高中物理粤教版 (2019)必修 第三册电路中的能量导学案

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第一节 电路中的能量
第1课时 电功和电热
学习任务一 电功和电功率
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
1.电功
(1)定义:电场力对自由电荷所做的功,称为 .根据功与能的关系,电功的大小等于被消耗的电能.
(2)公式:W= .
(3)单位: ,简称 ,符号: .常用的单位:千瓦时(kW·h),也称“度”,1 kW·h= J.
2.电功率
(1)定义: 与完成这些功所用时间之比.
(2)公式:P= .
(3)单位: ,简称瓦,符号: .常用单位还有 ,1 kW= W.
(4)意义:表示电流做功的快慢.
(5)额定功率与实际功率: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,在实际计算用电器的功率时,要注意两者的区别.
[物理观念] 串、并联电路中电功率的计算
(1)串联电阻的功率分配规律:各电阻上的电功率与电阻成正比,即P1P2=R1R2.
(2)并联电阻的功率分配规律:各支路电阻上的电功
率与电阻成反比,即P1P2=R2R1.
(3)串、并联电路的总功率:电路消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和,即P总=P1+P2+…+Pn.
例1 小灯泡L1和L2分别标有“6 V 3 W”、“6 V 6 W”,将L1和L2分别如图甲、乙所示的方式与同一电源连接,闭合开关S后,L1和L2都能发光,(假设灯丝电阻不变),下列说法正确的是( )
A.甲图中通过L1的电流大于通过L2的电流
B.乙图中L1比L2更亮些
C.乙图中L1、L2两端的实际电压相等
D.甲、乙两图中L1的实际功率都小于L2的实际功率
变式1 [2024·广雅中学月考] 一种服务型机器人,其额定功率为48 W,额定工作电压为24 V.机器人的锂电池容量为20 A·h.则机器人( )
A.额定工作电流为20 A
B.充满电后最长工作时间为2 h
C.以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J
D.电池充满电后总电荷量为7.2×104 C
学习任务二 焦耳定律
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
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=Qt= .
例2 [2024·深圳中学月考] 把家用电炉的电热丝剪去一小段后,继续使用,则在同样的时间内( )
A.由Q=I2Rt可知,电炉的发热量减小
B.由Q=UIt可知,电炉的发热量不变
C.由Q=U2Rt可知,电炉的发热量增大
D.无法确定
变式2 电饭锅工作时有两种状态:一种是锅内水烧干以前的加热状态,另一种是水烧干以后的保温状态.如图是电饭锅的电路图,R1是分压电阻,R2是加热用的电阻丝.已知电源输出电压恒为U=220 V,R1=792 Ω,保温状态时电路电流为I=0.25 A.下列说法正确的是( )
A.自动开关S接通时,电饭锅处于保温状态
B.电阻丝的电阻R2=880 Ω
C.R2在保温状态下的功率是加热状态下的1100
D.若仅换用阻值更大的加热电阻丝,保温状态时电阻丝的功率一定增大
学习任务三 闭合电路中的能量
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
1.闭合电路中的能量:EI=U内I+U外I
EI指 ,U内I指 消耗的功率,U外I指 消耗的功率.
2.电动势反映了电源把其他形式的能转化为电能的能力.当电路通过相同的电流时,电源电动势越大,电源提供的 越大,电源把 转化为电能的能力越强.
[物理观念]
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.
(3) 纯电阻电路与非纯电阻电路的比较
2.电动机的简单模型及其功率、效率
(1)电动机的总功率(输入功率):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.
例3 [2024·湛江一中月考] 如图所示电路中电源电动势E=12 V,内阻r=1 Ω,灯泡上标有“4 V 8 W”字样,电动机线圈电阻RM=1 Ω,已知灯泡恰好正常工作,下列说法正确的是( )
A.电动机两端的电压为8 V
B.电动机的电功率为4 W
C.电动机的输出功率为8 W
D.若电动机突然被卡住,灯泡会变暗
变式3 [2024·广东实验中学月考] 如图甲所示,用充电宝为一手机电池充电,其等效电路如图乙所示.在充电开始后的一段时间t内,充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的,设手机电池的电阻为r,则时间t内( )
A.充电宝输出的电功为UIt
B.充电宝产生的热功率为I2r
C.手机电池产生的焦耳热为U2rt
D.手机电池储存的化学能为UIt+I2rt
1.(电功和电热)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W=I2Rt=U2Rt只适用于纯电阻电路
C.在非纯电阻电路中,UIt>I2Rt
D.热量Q=I2Rt适用于任何电路
2.(纯电阻电路与非纯电阻电路的功率)[2024·广州六中月考] 一台电风扇和一电热毯上都标有“220 V 60 W”的字样,当它们正常工作时( )
A.它们的电阻值一定相等
B.通过它们的电流一定不同
C.它们的发热功率一定相等
D.它们消耗的电功率一定相等
3.(闭合电路的能量)(多选)USB电风扇体积小、便于携带,并且采用了新型的无刷直流电机,比传统的马达风扇更安静、更省电.目前,USB电风扇已经成了上班族、学生党的常备利器.若风扇内部电源电动势为E,内阻为r,电机内阻为R,正常工作时两端电压为U,输入电流为I,则以下说法正确的是( )
A.电机产生的热功率P热=U2R
B.电源的总功率P总=EI
C.电机消耗的电功率P电=UI
D.电机输出的机械功率P出=I2R
第五章 电能与能源的可持续发展
第一节 电路中的能量
第1课时 电功和电热
[教材链接] 1.(1)电功 (2)UIt (3)焦耳 焦 J 3.6×106 2.(1)电流做功 (2)Wt (3)瓦特 W kW 103
例1 B [解析] 根据P=U2R,可知小灯泡L1和L2的电阻关系为R1>R2,根据I=UR,可知甲图中通过L1的电流小于通过L2的电流,故A错误;L1和L2串联在电路中,则流过L1和L2的电流相等,根据P=I2R,可知L1的功率更大,故乙图中L1比L2更亮些,故B正确;乙图中L1和L2串联在电路中,则流过L1和L2的电流相等,L1的内阻较大,可知乙图中L1两端的实际电压较大,故C错误;甲图中L1的实际功率小于L2的实际功率,乙图中L1的实际功率大于L2的实际功率,故D错误.
