高中物理粤教版 (2019)必修 第三册电路中的能量导学案

这是一份高中物理粤教版 (2019)必修 第三册电路中的能量导学案，共8页。
2.会分析纯电阻与非纯电阻电路，并能进行有关计算(重难点)。3.理解闭合电路中的能量转化关系(重难点)。
一、电功和电功率
如图所示，在导体两端加上电压U后，导体中自由电荷在电场力作用下定向移动，形成电流I，请思考在t时间段内，通过某横截面的电量为多大？电场力做了多少功？
1．电功
(1)定义：电路中________对自由电荷所做的功称为电功，电功的大小等于被消耗的电能。
(2)公式：W＝________。
(3)单位：在国际单位制中，电功的单位是________，符号为J。
2．电功率
(1)定义：电流做功与完成这些功所用________之比叫作电功率，用P表示。
(2)公式：P＝eq \f(W,t)＝________。
(3)单位：在国际单位制中，电功率的单位是________，符号为________。常用的单位还有kW，1 kW＝1 000 W。
(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。
用电器在实际使用时，若加在它两端的实际电压不等于额定电压，那么它消耗的实际功率不等于额定功率，因此，在计算用电器的实际功率时，要注意两者的区别。
(1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做的功。( )
(2)电流做功过程是电能转化为其他形式能的过程，电功的大小等于电能的减少量。( )
(3)电功W＝Uq＝UIt对任何电路都适用。( )
(4)电功率越大，表示电流做功越多。( )
(5)由公式P＝eq \f(W,t)可知，时间越短，功率越大。( )
(6)电功率P＝eq \f(W,t)＝UI对任何电路都适用。( )
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？
例1 (2024·广州市高二期中)现有标有“110 V 40 W”的灯泡L1和标有“110 V 100 W”的灯泡L2及一只最大阻值为500 Ω的滑动变阻器R，将它们接在220 V的电路中，在如图所示的几种接法中，两个灯泡可以正常发光，且整个电路消耗功率最小的是( )
(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部分消耗的功率之和。
(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与________成正比，与________及________成正比。
(2)表达式：Q＝________。
2．热功率
(1)定义：一段电路因发热而消耗的功率称为热功率。
(2)公式：P＝______。纯电阻电路上的热功率P＝I2R。
例2 (2024·佛山市高二期中)如图所示为一电热壶玩具的加热装置电路图，加热电阻丝R2＝2 Ω，电源电动势E＝16 V，内阻r＝1 Ω。当把电阻R1调节为13 Ω时，则( )
A．此时加热电阻丝的电压为16 V
B．此时加热电阻丝的热功率为2 W
C．此时电路的电流为2 A
D．如果想使同样一壶水在更短时间内烧开，应把电阻R1调大些
例3 (多选)(2024·江门市高二期中)电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧开前的加热状态，另一种是锅内水烧开后的保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，S是用感温材料制成的开关。下列说法中正确的是( )
A．其中R2是供加热用的电阻丝；
B．当开关S断开时电饭锅为加热状态，S接通时为保温状态；
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、电功和电热的关系
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？
1．纯电阻电路与非纯电阻电路
(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能。
(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，通过电流做功除了将一部分电能转化为内能外，还将一部分电能转化为机械能或化学能。
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%。
(1)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。( )
(2)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。( )
(3)任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，且W＝Q。( )
例4 (2024·广州市高二期中)一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A，通过洗衣机电动机的电流是0.5 A，则下列说法中正确的是( )
A．电饭煲的电阻为44 Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω
B．电饭煲消耗的电功率为1 555 W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W
C．1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J，洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103 J
D．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
电功、电热的计算方法
1．判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器。
2．分析各用电器之间的连接方式，对纯电阻电路，计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路的分流特点。
3．由所求问题选取合适的公式，在非纯电阻电路中计算电功只能用W＝UIt，计算电热只能用Q＝I2Rt，欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用。
4．对于含电动机的电路，电动机转动时是非纯电阻用电器，电动机卡住不转动时是纯电阻用电器。
