高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第3节 电功与电热一等奖教案设计

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第3节 电功与电热一等奖教案设计，共13页。







知识点一 电功和电功率





[观图助学]





电熨斗通电时发热，电动机通电时对外做功，这两种电器的内能、机械能都是电能转化而来的。能量的转化是通过电流做功实现的。


1.电功


(1)自由电荷在电场力的作用下定向运动而形成电流，电场力对自由电荷做的功，称为电功。


(2)公式：如果电路两端的电压是U，电流为I，在时间t内电流做的功W＝UIt。


2.电功率：单位时间内电流所做的功就叫做电功率。用公式表示为：P＝eq \f(W,t)＝UI，单位：瓦特(W)。


知识点二 焦耳定律


1.焦耳定律


(1)内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。这就是焦耳定律。


(2)公式：Q＝I2Rt。


(3)在只含电阻的纯电阻电路中，由U＝IR，可推得Q＝eq \f(U2,R)t。


2.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电热。


(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，电能除部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能。


(3)纯电阻电路中：W＝Q；P＝P热；


非纯电阻电路中：W＝Q＋E其他>Q；P＝P热＋P其他>P热。


[思考判断]


(1)电功率越大，电功越大。(×)


(2)1千瓦时＝3.6×106 J。(√)


(3)非纯电阻电路中，电热的表达式是Q＝I2Rt。(√)


(4)电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热。(×)


(5)根据I＝eq \f(U,R)可导出P＝eq \f(U2,R)，该公式可用于任何用电器。(×)


知识点三 身边的电热


1.电流热效应的应用


如电热水器、电饭锅、电刻笔、电焊等都是利用电流的热效应工作的。


2.电流热效应的危害


如果插头和插座之间接触不良会迸出火花。在输电线路中由于电热，降低电能的传输效率，电流过大，散热不好，还会烧坏电线的绝缘层，引起漏电、触电等事故。








研究电路中的能量转化关系，首先应该研究电流做的功，即电功。








电功的微观解释


当给导体两端加上电压后，导体内部产生电场，在静电力作用下，自由电荷定向移动就形成了电流，静电力对自由电荷做功，也是电场力对移动电荷做功，在直流电路部分，就称为电功。通过静电力做功，用电器把电能转化成了各种各样的能量，服务于我们现在的生活。











电功率是衡量用电器做功快慢的物理量








电热的微观解释


在自由电荷定向移动时，由于导体中金属离子的存在，自由电荷不断地与金属离子发生碰撞，使得金属离子的运动加剧，从而使导体温度升高，即产生了电热，这一过程中电能转化为内能，电热的多少反映了电能转化为内能的多少。








(1)纯电阻电路的模型及能量转换关系





(2)非纯电阻电路的模型及能量转换关系








核心要点 电功和电功率





[要点归纳]


1.对电功的理解


(1)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。


(2)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。


2.对电功率的理解


(1)电功率表示电流做功的快慢或用电器消耗电能的快慢。


(2)公式P＝eq \f(W,t)＝UI对任何电路都适用。


3.额定功率和实际功率


(1)额定功率：用电器正常工作时所消耗的功率，当用电器两端的电压达到额定电压或电流达到额定电流时，用电器达到额定功率。P额、I额、U额其中一个达到额定值，则另外两个也为额定值。


(2)实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率，一般情况下，为保证用电器的安全，实际功率应小于或等于额定功率。


[试题案例]


[例1] (多选)下列关于电功和电功率的说法中，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


解析 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，故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，所以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。


答案 BC


[针对训练1] 一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36 W 与36 V。若把此灯泡接到输出电压为18 V的电源两端，则灯泡消耗的电功率( )


A.等于36 W B.小于36 W，大于9 W


C.等于9 W D.小于9 W


解析 白炽灯在正常工作时的电阻为R，由P＝eq \f(U2,R)变形得R＝36 Ω，当接入18 V电压时，假设灯泡的电阻也为36 Ω，则它消耗的功率为P′＝eq \f(U ′,R′)＝eq \f(182,36) W＝9 W，但是当灯泡两端接入18 V电压时，它的发热功率小，灯丝的温度较正常工作时的温度低，其电阻率小，所以其电阻要小于36 Ω，其实际功率要大于9 W，故选项B正确。


答案 B


核心要点 纯电阻电路和非纯电阻电路


[要点归纳]


纯电阻电路和非纯电阻电路





[试题案例]


[例2] 规格为“220 V 36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，求：


(1)接上220 V的电压后，求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；


(2)如果接上220 V的电压后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率。


解析 (1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为I＝eq \f(P,U)＝eq \f(36,220) A≈0.16 A


发热功率为P热＝I2R＝(0.16)2×40 W≈1 W


转化为机械能的功率为


P机＝P电－P热＝36 W－1 W＝35 W。


(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功消耗的电能全部转化为热能，此时电动机中电流为


I′＝eq \f(U,R)＝eq \f(220,40) A＝5.5 A


电动机消耗的功率即发热功率


P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W。


答案 (1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W


方法凝炼 解答有关电动机问题时注意


(1)当电动机不转时可以看成纯电阻电路，P＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R)均成立。


