物理人教版 (2019)1 电路中的能量转化学案设计

这是一份物理人教版 (2019)1 电路中的能量转化学案设计，共11页。学案主要包含了电功和电功率，焦耳定律，电路中的能量转化等内容，欢迎下载使用。

一、电功和电功率
1．电流做功与能量转化：电能转化为其他形式的能，是通过________做功来实现的．
2．电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的________在做功．
3．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J.
4．电功率表示电流做功的快慢
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与________之比．
(2)公式：P＝＝________．
(3)P＝UI公式表示，电流在一段电路中做功的功率P等于这段电路两端的电压U与电流I的乘积．
(4)单位：国际单位是________，符号是________．
二、焦耳定律
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
(1)热功率是指单位时间内，电流通过导体发热的功率．
(2)表达式：P＝________．
(3)物理意义：表示电流____________的物理量．
三、电路中的能量转化
1．焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况，这种只含有电阻的电路叫作________电路．实际中有些电路除含有电阻外还含有其他负载，如电动机、正在充电的电池，这种电路叫作非纯电阻电路．
欧姆定律不再适用
2．电动机工作时的能量转化
(1)能量关系：电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能．
(2)功率关系：电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和，即P电＝P机＋P损，P电＝____，P损＝________．
3．电池充电时的能量转化
电池从电源获得的能量一部分转化为________能，还有一部分转化为内能．
【情境思考】
电吹风工作时将电能转化为内能和机械能，电熨斗将电能转化为内能．判断下列关于电功、电功率及电热的说法的正误．
(1)电功W＝UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功．( )
(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)电动机是非纯电阻用电器，所以在任何情况下，都不能将电能全部转化为内能．( )
(4)三个公式P＝UI、P＝I2R、P＝没有任何区别，它们表达相同的意义，所以三式中P都是电功率．( )
拓展 1 电流做功和电势能的变化的关系
电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．自由电荷在静电力的作用下做定向移动，结果电荷的电势能减少，其他形式的能增加．
拓展2 结合已学知识和你的生活经验，说说下列用电器工作时的能量转化情况．
(1)电风扇 (2)电解槽 (3)电热水器
提示：
(1)电风扇：电能转化为机械能和内能．
(2)电解槽：电能转化为化学能和内能．
(3)电热水器：电能转化为内能．
拓展3 某种台灯亮度调节器电路图
(1)圆环为电阻丝，P为可调节滑片．
(2)台灯的功率P＝，式中R为台灯的电阻，在电源电压不变时，电路中的电阻随P的移动而改变，当P滑到c点时电阻丝接入电路的电阻最大，台灯最暗．
目标一 电功和电热
【导思】——————————————————○
(1)如图所示是电烙铁和电熨斗，为什么这些用电器通电后会发热呢？
(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？



【归纳】——————————————————○
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＝t＝I2Rt；
②电功率和热功率相等，P电＝P热＝UI＝I2R＝；
③欧姆定律成立，由UIt＝I2Rt得I＝.
(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】——————————————————○
例1 (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＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝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
例2 额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W的灯泡两盏，若接在电压为220 V的电路上，两盏灯泡均能正常发光．下列选项中给出的连接方式中消耗功率最小的是( )
思维提升
功率求解的技巧
(1)在纯电阻电路中，比较用电器的电功率时，要根据已知条件灵活选用公式，如用电器电流相同时，用P＝I2R比较，若电压相同时，用P＝比较，若电阻相同时，可根据I或U的关系比较．
(2)求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要明确是正比还是反比关系．
(3)当求解用电器的功率时，要明确求解的是什么功率．实际功率与额定功率不一定相等．
[训练1] 有两盏电灯L1和L2，用图中所示的两种方式连接到电路中，已知电压U相同，且两盏电灯均能发光，则关于甲、乙两个电路中电灯L1的亮度的说法正确的是( )

甲 乙
A．图甲电路中灯L1比乙图电路中灯L1亮
B．图乙电路中灯L1比甲图电路中灯L1亮
C．两个电路中灯L1一样亮
D．不知它们的额定电压和额定功率，无法判断
[训练2] 标有“6 V 3 W”的甲灯和“12 V 12 W”的乙灯，并联接在6 V的电源上(假设灯丝的电阻不变)．下列说法正确的是( )
A．甲、乙两灯消耗的电能之比是1∶4
B．甲、乙两灯的电压之比是1∶2
C．通过甲、乙两灯的电流之比是1∶2
D．甲、乙两灯的实际电功率之比是1∶1
目标二 纯电阻电路中的功率
【导思】——————————————————○
如图所示，标有“220 V 60 W”的白炽灯和“220 V 60 W”的电风扇，把它们并联后接到220 V的照明电路中，二者都能正常工作．
它们在相同的时间内产生的电热相同吗？为什么？





【归纳】——————————————————○
1．串、并联电路中的功率关系
2.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较
提醒：解决实际问题时，注意纯电阻电路和非纯电阻电路中能量转化的不同．
3．电动机的功率和效率
(1)电动机的总功率(输入功率)：P总＝UI.
