物理人教版（2019）必修第三册12.1电路中的能量转化（共31张ppt）

(共31张PPT)
第十二章 电能 能量守恒定律
普通高中教科书
必修
第三册
1.电路中的能量转化
物理
回顾知识点：
1、什么叫力的做功？
2、静电力做功计算公式？
3、功率？
回顾知识点：
1、如果某一物体受到力的作用，并且在力的方向上发生一段位移，我们可以说这个力对物体做功了。功分为正功和负功，还有不做功。
2、
3、力的做功与所用的时间的比值来描述，做功的快慢程度叫做功率。
新知导入
现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？
电热水壶通电时，电能转化为内能
电动机通电时，电能转化为机械能
新知导入
做功是能量转化的量度，那么，你知道电能转化为其他形式的能，是通过什么做功来实现的吗？
蓄电池充电时，电能转化为化学能。
新知讲解
一、电功和电功率
1.电功
（1）做功是能量转化的量度，所以，电能转化为其他形式的能，是通过电流做功（通电流）来实现的。
电流在一段电路中所做的功叫做电功。
（2）电流做功实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的电场力做功。
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。
新知讲解
（3）试推导电功的表达式
q
q
U
问题：如图表示一段电路，这段电路两端的电势差是 U，电路中的电流为 I，电荷从左向右定向移动，你能表示出t这段时间内静电力做的功吗？
解：这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量为q ＝ It
静电力做的功就是W＝Uq ＝UIt
新知讲解
①电功的定义式：W=IUt
上式表示电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流 I、通电时间 t 三者的乘积。
注意：公式适用于一切电路； U、I对应同一段电路。
②单位：焦(J) 千瓦时(kW·h).
1kW·h＝3.6×106J
③电功是电能转化为其他形式能的量度。（电能减少，其他形式的能量增加）
新知讲解
2.电功率
（1）电流在一段电路中所做的功与通电时间之比值叫作电功率，用 P 表示。
（2）电功率公式：P ＝ UI
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：瓦特（W）、千瓦（kw）
新知讲解
二、焦耳定律
我们知道能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转化问题。
思考：电流通过电热水器中的电热元件做功时，电路中的能量发生了怎样转化？
新知讲解
电路中的电能全部转化为导体的内能（热能），所以电流在这段电路中做的功 W ＝ UIt，等于这段电路产生的热量 Q。
即：Q ＝ W= UIt （1）
由欧姆定律 U ＝ IR （2）
由（1）、（2）可得热量 Q 的表达式
Q ＝ I2 Rt
新知讲解
1.焦耳定律（电流的热效应）
（1）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。这个关系式最初是由焦耳通过实验直接得到的，物理学中就把它叫作焦耳定律（实验定律）
（2）单位：I—安培，R—欧姆，t—秒， Q—焦耳
2.焦耳定律适条件：纯电阻电路（最简单的纯电阻电路是通电的电学原件都是电阻的电路）
新知讲解
3.纯电阻电路和非纯电阻电路
（1）纯电阻电路：电能完全转化为内能。例如白炽灯、电炉、电烙铁等。
（2）非纯电阻电路：除电阻外还包括能把电能转化为其它形式的能的用电器例如：电动机、电解槽、电风扇等 。
4.电流发热的功率
（1）单位时间内的发热量:
新知讲解
（2）公式：
热功率P等于通电导体中电流 I 的二次方与导体电阻R 的乘积。
3. 单位：瓦特(W) 千瓦特(kW)。
说明（1）纯电阻电路中电功等于热功（焦耳热或电热）；电功率等于热功率
W=UIt=I2 Rt P=UI=
（2）非纯电阻电路中电功大于电热；电功率大于热功率。
新知讲解
三、电路中的能量转化
焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的纯电阻电路的情况，如果是非纯电阻电路，那么它的能量又是如何转化的呢？
下面我们以下面我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化。
新知讲解
