物理人教版（2019）必修第三册12.1《电路中的能量转化》（共26张ppt）

(共26张PPT)
一、知识讲解——电功和电功率
问题引入
　　现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、电视、电热水壶、电动汽车等。那么你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？
电流做功
一、知识讲解——电功和电功率
电能 → 热能
电能 → 机械能
充电过程：电能 → 化学能
电能转化成其他形式的能是通过电流做功来实现的
电流做功
一、知识讲解——电功和电功率
　　 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，结果电势能减少，其他形式的能增加。
q
q
q
U
＋
－
电流做功
一、知识讲解——电功和电功率
若在 t 时间内通过这段电路任一横截面积的电荷量为 q ，则有：q＝It
如果这段两端电压为 U，则静电力做功：W＝qU＝UIt
即电流做功为：W＝UIt
　　 如图所示的一段电路，这段电路电流做功是多少呢？
q
q
q
U
＋
－
电功
1．定义：导体中恒定电场对自由电荷静电力做的功，就是电流做功，即电功；
2．公式：W＝UIt ；
3．单位：国际单位制中电功的单位为“焦耳”，符号“ J ”，常用单位还有千瓦时，俗称“度”，符号“kW·h”，1 kW·h＝3.6×106 J
一、知识讲解——电功和电功率
电功率
一、知识讲解——电功和电功率
　　电流在一段时间内所做的功与通电时间之比叫作电功率，用 P表示，由公式：P＝，可得：P＝UI；
　　这个公式表明，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。
电功率
一、知识讲解——电功和电功率
1．物理意义：描述电流做功的快慢；
2．单位：国际单位制中电功率的单位是“瓦特”，符号“W”，常用单位还有千瓦（kW）。
电功率
一、知识讲解——电功和电功率
额定功率：用电器长期正常工作的最大功率，就是给用电器两端加上额定电压时的功率，一般用电器铭牌上写的就是额定功率；
实际功率：用电器工作中实际的电功率。
通常情况下，P实 ≤ P额，只有在额定电压下工作时， P实＝P额 。
电功率
一、知识讲解——电功和电功率
几种常见家电的额定功率
用电器 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
问题引入
一、知识讲解——焦耳定律
　　电流做功，电能转化成哪种形式的能量，要看电路中有哪种类型的用电器，如果，电流通过以下图中的用电器的电热元件做功，电能会转化成内能，那么这些电热元件产生了多少内能呢？
焦耳定律
一、知识讲解——焦耳定律
　　 能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，因此电流通过电热元件做功时，电能全部转化成导体的内能。
　　 电流做功：W＝UIt ；
　　 电路产生的热量：Q＝W＝UIt ；
　　 由欧姆定律 U＝IR ，可以得到热量 Q 的表达式：
Q＝I2Rt
　　 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，这就是焦耳定律。
热功率
一、知识讲解——焦耳定律
1．定义：单位时间内电流通过导体产生的热量；
2．表达式：P＝＝I2R；
问题引入
一、知识讲解——电路中的能量转化
　　在推导焦耳定律的过程中，用到了“W＝Q”这个条件，那么现实生活中电能能全部转换成内能吗？
电路中的能量转化
一、知识讲解——电路中的能量转化
纯电阻电路：只含有电阻的电路，如电热丝、白炽灯等。
电能 → 内能
Q
I2Rt
W
UIt
=
I = U/R
指转化为内能的那部分电能!
指某段电路在某段时间内消耗的全部电能!
