高中电路中的能量转化授课ppt课件

这是一份高中电路中的能量转化授课ppt课件，共83页。PPT课件主要包含了发热量等内容，欢迎下载使用。
整体感知·自我新知初探
[学习任务]　1．理解电功、电功率和焦耳定律的概念，会运用其公式进行相关的计算。2．理清电功和电热、电功率和热功率的区别和联系。3．知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别。4．从能量守恒的角度认识用电器能量的转化问题。
[问题初探]　问题1．电流做功的实质是什么？问题2．P＝UI与P＝I2R有何区别？问题3．电吹风工作时，将电能转化为什么能？
[提示]　问题1．恒定电场对自由电荷的静电力做正功，电势能减小，其他形式的能增加。问题2．P＝UI指一切电流做功的功率，是总功率。P＝I2R专指电流发热的功率，称为热功率。问题3．电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能。
[自我感知]　经过你认真的预习，结合你对本节课的理解和认识，请画出本节课的知识逻辑体系。
探究重构·关键能力达成
1．电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的________在做功。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_______、电路中的_______、通电_______三者的乘积。(2)公式：W＝_____。(3)单位：国际单位是______，符号是___。
知识点一　电功和电功率
如图所示是三种发光原理不同的照明灯具，LED灯是直接把电转化为光，荧光灯是电磁辐射后发光，白炽灯是由灯丝通电加热发光。在同等亮度下，白炽灯消耗的电能是荧光灯的5倍，是LED灯的15倍。
问题1．选用哪种照明灯具更加节能和环保，为什么？
提示：正常工作时，亮度相同，但LED灯消耗的电能少，所以选用LED灯更加节能和环保。
问题2．如果三种照明灯具的额定电压相同，则这三种灯具在相同时间内电流所做的功之比为多少？
提示：由题意可得W白∶W荧∶WLED＝15∶3∶1。
问题3．电能转化为其他形式的能是怎样实现的？
提示：电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的。
1．对电功的理解(1)从力的角度看，电流做功的实质是静电力对自由电荷做功。(2)从能的角度看，电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少。(3)电功W＝UIt＝qU和电功率P＝UI对任何电路都适用。
2．串、并联电路中的电功率
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。
【典例1】　(电功、电功率的概念)(多选)关于电功和电功率，下列说法正确的是(　　)A．电流做功就是静电力对电荷做功，从而把电能转化为其他形式的能B．电功率越大，电流做功越多C．电功率越大，电流做功越快D．在相等时间内，额定功率越大的用电器，电流做功一定越多
AC　[从电功的实质可知A正确；电功率是描述电流做功快慢的物理量，B错误，C正确；额定功率是用电器正常工作时的功率，而电流做功的多少由用电器的实际功率和做功所用时间共同决定，D错误。]
【典例2】　(串、并联电路的功率的计算)有额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W、PB＝40 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且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，即每盏灯的电压均为110 V，对A电路，因为RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110 V，B灯将被烧坏；对B电路，由于RB>RA，A灯又并联滑动变阻器，则RB>R并，UB＞U并，B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，滑动变阻器电阻可能等于两灯并联后的总电阻，可能有UA＝UB＝U并＝110 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。]
[链接教材]　如图所示是教材中提供的电热水器，若电热水器的电阻为R，流过其电阻的电流为I，如何计算电热水器产生的热量？
提示：根据Q＝I2Rt计算。
1．内容：电流通过导体产生的热量跟______________成正比，跟____________及__________成正比。2．表达式：Q＝________。3．热功率
如图所示是生活中常用的电烙铁和电熨斗。
问题1．如图所示的是电烙铁和电熨斗，为什么这些用电器通电后会发热呢？
提示：电流通过用电器时因电流做功，将电能转化为内能。
问题2．电烙铁通电后，电烙铁的烙铁头热得能把金属熔化，而与电烙铁相连的导线却不怎么热，为什么？
提示：由Q＝I2Rt可知，电烙铁的烙铁头电阻比导线的电阻大很多，因此相同时间内，Q烙铁头≫Q导线。
(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。
【典例4】　(焦耳定律的应用)有两个不同的电烙铁，电阻不变，其中甲的规格为“220 V　800 W”，乙的规格为“220 V　1 600 W”。当两电烙铁分别接通电源时，通过甲的电流为I1＝0.4 A，通过乙的电流为I2＝0.2 A，则甲工作t1＝10 s，乙工作t2＝20 s后释放的热能分别为多少？