(2)当电动机正常工作时，是非纯电阻电路


P电＝UI>P热＝I2R，U≠IR而有U>IR。


(3)输入功率指电动机消耗的总功率，热功率是线圈上的电阻的发热功率。输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，三者的关系UI＝I2R＋P机。


[针对训练2] (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。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0.5 A和1.0 V；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2.0 A和15.0 V。则有关这台电动机正常运转时的说法正确的是( )





A.电动机的内电阻为2 Ω


B.电动机的内电阻为7.5 Ω


C.电动机的输出功率为30 W


D.电动机的输出功率为22 W


解析 当电动机不转动时，电动机消耗的电功率等于热功率，电压表与电流表示数的比值就是电动机的电阻，即R＝eq \f(U,I)＝2 Ω，选项A正确，B错误；当电动机正常工作时，电动机的输出功率为P出＝U′I′－I′2R＝22 W，选项C错误，D正确。


答案 AD








1.(电功和电功率的理解)(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是( )








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＝IUt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝eq \f(U2,R)t只适用于纯电阻电路


C.在非纯电阻电路中，UI>I2R


D.焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路


解析 电功率公式P＝eq \f(W,t)，表示电功率越大，电流做功越快。对于一段电路，有


P＝UI，I＝eq \f(P,U)，焦耳热Q＝(eq \f(P,U))2Rt，可见Q与P、U、t都有关，所以P越大，Q不一定越大，A错误；W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝eq \f(U,R)只适用于纯电阻电路，B正确；在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即IU>I2R，C正确；Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D正确。


答案 BCD


2.(焦耳定律的应用)通过电阻R的电流为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流为eq \f(I,2)，则在时间t内产生的热量为( )


A.4Q B.2Q


C.eq \f(Q,2) D.eq \f(Q,4)


解析 根据Q＝I2Rt得，电阻变为原来的2倍，电流变为原来的eq \f(1,2)，时间不变，则热量变为原来的eq \f(1,2)，C正确。


答案 C


3.(非纯电阻电路的特点及有关计算)如图所示是一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。试求：





(1)通过电动机的电流；


(2)输入电动机的总功率；


(3)电动机输出的机械功率。


解析 (1)由电路中的电压关系可得电阻R的电压


UR＝U－UV＝(160－110) V＝50 V


通过电阻R的电流IR＝eq \f(UR,R)＝eq \f(50,10) A＝5 A


即通过电动机的电流IM＝IR＝5 A。


(2)电动机的分压UM＝UV＝110 V


输入电动机的总功率P总＝IMUM＝550 W。


(3)电动机的热功率P热＝Ieq \\al(2,M)r＝20 W


电动机输出的机械功率P出＝P总－P热＝530 W。


答案 (1)5 A (2)550 W (3)530 W











基础过关


1.(多选)关于电功，下列说法中正确的有( )


A.电功的实质是静电力所做的功


B.电功是电能转化为其他形式能的量度


C.静电力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大


D.电流通过电动机时的电功率和热功率相等


答案 AB


2.室内有几种用电器：1.5 kW的电饭煲、200 W的电冰箱、750 W的取暖器、


250 W的电视机和2 kW的空调器。如果进线处有13 A的保险丝，供电电压为


220 V，下列情况下不可能同时使用的是( )


A.电饭煲和电冰箱


B.取暖器和空调器


C.电饭煲和空调器


D.电冰箱、电视机和空调器


解析 电路中允许的最大功率为Pm＝UI＝2 860 W。用电器的功率之和大于Pm时，用电器就不可能同时使用，故选项C正确。


答案 C


3.(多选)关于四个公式①P＝UI；②P＝I2R；③P＝eq \f(U2,R)；④P＝eq \f(W,t)，下列叙述正确的是( )


A.公式①、④适用于任何电路的电功率


B.公式②适用于纯电阻电路的热功率


C.公式①、②、③适用于任何电路的电功率


D.以上说法都不对


解析 公式P＝UI，P＝eq \f(W,t)，适用于任何电路；公式P＝I2R，P＝eq \f(U2,R)，只适用于纯电阻电路。


答案 AB


4.额定电压为4.0 V的直流电动机的线圈电阻为1.0 Ω，正常工作时，电动机线圈每秒产生的热量为4.0 J，下列计算结果正确的是( )


A.电动机正常工作时的电流强度为4.0 A


B.电动机正常工作时的输出功率为8.0 W


C.电动机每分钟将电能转化成机械能为240.0 J


D.电动机正常工作时的输入功率为4.0 W


解析 由焦耳定律，Qr＝I2rt解得I＝2.0 A，故电动机正常工作时的电流为2.0 A，选项A错误；电动机正常工作时的输入功率P＝UI＝8.0 W，电动机的热功率为Pr＝I2r＝4.0 W，所以电动机正常工作时的输出功率P出＝P－Pr＝4.0 W，选项B、D错误；电动机每分钟将电能转化成机械能E机＝P出t＝240.0 J，故选项C正确。