当电动机接上电源后，会带动风扇转动，从能量转化与守恒的角度看，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，所以这一过程涉及的功率有：P机和P损
它们之间满足：P 电 ＝P 机 ＋P 损
思考与讨论1: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？
思考讨论2：假设有一台电动机两端的电压为U，通过电动机线圈的电流为I，电动机线圈的电阻为R，你能用已知量表示出电动机消耗的电功率P电 和线圈消耗的热功率P热吗？
参考答案：电动机消耗的电功率P电 ＝UI
电动机刚停止工作时，我们发现外壳是热的，说明工作时有电能转化为内能，则线圈消耗的热功率P热=I2R。
新知讲解
思考讨论3：电动机损失的内能和线圈发热产生的热能之间有什么关系？ P损 与P热之间的关系呢？
参考答案：电动机损失的内能包括转子与轴承之间的摩擦发热产生的能量损失，空气阻力损失的能量，线圈发热产生的能量损失，严格来说损失的能量大于线圈发热产生的热能。不过主要的能量损失为线圈发热产生的热能。
一般情况下认为P损与P热是相等的。
新知讲解
新知讲解
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 220 V 时，通过的电流是 5 A。这台电动机发热的功率与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
新知讲解
解: 由焦耳定律可知，电动机发热的功率为
P 热 ＝ I2R ＝ 52 ×0.4W ＝ 10W
电动机消耗的电功率为
P电 ＝ UI ＝ 220×5 W ＝ 1 100 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 ＝ 1 100 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。
课堂练习
1．下列用电器中，不是根据电流的热效应制成的是（　　）
A．电热毯
B．电熨斗
C．电话
D．电热水器
C
课堂练习
2.一个定值电阻R，当其两端的电压为U时，它在t时间内产生的热量为Q；当其两端的电压为2U时，它在2t时间内产生的热量为（　　）
A．2Q
B．4Q
C．6Q
D．8Q
D
课堂练习
3.电炉通电后，电炉丝热得发红，而跟电炉连接的铜导线却不太热，原因是（　　）
A．通过电炉丝的电流大，而导线电流小
B．电炉丝和铜导线消耗的电能相同，但铜导线散热快，所以不热
C．铜导线的电阻比电炉丝小得多，在串联的情况下铜导线的发热量小
D．电炉丝的两端电压比铜导线两端的电压小得多
C
课堂练习
4．某电阻的阻值为5Ω，通过的电流为2A，则它在10s的时间内产生的热量为（　　）
A．100J
B．200J
C．20J
D．2J
B
拓展提高
1.如图所示，R1=6Ω，R2=3Ω，R3=4Ω，左右两端接入电路后，关于这三只电阻的判断正确的是（　　）
A．电流之比是I1：I2：I3=4：3：6
B．电压之比是U1：U2：U3=1：1：2
C．功率之比是P1：P2：P3=4：3：6
D．相同时间内产生热量之比Q1：Q2：Q3=6：3：4
B
R1
R2
R3
拓展提高
2.两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B串联在电路中，A的长度为L，直径为d； B的长度为2L，直径为2d，那么通电后，A、B在相同的时间内产生的热量之比为（　　）
A．QA：QB=2：1
B．QA：QB=1：1
C．QA：QB=1：2
D．QA：QB=4：1
A
拓展提高
3．通过电阻R的电流强度为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为I/ 2 ，则在时间t内产生的热量为（　　）
A．Q /2
B．2Q
C．4Q
D．Q/ 4
A
课堂总结
1.电功的定义式：W=IUt
2.电功率公式：P ＝ UI
3.焦耳定律： Q=I2Rt
焦耳定律适条件：纯电阻电路
4.电流发热的功率： P=I2R
5.从能量转化与守恒的角度看，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。
板书设计
一、电功和电功率
1.电功的定义式：W=IUt
2.电功率公式：P ＝ UI
二、焦耳定律
1.Q=I2Rt
（2）单位：I—安培，R—欧姆，t—秒， Q—焦耳
2.焦耳定律适条件：纯电阻电路
板书设计
3.电流发热的功率： P=I2R
三、电路中的能量转化
从能量转化与守恒的角度看，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。
作业布置