[答案]　96.8 J　24.2 J
1．电动机的作用：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．能量转化关系式：P电＝__________，其中P电＝____，P机为__________，P损＝P热＝_____。3．正在充电的电池：电源的电能除了转化为电池的________之外，还有一部分转化为______。
知识点三　电路中的能量转化
如图所示为一正常工作的电动机，其工作电压为220 V。
问题1．电动机消耗的电能会全部转化为线圈产生的内能吗？
提示：不会，只有一部分转化为内能。
问题3．若电动机两端电压为U，内部线圈的电阻为r，流过电阻的电流为I，则电动机的输出功率P机是多少？
提示：P机＝UI－I2r。
1．纯电阻电路和非纯电阻电路
【典例6】　(电路中的能量转化)如图所示为直流电动机提升重物的装置，电动机的内阻一定，闭合开关K，当把它接入电压为U1＝0.2 V的电路时，电动机不转，测得此时流过电动机的电流是I1＝0.5 A；当把电动机接入电压为U2＝4.0 V的电路中，电动机正常工作且电动机匀速提升重物，工作电流是I2＝1.0 A，求：(1)电动机线圈的电阻r；(2)当U2＝4.0 V时，电动机正常工作的输出功率；(3)如果重物质量m＝1.0 kg，当U2＝4.0 V时电动机提升重物的速度大小。( g取10 m/s2)
[答案]　(1)0.4 Ω　(2)3.6 W　(3)0.36 m/s
规律方法　电动机电路的分析与计算
2．如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图。电动机内阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R＝10 Ω。直流电压U＝160 V，电压表示数UV＝110 V。(1)求通过电动机的电流。(2)求输入电动机的电功率。(3)若电动机以v＝1 m/s的速度匀速竖直向上提升重物，则该重物的质量为多少？(g取10 m/s2)(4)在提升过程中电动机被卡住，求电动机消耗的功率。
[答案]　(1)5 A　(2)550 W　(3)53 kg　(4)176 W
应用迁移·随堂评估自测
1．(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是(　　)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B．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt只适用于纯电阻电路C．在非纯电阻电路中，UI＞I2RD．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路
2．一根电阻丝，通过2 C的电荷量所消耗的电能是8 J。若在相同的时间内通过4 C的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是(　　)A．4 V，16 J B．8 V，16 JC．4 V，32 J D．8 V，32 J
3．在如图所示的电路中，有四盏灯，L1和L2都标有“220 V　100 W”字样，L3和L4都标有“220 V　40 W”字样，把电路接通后，最暗的是(　　)A．L1 B．L2C．L3 D．L4
4．(多选)如图为手持电风扇，因其小巧便携、可充电等特点深受人们的喜爱。某品牌手持风扇电阻为0.5 Ω，正常工作时的电压为3.7 V、功率为4.44 W。机内电池容量为1 800 mA·h。则(　　)A．该风扇正常工作时的电流为7.4 AB．该风扇正常工作时电动机的发热功率为0.72 WC．该风扇连续正常工作的时间为2.5 hD．若风扇叶片卡住不动，则电动机的发热功率可达27.38 W
回归本节知识，完成以下问题：1．如何从微观角度理解“电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的”？
提示：当在一段导体两端加上电压后，这段导体内部产生电场，在静电力作用下，自由电荷定向移动形成电流，静电力对自由电荷做功，电荷的电势能减少，减少的电势能转化为其他形式的能。
2．电流的热效应实质是什么？
提示：电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为导体的内能。
3．根据U＝IR和W＝UIt也可以得到Q＝I2Rt，是不是电流做了多少功，就产生多少的热量呢？
提示：不是，因为电流做功并不一定全部转化为内能，有可能同时转化为其他形式的能。
阅读材料·拓宽物理视野
焦耳及焦耳定律焦耳(1818—1889)是英国人，1818年12月24日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着父亲酿酒，没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了著名化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。
1841年，在焦耳23岁时，焦耳开始对通电导体放热的问题进行了深入的研究。他把父亲的一间房子改成了实验室，一有空便钻到实验室里忙个不停。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上，做成了1个电热器。然后把电热器放入1个玻璃瓶中，瓶中装有已知质量的水。给电热器通电并开始计时，用鸟的羽毛轻轻搅动水，使水温度均匀。通过插在水中的温度计可随时观察到水温的变化，同时用电流计测出电流的大小。焦耳做了大量的实验，精确地确定了电流产生的热量跟电阻、电流大小和通电时间的定量关系：电流通过导体