电路中的能量转化
一、知识讲解——电路中的能量转化
非纯电阻电路：电路中含有电动机或电解槽的电路，如电风扇、锂电池等。
M
电能 → 内能+其它形式的能
W
W - Q
Q
UIt
I2Rt
I ＜U/R
说明：欧姆定律不适用于非纯电阻电路！
＞
电路中的能量转化
一、知识讲解——电路中的能量转化
　　如图所示，设电动机消耗的功率为 P电，电动机对外做功，输出的功率为 P机，另外电动机工作也有能量损失，对应的功率为 P损，它们之间的关系满足：
P电＝P机＋P损
　　设电动机两端电压为 U，通过电动机线圈的电流为 I，可知：
P电＝UI
A
V
M
S
电路中的能量转化
一、知识讲解——电路中的能量转化
A
V
M
S
　　一般来说，电动机停止工作时，我们发现外壳是热的，可知工作时有部分电能转化成内能。设电动机线圈的电阻为 R，可知：
P热＝I2R
　　如果，忽略电动机转动时，因为摩擦力或空气阻力等影响带来的能量损失，那么则有：
P热＝P损
一、知识讲解——电路中的能量转化
例题：
　　一台电动机，线圈的电阻是 0.4 Ω，当它两端所加的电压为 220V 时，通过的电流是 5 A 。这台电动机发热的功率和对外做功的功率各是多少？
分析　本题涉及三个不同的功率：电动机消耗的电功率 P电 、电动机发热的功率 P热 和对外做功转化为机械能的功率 P机 。三者之间遵从能量守恒定律，即
P电＝P机＋P热
解: 由焦耳定律可知，发电机发热的功率为
P热＝I2R＝52×0.4 W＝10 W
电动机消耗的电功率为
P电＝UI ＝220×5 W＝1100 W
根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为
P机＝P电－P热＝1100 W－10 W＝1090 W
这台电动机发热的功率为 10 W，对外做功的功率为 1090 W 。
小 结
1．电功：W＝UIt ；
2．电功率：P＝UI ；
3．焦耳定律：Q＝I2Rt ；
4．热功率：P＝I2R 。
练 习
1．电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内的水烧干以前的加热状态，另一种是水烧干以后的保温状态。下图是电饭锅的电路图，R1 是电阻，R2 是加热用的电阻丝。
（1）自动开关 S 接通和断开时，电饭锅分别处于哪种状态？说明理由。
（2）要使电饭锅在保温状态下的功率是加热状态的一半，R1 : R2 应该是多少？
S
220 V
R1
R2
答：(1)接通开关 S 时，R1 被短路，R2 直接接在电源两端，电路消耗的电功率为 P1＝当开关 S 断开时，R1、R2 串联后接到电源上，电路消耗的电功率为 P2＝。因为 P1>P2，所以开关 S 接通时，电饭锅处于加热状态；开关 S 断开时，电饭锅处于保温状态。
(2)加热时，PR2＝ ；保温时，P′R2＝( )2R2。要使 P′R2＝PR2 ，必有 ＝。
练 习
2．如图所示，输电线路两端的电压 U 为 220 V，每条输电线的电阻 R 为 5 Ω，电热水器 A 的电阻 RA 为 30 Ω 。求电热水器 A 上的电压和它消耗的功率。如果再并联一个电阻 RB 为 40 Ω 的电热水壶 B ，则电热水器和电热水壶的功率各是多少？
S
U
RA
RB
R
R
答：在用电器只有电热水器 A 时，I＝＝ A＝5.5 A 。电热水器 A 上的电压 UA＝IRA＝5.5×30 V＝165 V，它消耗的功率 PA＝I2RA＝5.52×30W＝907.5 W；
再并联上电热水壶 B 时，总电流 I′＝＝8.1 A 。通过电热水器 A 的电流 IA＝I′ ＝×8.1 A＝4.6 A ，通过电热水壶 B 的电流 IB＝I′ ＝×8.1 A＝3.5 A ，电热水器 A 消耗的功率 PA＝IA2RA＝4.62×30 W＝634.8 W 。电热水壶 B 消耗的功率 PB＝IB2RB＝3.52×30 W＝490.0 W 。
练 习
3．当纯电阻 R 的两端加上某一稳定电压时，通过该电阻的电荷量为 0.3 C，消耗的电能为 0.9 J 。为在相同时间内使 0.6 C 的电荷量通过该电阻，在其两端需加的电压和消耗的电能分别是 (　 )
A．3 V　1.8 J　　　　　B．3 V　3.6 J
C．6 V　1.8 J　　　　　 D．6 V　3.6 J
D