（多选）如图所示，图甲中M表示电动机，当滑动变阻器R的滑片从一端滑到另一端的过程中，两电压表的读数随电流表读数的变化情况如图乙所示。已知电流表读数在0.2A以下时，电动机没有发生转动，不考虑电表对电路的影响，以下判断正确的是（ ）
A．电路中电源电动势为3.6V
B．滑动变阻器的滑片向右滑动时，电压表V2的读数逐渐减小
C．电动机的线圈电阻为4
D．滑动变阻器的最大阻值为30
题组A 基础过关练
1．一台电动机，额定电压是100 V，电阻是2 Ω。正常工作时，通过的电流为5 A，则电动机因发热损失的功率为（ ）
A．500 WB．200 WC．50 WD．450 W
2．通过电阻丝的电流是I=100mA，电阻丝的电阻是R=100Ω，通电时间是t=10s，则（ ）
A．电阻丝两端电压是100V
B．通过其某一横截面的电子数是1.6×1018个
C．电流做的功是100J
D．产生的热量是10J
3．杭州在国内率先启用可出租的微公交，为市民提供又一便利的出行选择。该微公交由蓄电池对车上电动机供电，电动机为车提供动力。该车的主要技术参数如表，下列说法正确的是（ ）
A．蓄电池充满电时能储电5760J
B．电动机在额定电压下工作时，额定电流为2.5A
C．蓄电池充满电后最多能供电动机正常工作4.8h
D．电动机在额定电压下工作1h，流过的电荷量为4.32×105C
4．如图所示，电源电动势为12V，电源内阻为1.0Ω，电路中的电阻R0为1.5Ω，小型直流电动机M的内阻为0.5Ω，闭合开关S后，电动机转动，电流表的示数为2.0A，则以下判断中正确的是（ ）
A．电动机的输出功率为14WB．电动机两端的电压为7.0V
C．电动机产生的热功率为4.0WD．电源输出的功率为24W
5．（多选）—直流电动机所加电压为U．电流为I．线圈内阻为R。当它工作时，下列说法中错误的是（ ）
A．电动机的输出功率为B．电动机的发热功率为
C．电动机的输出功率为D．电动机的功率为
6．（多选）如图所示，直流电动机线圈的电阻为R，当该电动机正常工作时，电动机两端电压为U，通过电动机的电流为I，则（ ）
A．电动机内部发热功率为I2R
B．电动机的机械功率为IU
C．电动机的总功率为IU
D．电动机机械功率为IU-I2R
7．（多选）电饭煲工作时有两种状态：一种是煲内水烧干前的加热状态，另一种是煲内水烧干后的保温状态。如图所示是电饭煲电路原理示意图，S是用感温材料制造的开关下列说法正确的是（ ）
A．当开关S接通时电饭煲为保温状态，当开关S断开时电饭煲为加热状态
B．当开关S接通时电饭煲为加热状态，当开关S断开时电饭煲为保温状态
C．要使在保温状态时的功率为加热状态时的一半，应为2：1
D．要使在保温状态时的功率为加热状态时的一半，应为
8．一台标有“，”字样的电热水器在额定电压下使用，产生多少热量？如果电路电压略有下降，降为，电热水器放出的热量又是多少？
9．如图所示是规格为“”的排风扇，线圈电阻为，接上电压后，排风扇的发热功率和输出功率各多大？如果工作过程中，由于某种原因叶片被卡住，电机被烧坏，请说明电机被烧坏的原因。
题组B 能力提升练
10．在如图所示的电路中，有四盏灯，L1和L2都标有“220V，100W”字样，L3和L4都标有“220V，40W”字样，把电路接通后，最暗的是（ ）
A．L1B．L2
C．L3D．L4
11．额定电压均为110V，额定功率PA=100W，PB=40W的A、B两盏灯泡，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（ ）
A．B．C．D．
12．如图，电路中R1、R2是材料相同、上下表面为正方形的长方体导体，R1、R2厚度相同，R1的上下表面的面积大于R2的上下表面的面积。闭合开关后，以下判断正确的是（ ）
A．通过R1的电流大于通过R2的电流
B．R1两端的电压大于R2两端的电压
C．R1两端的电压等于R2两端的电压
D．R1的电功率小于R2的电功率
13．（多选）研究发现电解液导电时也满足欧姆定律。图甲为一测量电解液的电阻率的长方体玻璃容器，X、Y为电极，边长a=40cm，b=20cm，c=10cm，当里面注满待测电解液，在X、Y间加上不同电压后。其伏安特性曲线如图乙所示。忽略电解液的热膨胀，则下列说法正确的是（ ）
A．电压U=15V时，电解液的电阻是3×103Ω
B．电压U=15V时，电解液热功率是7.5×10W
C．电压U=15V时，电解液的电阻率是150Ω·m
D．电压U增大时，电解液的电阻率将减小