答案 C


5. (多选)如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的电阻R2＝10 Ω。当开关断开时，电流表的示数是0.5 A，当开关闭合后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，此时电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是( )








A.I＝1.5 A B.I<1.5 A


C.P＝15 W D.P<15 W


解析 当开关断开时，根据U＝IR算出电路两端的电压为10 V，开关闭合后，电阻R1中的电流没变，电动机两端电压也为10 V。此电压不可能全部加在电动机的内阻上，故电动机中的电流不可能达到1 A，所以总电流小于1.5 A。据P＝UI可知，电路的功率也小于15 W。选项B、D正确。


答案 BD


6.一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(其内电阻可忽略不计)，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0.50 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


解析 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，其热功率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。


答案 C


7.(多选)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内( )


A.电炉放热与电动机放热相等


B.电炉两端电压小于电动机两端电压


C.电炉两端电压等于电动机两端电压


D.电动机消耗的功率大于电炉的功率


解析 电炉属于纯电阻元件，电动机属于非纯电阻元件，对于电炉有：U＝IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R。对于电动机有：U′>IR，放热Q′＝I2Rt，消耗功率P′＝U′I>I2R。


答案 ABD


能力提升


8. (多选)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，S是感温材料制造的开关。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接通时电饭锅为加热状态，S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时一半，eq \f(R1,R2)应为(eq \r(2)－1)∶1


解析 由P＝eq \f(U2,R)得：当接通S时，电阻变小，功率变大，处于加热状态；当断开S时，电阻变大，功率变小，处于保温状态。由上可知，R2是供加热用的电阻丝，故A正确；当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态，故B正确；要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，由P＝I2R可得：电阻R2在保温与加热状态下的电流之比1∶eq \r(2)，所以(R1＋R2)∶R2＝eq \r(2)∶1，则R1∶R2＝(eq \r(2)－1)∶1，故C错误，D正确。


答案 ABD


9.如图为一种服务型机器人，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.电池充满电后总电荷量为7.2×104 C


D.以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J


解析 由P＝IU知额定电流I＝eq \f(P,U)＝2 A，选项A错误；充满电后，锂电池容量为20 A·h，最长工作时间t1＝eq \f(Q,I)＝10 h，选项B错误；电池充满电后总电荷量Q＝It2＝20×3 600 C＝7.2×104 C，选项C正确；以额定电流工作时每秒消耗能量W＝IUt3＝48 J，选项D错误。


答案 C


10.一台小型电动机在380 V电压下正常工作时，能将30 kg 的货物在30 s内匀速提升30 m，通过它的电流是1 A。除电动机线圈生热外，其他能量损失不计，求在此过程中：(g取10 m/s2)。


(1)拉力对货物做功的功率；


(2)电动机的输出功率；


(3)电动机线圈所产生的热量。


解析 (1)货物匀速上升，故牵引力等于重力，


故有F＝mg＝30×10 N＝300 N，


上升的速度为v＝1 m/s，


故牵引力的功率为P＝Fv＝300×1 W＝300 W。


(2)电动机的输出功率为300 W。


(3)由能量守恒定律可知


Q＝IUt－mgh＝(1×380×30－300×30) J＝2 400 J。


答案 (1)300 W (2)300 W (3)2 400 J


11.如图所示为国庆群众游行队伍中的国徽彩车，不仅气势磅礴而且还是一辆电动车，充一次电可以走100公里左右。假设这辆电动彩车总质量为6.75×103 kg，当它匀速通过天安门前500 m的检阅区域时用时250 s，驱动电机的输入电流I＝10 A，电压为300 V，电动彩车行驶时所受阻力为车重的0.02。g取10 m/s2，不计摩擦，只考虑驱动电机的内阻发热损耗能量，求：





(1)驱动电机的输入功率；


(2)电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率；


(3)驱动电机的内阻和机械效率。


解析 (1)驱动电机的输入功率P入＝UI＝300×10 W＝3 000 W。


(2)电动彩车通过天安门前的速度v＝eq \f(x,t)＝2 m/s


电动彩车行驶时所受阻力Ff＝0.02mg＝0.02×6.75×103×10 N＝1.35×103 N


电动彩车匀速行驶时F＝Ff，故电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率P机＝Fv＝2 700 W。


(3)设驱动电机的内阻为R，由能量守恒定律得


P入t＝P机t＋I2Rt


解得驱动电机的内阻R＝3 Ω


驱动电机的机械效率η＝eq \f(P机,P入)×100%＝90%。


答案 (1)3 000 W (2)2 700 W (3)3 Ω 90%


核心素养
物理观念
科学态度与责任
能理解电功、电功率及焦耳定律的内涵；能用焦耳定律解释生产、生活中的电热现象，能解决一些电热问题。具有与恒定电流相关的能量观念。
能体会电能的使用对人类生活和社会发展的影响。
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


UIt＝I2Rt＋E其他
电功率和


热功率的


关系
P＝P热


即UI＝I2R＝eq \f(U2,R)
P＝P热＋P其他


即UI＝I2R＋P其他
欧姆定律


是否成立
成立


U＝IR I＝eq \f(U,R)
不成立


U>IR I