12.1电路中的能量转化 课件—2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册（22张PPT）

第十二章 电能　能量守恒定律
12.1 电路中的能量转化
学习目标
1. 通过实例分析，理解电能转化为其他形式能是通过电流做功来实现的，加深对功与能量转化关系的认识。
2. 通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中相关现象。
3. 从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系
4. 联系生活中的电风扇、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。
12.1 电路中的能量转化
【开启新探索】从能量角度研究电路
我们知道，在电路中使用不同的用电器，往往会有不同的能量转化。回顾生活中用过的用电器，说明用电器将电能转化成怎样的能量？
12.1 电路中的能量转化
电能→内能
电能→机械能
内能
电能→化学能
内能
12.1 电路中的能量转化
纯电阻元件：电炉、电烙铁等电热器件，只将电能转化为热能，称纯电阻元件．
非纯电阻元件：转动的电动机、蓄电池、电解槽等元件，将电能转化为内能和机械能、化学能等其它形式的能，称非纯电阻元件。
【质疑提升1】电功和电功率
1. 功是能量转化的量度，思考并说明：用电器将电能转化为其它形式能的过程中，是什么力做功实现的呢？
12.1 电路中的能量转化
自由电荷在静电力的作用下做定向移动，电荷的电势能减少，其他形式的能增加。即：电场力对自由电荷做功，也称为电流做功，简称电功。
2. 如图，在一段电路中，电路两端电压为U，在t时间内，定向移动电荷量为q，则移动电荷电场力做多少功？若电路中的电流为I，又可以怎样表示电场力做功？
12.1 电路中的能量转化
电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压、电路中的电流、通电时间三者的乘积．
如果这段电路两端的电势差是U，定向移动电荷量为q，静电力做的功为：
如果移动电荷所用的时间为t,电路中的电流为I，则：
即：
单位：焦耳（ J）
千瓦时，俗称“度”，符号是 kW·h
1 kW·h = 1000W×3600 s = 3.6×106 J
12.1 电路中的能量转化
你对电功有怎样的理解？电功的单位？
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。
意义：电流做功的过程是电势能转化为其他形式的能的过程，即电功是电势能转化为其他形式的能的量度。
3. 电流在一段电路中做功的功率又怎样求解？
12.1 电路中的能量转化
电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率，用P表示。
（1）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。
P=UI
W=UIt
（3）意义：表示电流做功的快慢。
（2）单位：瓦（W），常用单位还有千瓦（kW）。
　1kW＝103W
4. 想一下，用上述表达式求解电功和电功率，与接在电路中的元件是纯电阻、非纯电阻有关吗？
12.1 电路中的能量转化
适用于一切电路：纯电阻、非纯电阻。
辨析用电器的额定电压、额定功率、实际功率。
额定电压：表示用电器正常工作时的电压．
额定功率：是用电器长期正常工作时的最大功率，也就是用电器加上额定电压时消耗的功率．
实际功率：用电器在工作中实际消耗的电功率．
若用电器在额定电压下工作，则P实＝P额
12.1 电路中的能量转化
若用电器工作电压不等于额定电压，则P实≠P额．
通常情况下，????实≤????额
?
几种常见家用电器的额定功率
用电路
29吋彩电
电熨斗
电冰箱
微波炉
台灯
额定电压（V）
220
220
220
220
220
额定功率（W）
100～150
300～800
100～150
800～1200
40～60
12.1 电路中的能量转化
【质疑提升2】焦耳定律
1. 在初中我们已学习了焦耳定律，回顾一下，焦耳定律的内容？焦耳定律是实验定律、还是理论推导定律？
12.1 电路中的能量转化
1．电热：由于导体有电阻，使电流流过导体时消耗的电能中转化为内能的那一部分能量叫电热．
2．内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比．
3．公式：Q＝I2Rt.