(2)电动机发热的功率：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＝×100%.
【典例】——————————————————○
例3 三个阻值相同的灯泡，其允许消耗的最大功率都是10 W．现将它们按如图所示方式连接，整个电路允许消耗的最大功率为( )
A．30 W B．20 W
C．15 W D．10 W
例4 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．求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻．
思维提升
电动机电路的分析与计算
[训练3] A、B、C三个灯泡按如图所示的方式连接时，各自消耗的实际功率相同，则RA∶RB∶RC为( )
A．1∶1∶1 B．1∶2∶2
C．2∶1∶1 D．1∶4∶4
[训练4] 小强坐在汽车的副驾驶位上看到一个现象：当汽车的电动机启动时，汽车的车灯会变暗．汽车的蓄电池、定值电阻、电流表、车灯、电动机连接的简化电路如图甲所示．汽车蓄电池的电压为12.5 V且保持不变，车灯接通电动机未启动时，电流表示数为10 A；车灯接通电动机启动时，电流表示数为70 A，已知车灯的I­U图像如图乙所示．
(1)求定值电阻R的阻值．
(2)车灯接通电动机启动时，车灯的功率减少了多少？
(3)车灯接通电动机启动2 s过程中电动机消耗的电能为多少？
1．功率为10 W的发光二极管(LED灯)的亮度与功率为60 W的白炽灯相当．根据国家节能战略，2016年前普通白炽灯应被淘汰．假设每户家庭有2个60 W的白炽灯，均用10 W的LED灯替代，估算出全国一年能节省的电能最接近(已知全国大约有4.5亿户人家，每家每天亮灯时间大约为3 h)( )
A．5×108 kW·h B．5×1010 kW·h
C．5×1012 kW·h D．5×1013 kW·h
2．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∶1 C．4∶1 D．8∶1
3.(多选)如图所示为某电学元器件的伏安特性曲线，图中虚线为曲线上P点的切线．当通过该元器件的电流为0.4 A时( )
A．该元器件的阻值为250 Ω
B．该元器件的阻值为125 Ω
C．该元器件消耗的电功率为20 W
D．该元器件消耗的电功率无法求解
4．(多选)有一种电吹风由线圈电阻为r的小型电动机与电阻为R的电热丝串联组成，电路如图所示．将电吹风接在电路中，电吹风两端的电压为U，电吹风正常工作，此时电热丝两端的电压为U1.则下列判断正确的是( )
A．电热丝中的电流大小为
B．电动机线圈的发热功率为
C．电动机消耗的功率为(U－U1)
D．>
5．某电动自行车的主要技术参数如下表，若该车在额定功率状态下正常行驶，则下列说法正确的是( )
A.骑行一小时，消耗0.2 kW·h
B．充满电续航时间约为10 h
C．电动机线圈的发热功率约为200 W
D．电动机线圈电阻约为0.44 Ω
1．电路中的能量转化
导学 掌握必备知识
一、
1．电流
2．静电力
3．(1)电压 电流 时间 (2)UIt (3)焦耳
4．(1)通电时间 (2)UI (4)瓦特 W
二、
1．电流的二次方 导体的电阻 通电时间
2．I2Rt
3．(2)I2R (3)发热快慢
三、
1．纯电阻
2．(2)UI I2R
3．化学
情境思考
答案：(1)√ (2)√ (3)× (4)×
共研 突破关键能力
目标一
提示：(1)在金属导体中，在电场力作用下运动的自由电子频繁地与离子碰撞，把定向移动的动能传给离子，使离子热运动加剧，将电能完全转化为内能．
(2)电流通过导体时产生的热量Q等于电流I的二次方、导体的电阻R和通电时间t三者的乘积，因为烙铁头的电阻大，在通电电流和通电时间相同时，烙铁头产生的热量多，导线的电阻很小，产生的热量少，所以烙铁头的温度高于导线的温度．
