12.1电路中的能量转化 课件-2021-2022学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第三册(共30张PPT)

(共30张PPT)
电路中的能量转化
现代社会离不开电，初中我们学习了家庭电路有关的知识，了解了各种用电器在使用的过程中，可以把电能转化为其他形式的能量。
例如：
电热水壶工作：电能转化为内能
电动车充电：电能转化为化学能
电动机工作：电能转化为机械能
......
不同用电器在工作时，能量转化过程不同。
电能→其它能
做功是能量转化的量度
（重力做功----重力势能变化；）
（合力做功----动能变化；）
（静电力做功----电势能变化。）
做功伴随着能量转化
一、电流做功的实质
什么力在做功？
一、电流做功的实质
设置如图所示电路，闭合开关之后，小灯泡发光。回路中，电荷定向移动，形成电流，电流方向为A-C-D-E-F-B
截取导线DE中一小部分进行研究，导线中的电场如图所示：
电子在电场力的作用下由E向D移动，电场力对电荷做正功，电势能减少，其他形式能增加。
由此可见，电能转化成其他形式的能是电场力对电荷做功实现的。（我们也称，通过电流做功实现的）
一、电流做功的实质
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，电荷的电势能减少，其他形式的能增加。
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。
二、电功和电功率
1、电功



如图所示，电路两端电压为U，电路中电流为I，在时间t内通过导体任意横截面的电荷量为：
则静电力对电荷做功，由W=qU可得W=UIt
电流做功的表达式（电功表达式）
二、电功和电功率
1、电功
①定义：在一段电路中电场力所做的功，也就是通常所说的电流所做的功，简称为电功。
②公式：W=UIt（适用于一切电路）
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．
③单位：焦耳（J）；千瓦时（Kw·h）
1 kW·h = 1000W×3600 s = 3.6×106 J
④测量方法：电能表
二、电功和电功率
2、电功率
①定义：电流所做的功与通电时间之比。
②公式： （适用于一切电路）
这个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。
③单位：在国际单位制中是瓦（W）；常用单位还有毫瓦（mW），千瓦（kW）。
1kW＝103W＝106mW
④物理意义：描述电流做功的快慢
P=UI
W=UIt
二、电功和电功率
3、额定功率和实际功率
①用电器铭牌上所标称的功率是额定功率，即用电器两端加上额定电压时的功率（也是用电器长期工作的最大功率）
②用电器在实际电压下工作的功率是实际功率。
通常情况下P实≤P额，用电器只有在额定电压下工作时，才有实际功率等于额定功率。
几种常见家用电器的额定功率
用电路 29寸彩电 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） 70～150 300～800 100～150 800～1200 40～60
例1∶一根电阻丝在t时间内通过2C的电量时，消耗电能是8J。则该电阻丝在t时间内电流所做的功W和该电阻丝两端所加电压U分别为（ ）
A.W=8J B.W=16J
C.U=4V D.U=8V
小试牛刀
AC
电流所做的功等于消耗的电能，即W=8J；
根据W=qU，代入数据得U=4V。
全部将电能转化成内能，没有转化其他能量。
三、焦耳定律
根据不同的用电器可知，电能转化为不同形式的能。
这些用电器消耗电能的方式主要是依靠电阻把电能转化为内能，
我们把导体通电时产生热量的现象，称为电流的热效应。
若想求解用电器在导体通电时产生了多少热量，该如何计算？
三、焦耳定律
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。
——焦耳定律
电热量（电热）等于电功：
Q=W
W=IUt
电功：
欧姆定律：
U=IR
Q=I2 R t
三、焦耳定律
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．焦耳定律内容：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.
4．热功率：单位时间内发热的功率叫做热功率．P热＝I2R.（电流做功全部变成热）
表示电流发热快慢的物理量
焦耳定律适用于一切产生电热的电路。
仅适用产生电热的电路
P=UI
P=I2R
（一切电流做功的功率）
（专指电流发热的功率）
热功率
总功率
纯电阻电路：
电能W
转化
内能Q
P电=P热
UI=I2 R
四、电路中的能量转化
在上述知识点中，我们可知，用电器的电能完全转化成内能时，内能大小等于其热量大小，用电器的功率可称为热功率，但在实际电路中，除了电阻以外还有其他负载，这些用电器的能量转化又是如何呢？
(1)电吹风工作时，将电能转化为什么能？
答案：电吹风工作时，把电能转化为内能和机械能.
