2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册 12.1电路中的能量转化课件（共23张PPT）

(共23张PPT)
人教版物理必修三
第十二章 电能 能量守恒定律
第一节 电路中的能量转化
电动机通电时，电能转化为 能；
日常生活中，为满足人们的各种需求，通常将电能转化各种不同形式的能。
电热水壶通电时，电能转化为 能；
电动汽车充电时，电能转化为 能；
白炽灯通电时，电能转化为 能和 能；
化学
机械
光
热
内
功是能量转化的量度
电流是如何做功的？
通过电流做功，把电能转化为其他形式的能
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，则移动电荷静电力做多少功？若电路中的电流为I，又可以怎样表示静电力做功？
静电力做的功为：W=qU, q=It
即：W=qU=UIt
静电力所做功等于这段电路两端电压、电路中电流、通电时间三者的乘积．
静电力对自由电荷做的功
一、电功
（1）定义：在一段电路中静电力所做的功,也就是通常所说的电流所做的功,简称为电功．
（2）表达式：W=qU=UIt （定义式适于任何电路）
（3）单位：国际单位制：焦耳 简称 焦（J）
常用单位有：千瓦时（kW·h）.
日常生活中称“度”
1kW·h＝3.6×106J
（4）物理意义：电能转化为其他形式能的量度。
二、电功率
不同用电器做功的快慢不同，如何描述电流做功的快慢？
（1）定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间的比值.
（2）表达式：P=W/t （比值定义法）
W=UIt P=UI （定义式适于任何电路）
(3）单位：国际单位制：瓦（W），
常用单位：千瓦（kW）．
1kW=103W
（4）物理意义：表示电流做功的快慢．
额定功率：
用电器正常工作时电压（铭牌上标出的电压）
用电器在额定电压下的功率（铭牌上标出的功率）
实际电压：
用电器实际工作时的电压
实际功率：
用电器在实际电压下的功率
实际功率与额定功率的关系：
实际电压
额定电压
实际功率
额定功率
影响寿命
等于
等于
正常工作
额定电压：
额定功率与实际功率
不能正常工作
大于
小于
小于
大于
三、焦耳定律
讨论交流：电炉丝和导线通过电流相同，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热
电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关
英国物理学家焦耳做了大量实验，并得出结论：导体产生的热量与导体电阻、通过导体的电流、通电时间有关。
英国著名物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳
W=UIt
U=IR
Q＝I2Rt
我们用控制变量法，沿着焦耳的足迹研究电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关.
2R
R
1、将阻值分别为2R和R的两电阻丝串联在电路中，一段时间后，观察温度计的示数，你能发现什么现象？说明什么规律？
现象：阻值为2R的电阻丝使温度计升高的温度是阻值为R的电阻丝的两倍.
说明：时间和电流相同的情况下，电流产生的热量与电阻成正比.
2、将阻值均为R的两电阻丝连接在两个电路中，使通过电阻丝的电流分别为2I 和 I，一段时间后，观察温度计的示数，你能发现什么现象？说明什么规律？
现象：电流为2I 的电阻丝使温度计升高的温度是电流为 I 的电阻丝的四倍.
R
R
2 I
I
R
说明：时间和电阻相同的情况下，电流产生的热量与电流平方成正比.
R
3、将阻值为R的电阻丝连接在电路中，经过t、2t、3t 时间，分别观察温度计的示数，你能发现什么现象？说明什么规律？
现象：经过2t 时间，电阻丝使温度计升高的温度是经过t 时间的两倍；经过3t 时间，电阻丝使温度计升高的温度是经过t 时间的三倍.
说明：电流和电阻相同的情况下，电流产生的热量与时间成正比.
4、总结以上结论，你能归纳出电流产生的热量与什么因素有关，满足什么规律吗？
1．内容：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 ．
2．表达式：Q＝I2Rt. 普适
微观解释:电流通过导体时，做定向移动的自由电子要频繁地跟金属正离子碰撞，由于这种碰撞，电子在电场力的作用下获得的动能，不断传递给金属正离子，使金属正离子的热运动加剧，于是通电导体的内能增加，温度升高。
①单位时间内导体的发热量叫做热功率．
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
3．热功率：
表示电流发热快慢的物理量。
焦耳定律：
四、电路中的能量转换
讨论交流：电路消耗电能和产生热量相等吗？
电功：W=UIt 电路消耗的电能（电流做的总功）
电热（焦耳定律）:Q＝I2Rt 电路产生的热量（转化为的内能）
纯电阻:将电能全部转化为内能的电路元件.如：白炽灯、电热丝、被卡住的电动机等
全都由纯电阻元件组成的电路称为纯电阻电路. W电=Q热
非纯电阻:电能一部分转化为内能还有一部分转化为其它形式能量的元件如：电动机，电解槽等
含有非纯电阻元件的电路称为非纯电阻电路. W电＞Q热
电功 电热
电功与电热的比较 电功实质是静电力移动电荷做的功，W＝qU＝UIt 电热是由于电流的热效应，电流通过导体发热，Q＝I2Rt