[例1] 解析：电功率公式P＝，表示电功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有P＝UI，I＝，焦耳热Q＝()2Rt，可见Q与P、U、t、R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＝、W＝I2Rt＝t只适用于纯电阻电路，B正确；在非纯电阻电路中，W＝Q＋W其他，所以W>Q，故UI>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
[例2] 解析：由题知，两灯泡额定电压相等，A灯泡的额定功率较大，由P＝可知，A灯泡的电阻较小，即RB>RA，题图A中灯泡A和B串联在220 V的电源上，由串联电路的分压特点可知，两灯泡两端的电压均不等于110 V，所以都不能正常工作，A错误．题图中灯泡A和可变电阻R并联后又和灯泡B串联，由并联电路中电阻越并越小，小于任何一个分电阻可知，B灯泡的电阻一定大于并联部分的总电阻，由串联电路的分压特点可知，两灯泡两端的电压均不等于110 V，所以都不能正常工作，B错误．选项C中灯泡B和可变电阻R并联后又和灯泡A串联，由电阻的并联可知，可变电阻调节合适时可以使并联部分的电阻和灯泡A的电阻相等，即两灯泡可以同时正常发光．选项D中灯泡A和灯泡B并联后又与可变电阻R串联，当可变电阻的阻值和两灯泡并联的电阻相等时它们可以同时正常发光，由并联电路中干路电流等于各支路电流之和可知，选项C中电路的总电流为A灯泡的额定电流，选项D中电路的总电流等于A和B两灯泡的额定电流之和，由P＝UI可知，选项C中电路消耗的功率最小．故选C.
答案：C
[训练1] 解析：因为电压U相同，两盏电灯串联后，L1两端电压小于U；两盏电灯并联后，加在电灯两端的电压都为U，因此并联后的灯泡较亮，选项B正确．
答案：B
[训练2] 解析：根据P＝可得甲、乙灯的电阻分别为R甲＝12 Ω，R乙＝12 Ω，甲、乙两灯并联，由W＝t可得W甲∶W乙＝R乙∶R甲＝12 Ω∶12 Ω＝1∶1，故A错误；当两只灯泡并联在U＝6 V电源两端时U甲实＝U乙实＝U＝6 V，甲、乙两灯的电压之比是1∶1，故B错误；根据I＝，因为电阻相等，所以两灯电流之比为I甲∶I乙＝1∶1，故C错误；根据P＝，两灯电压相等，电阻相等，所以甲、乙两灯的实际电功率之比是1∶1，故D正确．
答案：D
目标二
提示：不同，因为电风扇是非纯电阻元件，因此不能用Q＝t求它在正常工作时产生的电热，只能用Q＝I2Rt求其所产生的电热，因内阻未知，所以无法计算．但我们可以从能量转化的角度来分析，白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而电风扇通电后消耗的电能一部分转化为电热，另一部分转化为机械能．
[例3] 解析：由电路图可知，L1、L2串联后与L3并联，其中L3两端电压最大，它消耗的电功率为10 W时，因L1与L2串联，且电阻相等，则分配在L1与L2两灯上的电压都是灯L3两端电压的一半．所以P1＝P2＝＝＝＝ W＝2.5 W．则整个电路消耗的功率P＝P1＋P2＋P3＝(2.5＋2.5＋10) W＝15 W，故C项正确．
答案：C
[例4] 解析：当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时，电动机停止转动，电动机中只有电动机的内阻消耗电能，其阻值r＝＝ Ω＝2 Ω.
当电动机正常工作时，电流表、电压表示数分别为2.0 A和15.0 V，则电动机的总功率P总＝U2I2＝15.0×2.0 W＝30.0 W.
线圈电阻的热功率P热＝r＝2.02×2 W＝8.0 W
所以电动机的输出功率
P输出＝P总－P热＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W.
答案：22.0 W 2 Ω
[训练3] 解析：B、C两个灯泡并联，UB＝UC，B、C两个灯泡消耗的实际功率相同，则由P＝可得RB＝RC，IA＝2IB＝2IC，则由P＝I2R可得RA∶RB∶RC＝1∶4∶4，故选D.