(2)电熨斗工作时，将电能转化为什么能？
答案：电熨斗工作时，将电能转化为内能.
纯电阻电路
非纯电阻电路
（1）纯电阻电路：只含有电阻的电路。如电炉、电烙铁等电热器件组成的电路，白炽灯及转子被卡住的电动机也是纯电阻器件。
（2）非纯电阻电路：电路中含有电动机在转动或有电解槽在发生化学反应的电路。
四、电路中的能量转化
补充：
我们来讨论空调，空调（非纯电阻电路）会用一部分电能来制热或制冷，还会用另一部分电能来把热或冷空气吹出来。像这种用电器在做功时，我们要综合考虑电功率。
从能量转化与守恒的角度看，空调从电源获得能量，一部分转化为机械能（吹风），还有一部分转化为内能（制热或制冷）。设空调消耗的功率为P电，空调对外做功，输出的功率为P机，另外，空调工作时自身也有能量损失，对应的功率为P损，它们之间满足
P电=P机+ P损
设空调两端的电压为U，通过空调电动机线圈的电流为I，可知
P电= UI
补充：
空调刚停止工作时，即使是制冷状态，我们发现外壳也是热的，说明工作时有电能转化为无用的内能。设电动机线圈的电阻为R，可知
P热=I2R
这说明，由于电动机线圈有电阻，所以电能除了转化为机械能之外，确实还有一部分转 化为内能。电动机的转子与轴承均有摩擦，另外还有空气阻力。但若忽略这部分能量损失，只考虑线圈发热产生的能量损失，则有
P损= P热
例：
纯电阻电路和非纯电阻电路的比较
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＝ 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IU＝I2R＝ P＝P热＋P其他
即IU＝I2R＋P其他
欧姆定律是否成立
U＝IR　I＝ 成立
U＞IR　I＜ 不成立
四、电路中的能量转化
电功和电热的比较
如图，当电动机接上电源后，会带动风扇转动，这里涉及哪些功率 功率间的关系又如何
①能量变化：
电能W
转化
+内能Q
机械能
（损失的能量）
P电=P机+P损
②功率变化：
P损=P热
P电=P机+P热
常见非纯电阻电路：含有电动机的电路
常见非纯电阻电路：含有电动机的电路
1、电动机中的几个功率
（1）电动机消耗的功率（也称总功率或输入功率），用P电表示，P电=UI
（2）电动机对外做功输出的功率（也称输出功率或机械功率），用P机表示，P机=Fv
（3）电动机线圈发热的功率（也称热功率或损失功率），用P热表示，P热=I2R，R为电动机线圈的电阻
2、功率关系：P电=P机＋P热
3、效率：
求解电动机问题
例　规格为“220 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，求：
(1)接220 V的电源后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；
答案　35 W　1 W
解析　排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为
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－P热＝(36－1) W＝35 W.
小试牛刀
(2)如果接上(1)中电源后，扇叶卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率.
答案　1 210 W　1 210 W
解析　扇叶被卡住不能转动后，电动机所在电路成为纯电阻电路，电流
做功全部转化为热能，此时电动机中电流为
电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：
P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W.
小试牛刀
例　小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V　4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图1所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，求：
(1)通过电动机的电流；
图1
答案　0.6 A
流经电动机的电流I＝IR－IL＝0.6 A.
小试牛刀
(2)电动机的输出功率P出；
答案　2.04 W
解析　电动机消耗的总功率P＝ULI＝4×0.6 W＝2.4 W
电动机的热功率P热＝I2r＝(0.6)2×1 W＝0.36 W
电动机输出功率P出＝P－P热＝2.4 W－0.36 W＝2.04 W
小试牛刀
(3)电动机的效率.
答案　85%
解析　电动机的效率：
小试牛刀
纯电阻电路：
电能W
转化
内能Q
P电=P热
UI=I2 R
非纯电阻电路：
电能W
转化
+内能Q
机械能
P电=P机+P热
P电=UI
P热=I2R
小结