变式1 D [解析] 额定功率为48 W,额定工作电压为24 V,则额定工作电流为I=PU=4824 A=2 A,故A错误;充电后最长工作时间t=20A·h2A=10 h,故B错误;机器人的额定功率为48 W,则以额定电流工作时每秒消耗能量为W=Pt=48×1 J=48 J,故C错误;电池充满电后总电荷量为Q=20 A·h=20 A×3600 s=7.2×104 C,故D正确.
[教材链接] 1.(1)电流的二次方 导体的电阻 通电时间 (2)I2Rt 2.(2)I2R
例2 C [解析] 因电阻丝剪去一小段后,由电阻定律可知,总电阻减小,而电路中的电压U不变,故由电功的计算公式Q=U2Rt,因时间、电压均保持不变,电阻减小,电功变大,发热量就增大,故选C.
变式2 C [解析] 自动开关S接通时,电路总电阻较小,电功率较大,应该处于加热状态,故A错误;保温状态时,满足I=UR1+R2,代入数据得R2=88 Ω,故B错误;R2在保温状态下的功率P2'=I2·R2=0.252×88 W=5.5 W,加热状态下的功率为P2=U2R2=220288 W=550 W,则P2'P2=1100,故C正确;若仅换用阻值更大的加热电阻丝,保温状态时把R1看成电源内阻,则R2的功率等效于电源的输出功率,由于不知道R2到底增大到多大,故电阻丝的功率不一定增大,故D错误.
[教材链接] 1.电源提供的电功率 内电路上 外电路上
2.电功率 其他形式的能
例3 C [解析] 灯泡正常发光,所以回路中的电流I=PLUL=84 A=2 A,由E=UL+UM+Ir,代入数据解得UM=6 V,故A错误;电动机的电功率PM=UMI=6×2 W=12 W,故B错误;根据功率关系得P出=PM-I2RM=12 W-22×1 W=8 W,故C正确;电动机被卡住后,此时相当于纯电阻,电路电流会变大,灯泡会变亮,故D错误.
变式3 A [解析] 充电宝的输出电压为U、输出电流为I,所以时间 t 内充电宝输出的电功为W=UIt,A正确;充电宝内的电流也是I,但其电阻未知,所以无法判断充电宝产生的热功率,B错误;U是充电宝的输出电压,不是手机电池的内电压,所以不能用U2rt计算手机电池产生的焦耳热,手机电池产生的焦耳热应为I2rt,故C错误;充电宝输出的电能一部分转化为手机电池储存的化学能,一部分转化为手机电池产生的焦耳热,故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为UIt-I2rt,D错误.
随堂巩固
1.A [解析] 电功率越大,则电流做功越快,但电路中产生的热量不一定越多,A错误.W=UIt是电功的定义式,适用于任何电路,而W=I2Rt=U2Rt只适用于纯电阻电路,B正确.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W>Q,即UIt>I2Rt,C正确.Q=I2Rt是热量的定义式,适用于计算任何电路中产生的热量,D正确.
2.D [解析] 电风扇为非纯电阻电路,其电阻一定小于电热毯的电阻,故A错误;根据P=UI可知,因功率相等,电压相等,故通过的电流一定相同,故B错误;因电风扇消耗的电功率只有部分转化为热量,故发热功率一定小于电热毯的发热功率,故C错误;根据铭牌信息可知,它们正常工作时,消耗的电功率一定相等,故D正确.
3.BC [解析] 由于电动机电路为非纯电阻电路,电动机正常工作时的热功率为P热=I2R,故A错误;电源的总功率为P总=EI,故B正确;电动机消耗的电功率为P电=UI,故C正确;电机输出的机械功率P出=UI-I2R,故D错误.
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
UIt=I2Rt=U2Rt
W=Q+E其他
UIt=I2Rt+E其他
电功率和热
功率的关系
P=P热
UI=I2R=U2R
P=P热+P其他
UI=I2R+P其他
欧姆定律
是否成立
U=IR
I=UR
成立
U>IR
I