时产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。物理学把这个规律叫作焦耳定律。焦耳定律可以用能量转化和守恒的观点来解释：电流通过导体时，电阻越大，电流越大，时间越长，电流做的功就越多，所产生的热量就越多。
在工农业生产和日常生活中，人们有时候要利用电流产生热量。电烙铁、电炉、电熨斗、电烤箱等设备，都是常见的电热器，它们的设计都以焦耳定律作为理论依据。当然，电流产生的热量也有不利的一面，例如通过电视机的电流比较大，机内元件发出的热量就比较多，夏天收看电视节目时，如果开机时间过长又不注意通风，电视机容易因为过热而损坏。
问题　试猜想电视机发热的原因。
提示：电视机内部元件有电阻。
题组一　电功和电功率1．(多选)下列关于电功和电功率的说法正确的是(　　)A．用电器的额定功率与用电器的实际电压和实际电流有关B．电功是电能转化为其他形式能的量度C．白炽灯正常工作时，实际功率等于额定功率D．电功率越小，则电流做功越少
课时分层作业(十三)　电路中的能量转化
BC　[用电器的额定功率是它正常工作时的功率，其值是由用电器本身的结构决定的，与实际电流和实际电压无关，A项错误，C项正确；功是能量转化的量度，电功是量度电能转化成其他形式能量的物理量，B项正确；电流做功的多少不仅与功率的大小有关，还与通电时间有关，D项错误。]
3．把6个相同的电灯接成如图甲、乙所示的两电路，通过调节供电电压与变阻器R1、R2的阻值，使两组电灯均能正常发光，并且两电路消耗的总电功率也相同，则R1、R2大小满足(　　)A．R2＝9R1B．R2＝6R1C．R2＝3R1D．R1＝R2
A　[设每个灯泡正常发光时的电流为I，则题图甲中总电流为3I，题图乙中总电流为I；要使两电路消耗的总电功率也相同，需使PR1＝PR2，即(3I)2R1＝I2R2，故R2＝9R1，所以选项A正确。]
5．在直流电路中，两个电阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通过的电流之比I1∶I2＝2∶1，则在相等时间内两个电阻产生的热量之比Q1∶Q2为(　　)A．1∶1　B．2∶1C．4∶1　D．8∶1
题组三　电路中的能量转化6．有三个用电器，分别为日光灯、电烙铁和电风扇，它们的额定电压和额定功率均为“220 V　60 W”。现让它们在额定电压下工作相同时间，产生的热量(　　)A．日光灯最多B．电烙铁最多C．电风扇最多D．一样多
B　[电烙铁是纯电阻用电器，即以发热为目的，电流通过它全部用来产生热。而日光灯和电风扇是非纯电阻用电器，电流通过它们时产生的热量很少，电能主要转化为其他形式的能(光能和叶片动能)。综上所述，B正确。]
8．(多选)如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的内阻R2＝10 Ω。当开关断开时，电流表的示数是0.5 A，当开关合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(　　)A．I＝1.5 A B．I＜1.5 AC．P＝15 W D．P＜15 W
9．为了生活方便，电热水壶已进入千家万户，如果将一电热水壶接在220 V的电源两端，经时间t0电热水壶的开关自动切断，假设热量的损失不计、加热丝的阻值不受温度的影响。则(　　)A．如果将电热水壶接在110 V的电源两端，需经2t0的时间电热水壶的开关自动切断 B．如果将电热水壶接在110 V的电源两端，需经16t0的时间电热水壶的开关自动切断
C．如果将电热水壶接在55 V的电源两端，需经4t0的时间电热水壶的开关自动切断D．如果将电热水壶接在55 V的电源两端，需经16t0的时间电热水壶的开关自动切断
10．某简易电吹风简化电路如图所示，其主要部件为电动机M和电热丝，部分技术参数如下表，电吹风在220 V电压下工作。下列说法正确的是(　　)
A．开关S1、S2都闭合时电吹风吹冷风B．该电吹风中电动机的内电阻为440 ΩC．吹热风时电热丝的功率为990 WD．吹热风时通过电热丝的电流为4 A
11．规格为“220 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω。(1)接220 V的电源后，求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上(1)中电源后，扇叶卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率。
[答案]　(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W
12．随着智能化时代的到来，扫地机器人已进入千家万户，扫地机器人的核心部件是微型吸尘器，内部有直流电动机，电路如图所示，当调节滑动变阻器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0.3 A和0.3 V，重新调节R并使电动机正常运转，此时电流表和电压表的示数分别为0.8 A和2.0 V，求：
(1)电动机的内阻；(2)电动机正常运转时的输出功率；(3)电动机正常运转时的工作效率。
[答案]　(1)1.0 Ω　(2)0.96 W　(3)60%
13．如图是某品牌吊扇的相关参数，则下列判断正确的是(　　)
A．吊扇的内电阻约为293 ΩB．正常工作时吊扇的发热功率大于165 WC．正常工作1小时吊扇的发热量等于5.94×105 JD．正常工作1小时吊扇输出的机械能小于5.94×105 J