电功与电热的联系与区别 纯电阻电路 电流做功，全部转化为内能：W＝Q
非纯电阻电路
电流做功，转化为内能和其他形式的能：W＝Q＋W其他(W>Q)
电功率与热功率的关系 纯电阻电路中P＝UI＝I2R＝U2/R 非纯电阻电路中UI＞I2R
(U2/R)t 即不能表示电功，也不能表示电热
电功和电热的关系
电动机（非纯电阻元件）的“三个功率和效率”
(1)输入功率：电动机消耗的总功率
P入＝UI
(2)热功率：线圈上电阻的发热功率
P热＝I2r
(3)输出功率：电动机将电能转化为机械能的功率，也称机械功率
P出＝P入-P热=IU－I2r
(4)电动机的效率：
电动机是一种非纯电阻用电器，它把电能转化为机械能和热能。在电路计算中，欧姆定律不再适用于电动机。
练习1．下列关于电功的说法中错误的是(　　)
A．导体内静电力移送电荷所做的功叫作电功
B．电流做功的过程，就是电能转化为其他形式的能的过程
C．电流做功消耗的能量，由电源供给
D．电功就是电能
解析：根据电功的定义及特点，可以判断A、B、C均正确；电功是电能转化为其他形式的能的量度，功和能是不同的概念，D错误。本题选说法错误的，故选D。
D
解析：W＝UIt、Q＝I2Rt适用一切电路，在纯电阻电路中
W＝Q，在非纯电阻电路中W＞Q，B正确，A、C、D错误。
练习2．关于电功W和电热Q的说法正确的是(　　)
A．在任何电路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，且W＝Q
B．在任何电路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，但W不一定等于Q
C．W＝UIt、Q＝I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立
D．W＝UIt在任何电路中都成立，Q＝I2Rt只在纯电阻电路中成立
B
练习3．(多选)关于四个公式：①P＝UI；②P＝I2R；③P＝U2/R；④P＝W/t，下列叙述正确的是(　　)A．公式①④适用于任何电路的电功率的计算B．公式②适用于任何电路的热功率的计算C．公式①②③适用于任何电路的电功率的计算D．以上均不正确
解析：P＝UI、P＝W/t适用于任何电路的电功率的计算，而P＝I2R、P＝U2/R只适用于纯电阻电路的电功率的计算，A正确，C错误；P＝I2R适用于任何电路的热功率的计算，P＝UI、P＝U2/R只适用于纯电阻电路的热功率的计算，B正确。
AB
练习4．一台电动机，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？
解析：由焦耳定律可知，电动机发热的功率为：
电动机消耗的电功率为：
电动机对外做功的电功率为：
这台电动机发热的功率为10W，
对外做功的功率为1090W。
练习5．有一个直流电动机,把它接入0.2 V电压的电路时,电动机不转,测得流过电动机的电流是 0.4 A;把它接入2 V电压的电路中,电动机正常工作,工作电流是1 A。
(1)求这台电动机的内阻;
(2)求电动机正常工作时的输出功率;
(3)如在正常工作时,转子突然被卡住,此时电动机的发热功率为多大
解析:(1)电动机不转时电路为纯电阻电路,由欧姆定律可知电动机线圈的电阻:
(2)电动机正常工作时电路为非纯电阻电路,消耗的总功率：
P总=UI=2×1 W=2 W。
线圈电阻的热功率： P热=I2r=12×0.5 W=0.5 W。
则电动机正常工作时的输出功率：
P出=P总-P热=2 W-0.5 W=1.5 W。
(3)电动机的转子突然被卡住时,此时电路为纯电阻电路,
发热功率：
练习6．如图所示是一个电热水壶的铭牌。某同学利用所学知识,结合该铭牌上获取的信息,得出该电热水壶(　 　)
A.只能在220 V电压下工作
B.正常工作5 min耗电约0.5 kW·h
C.正常工作时的电流约为6.8 A
D.用多用电表测量其电阻值约为32Ω
C
解析:从铭牌上可知额定功率P=1 500 W,额定电压 U=220 V。电热水壶可以在低于220 V电压下工作,A错误;正常工作5 min耗电W=Pt=1.5 kW×1/12 h=0.125kW·h,B错误;正常工作时的电流I=P/U≈6.8A,C正确;其额定电阻R=U2/P≈32Ω,则在冷态时用多用电表测量其电阻值应远小于32 Ω,D错误。
练习7．某一用直流电动机提升重物的装置如图所示，重物质量m=50kg，电源提供恒定电压U=110V，不计各处摩擦，当电动机以v =0.90m/s的恒定速度向上提升重物时，电路中电流强度 I=5A，求电动机线圈电阻R（g=10m/s2）.
v
U
解析：电动机消耗的功率：
P电=UI=110×5W=550W；
电动机的输出功率（机械功率）：
P机=mgv=50×10×0.9W=450W，
因为P电=P机+P热，转化为内能的功率：
P热=P电-P机=550W-450W=100W，
又P热=I2R，代入数据解得电动机线圈的电阻：
R=4Ω。
练习8．一般地说,用电器的工作电压并不等于额定电压,家庭里通常不备电压表,但可以借助电能表测出用电器的实际工作电压,现在电路中只接入一个电热水壶,壶的铭牌和电能表的铭牌分别如图甲和乙所示。测得电能表的转盘转过125 r的时间为 121 s,求此时加在电热水壶上的实际电压。
解析:设电热水壶的电阻为R,由图甲知:
由图乙知电能表转1 r消耗的电能为:
设加在电热水壶上的实际电压为U,则:
解得:U=200 V。