例5 (多选)(2024·东莞市高二期末)如图所示的电路中，输入电压U恒为12 V，灯泡L上标有“6 V 12 W”字样，电动机线圈的电阻RM＝0.50 Ω。若灯泡恰能正常发光，下列说法中正确的是( )
A．电路电流为12 A
B．电动机的输入功率为12 W
C．用电动机匀速提升10 N重物速率为1 m/s
D．整个电路消耗的电功率84 W
拓展 电动机两端的电压U与IRM有什么关系？试根据公式讨论说明。
纯电阻电路和非纯电阻电路的比较
四、闭合电路的能量
1．电路中的能量转化
电源通过非静电力做功把其他形式的能转化为电能，在电路中通过电流做功把电源提供的电能一部分消耗在外电路上，转化为其他形式的能；另一部分消耗在内阻上，转化为内能。
2．闭合电路的能量转化遵守能量守恒定律，表达式有两种形式：EI＝U外I＋U内I和EIt＝U外It＋U内It。
(1)EI表示电源提供的电功率。
(2)U外I和U内I分别表示外电路和内电路上消耗的电功率。
例6 (2024·广东省高二月考)“祝融号”火星车的动力主要来源于太阳能电池。现将“祝融号”的动力供电电路简化如图，其中太阳能电池电动势E＝120 V，内阻r未知，电动机线圈电阻rM＝1.6 Ω，电热丝定值电阻R＝4 Ω，当火星车正常行驶时，电动机两端电压UM＝80 V，电热丝R消耗功率P＝100 W。求：
(1)太阳能电池的内阻r；
(2)电动机的效率η；
(3)若电动机的转子被卡住了，此时电热丝消耗的功率P′。
第一节 电路中的能量
一、
根据电流的定义式I＝eq \f(q,t)可知q＝It；电场力做功W＝qU＝UIt。
梳理与总结
1．(1)电场力 (2)UIt (3)焦耳 J
2．(1)时间 (2)UI (3)瓦特 W (4)快慢
讨论与交流
“度”是能量单位，1度＝1 kW·h＝3.6×106 J
100度＝100×3.6×106 J＝3.6×108 J。
二、
1．(1)电流的二次方 导体的电阻 通电时间 (2)I2Rt
2．(2)eq \f(Q,t)
三、
电熨斗工作时，将电能转化为内能。电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能。
一、
易错辨析
(1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)√
例1 C [L1(110 V 40 W)和L2(110 V 100 W)的额定电压相同，由P＝eq \f(U2,R)可知R1>R2，A图中由串联电路电流相等，两灯的电压不相等，可知图中L1、L2一定不会同时正常发光，故A错误；D图中灯L2与滑动变阻器并联，总电阻小于L2的电阻，所以灯L2两端的电压小于灯L1两端的电压，图中L1、L2一定不会同时正常发光，故D错误；由并联电路电压相等特点可知B图中L1、L2电压相等，两灯可以正常发光，P总＝2(P1＋P2)；C图中L1与滑动变阻器并联，总电阻小于L1的阻值，可能与L2的阻值相等，则两灯可以正常发光，P总′＝2P2，所以P总>P总′，所以消耗功率最小的是C图电路，故选C。]
二、
例2 B [由闭合电路欧姆定律可得此时电路的电流为I＝eq \f(E,R1＋R2＋r)＝eq \f(16,13＋2＋1) A＝1 A，故C错误；
此时加热电阻丝的电压为UR2＝IR2＝1×2 V＝2 V，故A错误；
此时加热电阻丝的热功率为P＝I2R2＝2 W，故B正确；
由Q＝W＝Pt可知如果想使同样一壶水在更短时间内烧开，应调节电阻R1，使加热电阻丝的热功率变大，由P热＝I′2R2，可知应把电路中电流调大，即应把电阻R1调小些，故D错误。]
例3 AD [如图所示，根据P＝eq \f(U2,R)，当接通开关S时，电阻变小，功率变大，处于加热状态，当断开开关S时，电阻变大，功率变小，处于保温状态，则R2是供加热用的电阻丝，接通开关S时，处于加热状态，断开开关S时，处于保温状态，故B错误，A正确；
要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，根据P＝I2R可知，R2在保温状态时和加热状态时的电流值比eq \f(I1,I2)＝eq \f(1,\r(2))，根据I＝eq \f(U,R)可知eq \f(R1＋R2,R2)＝eq \f(\r(2),1)，解得eq \f(R1,R2)＝eq \f(\r(2)－1,1)，故C错误，D正确。]
三、
易错辨析
(1)× (2)√ (3)×
例4 C [由于电饭煲是纯电阻元件，所以R1＝eq \f(U,I1)＝44 Ω，P1＝UI1＝1 100 W，其在1 min内消耗的电能W1＝UI1t＝6.6×104 J，洗衣机为非纯电阻元件，所以R2≠eq \f(U,I2)，P2＝UI2＝110 W，其在1 min内消耗的电能W2＝UI2t＝6.6×103 J，洗衣机电动机的热功率P热≠P2，所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍。故选C。]
例5 BC [对灯泡，由P＝UI可得，电路电流I＝IL＝eq \f(PL,UL)＝eq \f(12 W,6 V)＝2 A，故A错误；电动机的输入功率为P＝I(U－UL)＝12 W，故B正确；
电动机的发热功率P热＝I2RM＝(2 A)2×0.5 Ω＝2 W，电动机的输出功率P输出＝P－P热＝12 W－2 W＝10 W，用电动机匀速提升10 N重物时电动机对重物的牵引力F＝G＝10 N，牵引力的功率即电动机的输出功率P输出＝Fv，解得v＝1 m/s，C正确；
整个电路消耗的电功率P总＝IU＝24 W，故D错误。]
拓展 本题中电动机两端电压UM＝5 V
IRM＝1×1 V＝1 V
数据显示UM>IRM
公式讨论：因为PM＝UI＝I2RM＋E其他
即UI>I2RM，故U>IRM。
四、
例6 (1)4 Ω (2)90% (3)625 W
解析 (1)对电热丝，有P＝I2R
解得回路电流为I＝5 A，根据闭合回路欧姆定律，有E＝Ir＋UM＋IR
解得电源的内阻为r＝4 Ω
(2)电动机的效率为η＝eq \f(UMI－I2rM,UMI)×100%，解得η＝90%
(3)电动机的转子被卡住，回路电流为
I′＝eq \f(E,r＋rM＋R)＝12.5 A
电热丝上消耗的功率P′＝I′2R＝625 W。
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＝eq \f(U2,R)t
W＝Q＋E其他
即UIt＝I2Rt＋E其他
电功率和热功率的关系
P＝P热
即IU＝I2R＝eq \f(U2,R)
P＝P热＋P其他
即IU＝I2R＋P其他
欧姆定律是否适用
适用，U＝IR，I＝eq \f(U,R)
不适用，U>IR，I