14．（多选）下表列出了某品牌电动自行车及所用电动机的主要技术参数，不计其自身机械能损耗。若该车在额定状态下以最大运行速度行驶，则（ ）
A．电动机的输入功率为576 WB．电动机的内电阻为4 Ω
C．该车获得的牵引力为104 ND．该车受到的阻力为63 N
15．（多选）在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路，电路中电表均为理想电表。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1.0A和1.0V；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2.0A和15.0V。则当这台电动机正常运转时（ ）
A．电动机的内阻为1ΩB．电动机的内阻为7.50
C．电动机的输出功率为26WD．电动机的输出功率为22W
16．如图所示是某型号电饭煲的电路图。是一个限温开关，手动闭合，此开关在锅体内温度达到居里点（103℃）时会自动断开。是一个自动温控开关，当温度低于约70℃时会自动闭合，温度高于80℃时会自动断开。红灯是加热状态时的指示灯，黄灯是保温状态时的指示灯。限流电阻，加热电阻丝，两灯电阻均不计。
（1）手动闭合开关后，电饭煲进入煮饭的加热过程，请说明两个指示灯中的哪一个发光，并计算加热电阻此时消耗的电功率。
（2）若开始时没有手动闭合开关，电饭煲进入保温过程，在也没有闭合的情况下，两个指示灯中的哪一个发光，并计算加热电阻此时消耗的电功率。
17．有一个直流电动机，在它两端施加的电压时，电动机不转，测得流过电动机的电流是；若在电动机两端加上的电压，电动机正常工作，工作电流是。求该电动机在内：
（1）电源输入给电动机的功率为多少？
（2）电动机消耗的电能为多少？
（3）电动机线圈产生的热量为多少？
（4）电动机有多少电能转化为机械能？
题组C 培优拔尖练
18．在如图所示的电路中，输入电压U恒为8V，灯泡L标有“3V 6W”字样，电动机线圈的电阻RM=1Ω。若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是（ ）
A．整个电路消耗的电功率是10WB．电动机的输出功率8W
C．电动机的效率是80%D．流过电动机的电流是2A
19．国庆期间小明去逛超市，遇促销打折买了一个电吹风，电吹风的使用说明书上给出了如表所示的参数及图示电路图。下列说法正确的是（ ）
A．该电吹风发热电阻R的阻值约为64.5Ω
B．该电吹风电动机M的内阻为193.6Ω
C．当开关S1断开、S2闭合时，电吹风吹热风
D．当开关S1、S2均闭合时，电动机每秒钟消耗的电能为1000J
20．（多选）如图甲为内阻及损耗均不计的理想直流电动机，电动机线圈与一电阻R连接，将电动机作为发电机使用，电动机牵引一质量为m1的物体，当物体以某速率匀速下落时，这时电路中的电流为I。若将这个电动机与一内阻为R、电动势为E的电源连接，如图乙所示，能够牵引质量为m2的物体以同样的速率匀速上升，这时电路中的电流也为I，关于I及电源的内耗功率P内，下列关系式正确的是（ ）
A．B．
C．D．
21．盛夏的入夜，正当大地由喧闹归于沉睡之际，天空却不甘寂寞地释放着大自然的烟火，上演着一场精彩的闪电交响曲。某摄影爱好者拍摄到的闪电如图所示，闪电产生的电压、电流是不稳定的，假设这次闪电产生的电压可等效为2.5×107V，电流可等效为2×105A，历时1×10-3s，则：
（1）若闪电定向移动的是电子，这次闪电产生的电荷量以0.5A的电流给小灯泡提供，能维持多长时间？
（2）这次闪电释放的电能是多少？
22．如图所示，AB两端的电压恒定，，求：
（1）与消耗的电功率之比；
（2）与消耗的总电功率与消耗的电功率之比。
23．一台电动机，线圈电阻是，当它两端所加的电压为时，通过的电流是。这台电动机每分钟有多少电能转化为机械能？
串联电路
并联电路
功率分配
eq \f(P1,P2)＝eq \f(R1,R2)
eq \f(P1,P2)＝eq \f(R2,R1)
总功率
P＝P1＋P2＋…＋Pn
P＝P1＋P2＋…＋Pn
整车质量
600kg
铅酸蓄电池
电压
48V
最高车速
60km/h
容量
120Ah
承载人数
2人
电动机
额定电压
48V
最大承载质量
200kg
额定功率
1.2kW
自重
40 kg
额定电压
48 V
载重
75 kg
额定电流
12 A
最大行驶速度
20 km/h
额定输出功率
350 W