答案：D
[训练4] 解析：(1)车灯接通电动机未启动时，只有S1闭合，灯泡和电阻串联，电流表示数为10 A，由题图乙可知，灯泡两端的电压是12 V，定值电阻R的阻值R＝＝＝＝0.05 Ω.
(2)电动机启动前，车灯的功率为P1＝ULIL＝12 V×10 A＝120 W．车灯接通电动机启动时，电动机和灯泡并联，电流表测量干路中的电流，定值电阻R两端的电压U1＝IR＝70 A×0.05 Ω＝3.5 V，灯泡和电动机两端的电压UL1＝UM＝U－U1＝12.5 V－3.5 V＝9 V.
由图乙可知，通过灯泡的电流是9 A，车灯的功率为
P2＝UL1IL1＝9 V×9 A＝81 W，
则车灯功率减少了ΔP＝P1－P2＝120 W－81 W＝39 W.
(3)车灯接通电动机启动时，通过电动机的电流
IM＝I－IL1＝70 A－9 A＝61 A.
车灯接通电动机启动2 s过程中电动机消耗的电能W＝UMIMt＝9 V×61 A×2 s＝1 098 J.
答案：(1)0.05 Ω (2)39 W (3)1 098 J
精练 落实学科素养
1．解析：已知白炽灯和LED灯的额定功率分别为60 W和10 W，根据公式W＝Pt得全国一年节省的电能最接近W＝2ΔPt＝2×(0.06－0.01)×4.5×108×3 h×365 kW·h＝4.9×1010kW·h，故B正确．
答案：B
2．解析：已知两个电阻的阻值之比是2∶1，通过的电流之比是2∶1，则相等时间内产生的热量之比＝＝＝，故D正确．
答案：D
3．解析：由题图可知，当电流为0.4 A时，电压为50 V，则由欧姆定律可知，阻值为R＝＝Ω＝125 Ω，故B正确，A错误；由P＝UI可知，该元器件消耗的电功率为20 W，故C正确，D错误．
答案：BC
4．解析：因为电动机是非纯电阻用电器，欧姆定律不成立，A、B错误；电动机两端的电压为UM＝U－U1，通过电动机的电流为IM＝IR＝，电动机消耗的功率为PM＝UMIM＝(U－U1)，C正确；对电动机有PM＞P热，代入得(U－U1)＞()2r，化简可得＞，D正确．
答案：CD
5．解析：骑行一小时，消耗电能约为W＝UIt＝36×6×10－3×1 kW·h＝0.216 kW·h，A错误；充满电续航时间约为t′＝≈1.67 h，B错误；电动机输入功率为P＝UI＝36×6 W＝216 W，电动机热功率为P热＝P－P出＝I2r＝16 W，电动机内阻约为r≈0.44 Ω，C错误，D正确．
答案：D
核
心
素
养
定
位
物理观念
了解电流做功的实质，知道电功率的概念．
科学思维
学会分析电路中能量转化的问题，知道焦耳定律和电功之间的关系．
科学探究
通过电动机实例，探究电动机消耗的功率与输出功率及发热功率之间的关系．
科学态度
与责任
通过生活中用电常识，分析纯电阻元件和非纯电阻元件，利用焦耳定律解决生活中的问题．
串联电路
并联电路
功率分配
＝
＝
总功率
P＝P1＋P2＋…＋Pn
P＝P1＋P2＋…＋Pn
纯电阻电路
非纯电阻电路
元件特点
电路中只有电阻，电能全部转化成内能
除内能外，还把电能转化成其他形式的能
能量转化情况
电功
W＝UIt＝I2Rt＝t
W＝UIt＝I2Rt＋E其他
电热
Q＝UIt＝I2Rt＝t
Q＝I2Rt
关系
W＝Q
W＞Q
电功率
P＝UI＝I2R＝
P＝UI
热功率
P热＝UI＝I2R＝
P＝P热＋P其他，P热＝I2R
关系
P＝P热
P＞P热
欧姆定律是否成立
成立，有U＝IR，I＝
不成立，有U＞IR，I＜
元件举例
电阻、电炉丝、白炽灯等
电动机、电解槽等
蓄电池
容量
10 A·h
额定工作电压
36 V
电动机
额定连续输出功率
200 W
额定电压
36 V
额定电流
6 A