2. 能量在转化或转移的过程中是守恒的。在电路中，通过电流做功将电能转化为其它形式的能。若电流通过电阻，设电阻为R的元件两端电压为U、通过元件的电流为I，则：
（1）在时间t内电流做的功W？产生的电热Q？
（2）W、Q大小上有怎样关系？
（3）通过两者关系，有怎样的推论？
12.1 电路中的能量转化
Q＝I2Rt
W＝UIt
＝
UIt＝I2Rt
U＝IR
欧姆定律适用于纯电阻元件
3.电流通过导体发热的功率如何求解？在求解电热的表达式中，是否对任何电路都可以适用呢？
12.1 电路中的能量转化
热功率:单位时间内导体的发热功率叫做热功率．
焦耳定律适用于纯电阻电路，也适用于非纯电阻电路．
热功率即电能转化为内能的功率。
????热=????????=????2????
?
热功率等于通电导体中电流I 的二次方与导体电阻R 的乘积。
【质疑提升3】电路中的能量转化
1. 当电流通过纯电阻元件时，电能完全转化为热能。但有些电路中除含有电阻外还含有其它负载，如电动机。以含电动机的电风扇为例，研究电路中的能量转化。思考：当电路中接入电风扇，电动机正常运行。(1)电路中有怎样的能量转化？能量间又有怎样的关系？(2)电路中有怎样的功率关系？
12.1 电路中的能量转化
①能量变化：
电能W
转化
+内能Q
机械能
②功率变化：
P电=P机+P热
电能=内能+机械能。
12.1 电路中的能量转化
例：如图，一电阻为r的电动机两端电压为U，电流表示数为I，则在时间t内电功W、电动机产生的电热Q、电动机输出的机械能E分别为多少？
W=UIt
Q＝I2rt
W=Q+E机
即：UIt=I2rt+E机
2.通过对非纯电阻电路的分析，说明：欧姆定律适用于非纯电阻电路吗？
12.1 电路中的能量转化
由UIt=I2rt+E机
可得：UIt > I2rt
有：U > Ir
所以：欧姆定律不再适用于非纯电阻电路
此时，加在非纯电阻电路两端的电压，大于在非纯电阻元件内阻上的电压。
12.1 电路中的能量转化
正常工作的电动机两端电压为U，通过的电流为I，经时间为t时，电功是否可以用 I2rt求解？产生的电热是否可以用UIt求解？为什么？
非纯电阻元件正常工作时，电功需要用W=UIt求解，不能用I2rt 。电热需要用Q=I2rt 求解，不能用UIt。
非纯电阻元件正常工作时，欧姆定律不适用，电功和电热的求解表达式不能相互转换。
(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率：
12.1 电路中的能量转化
(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率：
P入＝UI
P热＝I2r
P出＝IU－I2r
(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率：
电动机（非纯电阻元件）的“三个功率和效率”
(4)电动机的效率：
3.通过对纯电阻电路、非纯电阻电路的分析，思考不同电路中电功、电热的求解方法：
12.1 电路中的能量转化
纯电阻电路:
非纯电阻电路:
电能 → 内能
电能 → 内能+其它形式的能
Q
I2Rt
W
IUt
=
I=U/R
电功 = 电热:
W=
IUt =
=I2Rt
U2t/R
电功率=热功率：P = I U = U2/R = I2R =P热
W
W 其
Q
IUt
＞ I2Rt
I＜U/R
电功：W= IUt
电热：Q=I2Rt
电功率：P = IU
热功率：P热=I2R
R
M
=Q
12.1 电路中的能量转化
1.W＝UIt是电功的计算式，P电＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路.
Q＝I2Rt是电热的计算式，可以计算任何电路中电流I通过电阻R时在t时间内产生的热量，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路的热功率.
学习小结
2.只有在纯电阻电路中才有W＝Q，P电＝P热，而在非纯电阻电路中W＞Q，P电＞P热.
3.在纯电阻电路中，由UIt＝I2Rt得I＝ ，即欧姆定律成立；在非纯电阻电路中，由UIt＞I2Rt知U＞IR，即欧姆定律不成立.