电吹风铭牌参数
额定电压
220 V 50 Hz
额定功率
热风
1000 W
冷风
250 W
12.1 电路中的能量转化
【物理核心素养】
物理观念：焦耳定律是能量守恒定律在电能和热能转换中的体现，能量观念
科学思维：通过对电动机电路的探究，提高学生的分析论证能力，在教学中培养学生归纳、总结的科学思维方法．
科学探究：通过分组实验，培养学生主动观察、分析和总结的能力．
科学态度与责任：通过本节教学，让学生体会到探索自然规律的科学态度。
【教学重难点】
教学重点：电功概念的建立和理解
教学难点：分析非纯电阻电路（例如电动机）能量的转化关系、区分电功和电热。
知识点一、
1．电功和电功率
W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路．
2．电热和热功率
Q＝I2Rt是电热的计算式，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率．
3．电功和电热的关系
(1)在纯电阻电路中：
①电功和电热相等，W＝Q＝UIt＝eq \f(U2,R)t＝I2Rt；
②电功率和热功率相等，P电＝P热＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R)；
③欧姆定律成立：由UIt＝I2Rt得：I＝eq \f(U,R).
(2)在非纯电阻电路中：
①电功大于电热，W＝Q＋W其他，电功只能用W＝UIt计算，电功率只能用P＝UI计算；
②电热只能用Q＝I2Rt计算，热功率只能用P＝I2R计算；
③欧姆定律不成立，由UIt>I2Rt得：U>IR.
【经典例题1】如图是额定电压均为220V的灯泡L1和L2的U－I图像。下列分析不正确的是（ ）
A．当L1两端的电压为100V时，其实际功率为20W
B．当通过L2的电流为0.45A时，其1min消耗的电能为4320J
C．将L1、L2串联，若L1两端的电压为40V，则L2的功率为8W
D．将L1、L2并联，若通过L2的电流为0.5A，则L1的功率为66W
【答案】 C
【解析】A.当L1两端的电压为100V时，根据图像可知，通过L1的电流为0.2A，其实际功率为
故A正确，不符合题意；
B.当通过L2的电流为0.45A时，L2两端的电压为160V，其1min消耗的电能为
故B正确，不符合题意；
C.将L1、L2串联，若L1两端的电压为40V，由图像可知，通过灯泡L1的电流为
根据串联电路电流规律可知，通过灯泡L2的电流
由图像可知，此时灯泡L2两端的电压为
L2的功率为
故C错误，符合题意；
D.将L1、L2并联，若通过L2的电流为0.5A，由图像可知，L2两端的电压为
根据并联电路电压规律可知，灯泡L1两端的电压
由图像可知，通过L1的电流
L1的功率为
故D正确，不符合题意。
故选C。
【变式训练1】下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中不正确的是（ ）
A．电功率越大，则电流做功越快，电路中产生的热量一定越多
B．W=UIt适用于任何电路，而只适用于纯电阻电路
C．在非纯电阻电路中，
D．热量适用于任何电路
【答案】 A
【解析】A．电功率越大，则电流做功越快，但电路中产生的热量不一定多，故A错误；
B．电功的定义式为
适用于任何电路，而计算式
只适用于纯电阻电路，故B正确；
C．在非纯电阻电路中，电流所做的功等于产生的热量与其他形式的能之和，所以
即
故C正确；
D．电路热功率的定义式为
适用于计算任何电路中产生的热量，故D正确。
故选A。
知识点二、纯电阻电路中功率的分配与计算
1．在纯电阻电路中，由于W＝Q，I＝eq \f(U,R)，所以有P＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R).
2．串、并联电路中的功率关系
3.额定功率和实际功率
(1)用电器正常工作时所消耗的电功率叫作额定功率．当实际电压达到额定电压时，实际功率等于额定功率．
(2)为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率．
【经典例题2】额定电压都是110V、额定功率PA＝110W和PB＝40W的两盏电灯，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（ ）
A．B．
C．D．
【答案】 C
【解析】由和已知条件可知两灯泡电阻关系为
RA