第1节 电路中的能量转化 学案

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名称 第1节 电路中的能量转化 学案
格式 DOC
文件大小 1.3MB
资源类型 试卷
版本资源 人教版(2019)
科目 物理
更新时间 2024-11-22 16:14:06

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文档简介

第十二章 电能 能量守恒定律
第1节 电路中的能量转化(赋能课—精细培优科学思维)

课标要求
层级达标
理解电功、电功率及焦耳定律,能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。
学考层级
1.理解电功和电功率的概念,知道电流做功的实质。
2.理解焦耳定律,能用焦耳定律解释生产生活中的相关现象。

选考层级
能从能量的转化和守恒的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与联系。


一、电功和电功率
1.电流做功的物理意义:电能转化为其他形式的能,是通过电流做功来实现的。
2.电流做功的实质:导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。
3.静电力做的功: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。即W=UIt。
4.电功率
(1)定义:电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。
(2)定义式:P=。
(3)电功率表达式:P=UI。
(4)单位:电功的单位是焦耳(J),电功率的单位是瓦特(W)。

   W=UIt,在科学研究中称为静电力做功,在生产生活中称为电流做功,简称为电功。

二、焦耳定律 电路中的能量转化
1.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。即Q=I2Rt。
2.发热的功率:电流通过导体发热的功率P热=I2R。
3.电路中的能量转化
(1)电动机工作时能量转化关系:电动机从电源获得的能量,一部分转化为机械能,还有一部分转化为内能。
(2)功率关系:P电=P机+P损。
(3)电池充电时能量转化关系:电能转化为化学能和内能。
[微情境·大道理]
1.电吹风工作时,将电能转化为什么能?电风扇工作时,将电能转化为什么能?电熨斗工作时,将电能转化为什么能?

提示:电吹风和电风扇都有电动机,电能转化为内能和机械能;电熨斗工作时,将电能转化为内能。
2.不同型号的白炽灯泡串联在电路中,它们的发光亮度会有明显差异,影响这个差异的主要参数是什么?该参数是如何影响灯泡亮度的?

提示:电阻。串联电路中电流相同,根据P热=I2R,可知电阻越大,灯泡越亮。



强化点(一) 对电功、电热的理解
任务驱动 
如图所示,已知电路两端的电势差为U,电路中的电流为I,电荷从左端到达右端所用的时间为t,则在t时间内通过导体某截面的电荷量是多少?把这些电荷从左端移到右端,静电力做功是多少?
提示:由电流的定义式可得通过某截面的电荷量q=It,根据静电力做功的公式W=qU,可得W=UIt。


[要点释解明]
1.电功与电功率
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。静电力对自由电荷做功的过程,就是电荷的电势能转化为其他形式的能的过程。
(1)电功的计算公式:W=UIt=Pt。
(2)电功的单位:在国际单位制中电功的单位是焦耳,常用单位还有“度”,1度=1千瓦时=3.6×106焦耳。
(3)额定功率与实际功率:
额定功率:用电器在额定电压下工作的功率;
实际功率:用电器在实际电压下工作的功率。
为了用电器不被烧毁,实际功率不能大于额定功率。
2.焦耳定律

(1)推导:设导体的电阻为R,通过的电流为I,由欧姆定律可知,导体两端的电压U=IR,又因为Q=W=UIt,可得,Q=I2Rt。
(2)注意:焦耳定律是实验规律,这里的推导过程只是为了方便大家理解。
(3)在推导过程中用到Q=W,即电热等于电功,但其实在非纯电阻电路中,焦耳定律依然成立。
[题点全练清]
1.关于电功和电热,下列说法正确的是(  )
A.任何电路中的电功W=UIt,电热Q=I2Rt,且W=Q
B.任何电路中的电功W=UIt,电热Q=I2Rt,但W有时不等于Q
C.电功W=UIt在任何电路中都适用,Q=I2Rt只在纯电阻电路中适用
D.在非纯电阻电路中,电热Q=t
解析:选B 任何电路中电功公式W=UIt、电热公式Q=I2Rt都适用,但两者不一定相等,只有在纯电阻电路中W=Q,故A、C错误,B正确。在非纯电阻电路中,t不表示电功,也不表示电热,D错误。
2.下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是(  )
A.电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多
B.静电力做功使金属导体内的自由电子定向运动的速率越来越大
C.电流通过电动机时的电功率和热功率相等
D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
解析:选D 对于一段电路,Q=Pt,即Q与P、t都有关,所以P越大,Q不一定越大,故A错误;由电流的微观表达式I=neSv,同一金属导体内电流不变,所以电子定向运动的速率不变,故B错误;在电动机中,电流做的功=焦耳热+机械能,所以W>Q,即IU>I2R,故C错误;Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路,故D正确。
3.一种称作地中海电鳐的电鱼能够电击它的猎物,一般来说,在一次电击中它不必移动,就能引起0.20 kV电势差,以18 A的电流传送电荷,持续时间为1.5 ms,则在这次电击中(  )
A.传输的电荷量为18 C
B.电鱼能将机械能转化为电能
C.电鱼的电器官功率为3.6 kW
D.电鱼的电器官所做的功为3 600 J
解析:选C 在这次电击中,传输的电荷量为q=It=18×1.5×10-3 C=2.7×10-2 C,A错误;电鱼能将生物化学能转化为电能,B错误;通过电鱼的电器官的电流为18 A,电鱼的电器官功率为P=UI=0.2×103×18 W=3.6×103 W=3.6 kW,C正确;电鱼的电器官所做的功为W=Pt=3.6×103×1.5×10-3 J=5.4 J,D错误。

强化点(二) 串、并联电路中的电功率
[要点释解明]
1.串联电路功率关系
(1)各部分电路电流I相同,根据P=I2R,各电阻的电功率与电阻成正比(纯电阻电路)。
(2)总功率P总=UI=(U1+U2+…+Un)I=P1+P2+…+Pn。
2.并联电路功率关系
(1)各支路电压相同,根据P=,各支路电阻的电功率与电阻成反比(纯电阻电路)。
(2)总功率P总=UI=U(I1+I2+…+In)=P1+P2+…+Pn。
3.结论
无论是串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。

[典例] 有额定电压都是110 V,额定功率PA=100 W、PB=40 W 的两盏电灯,若接在电压是220 V的电路上,两盏电灯均能正常发光,那么下列电路中消耗功率最小的电路是(  )

[解题指导]
(1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和。
(2)串联电路中,功率与电阻成正比;并联电路中,功率与电阻成反比。
[解析] 若要两盏灯均正常发光,即每盏灯的电压均为110 V。对A电路,因为RA<RB,所以UA<UB,即UB>110 V,B灯将被烧坏;对B电路,UB>U并=UA,B灯将被烧坏;对C电路,RA可能等于B灯与变阻器并联后的电阻,所以UA可能等于UB,等于110 V,两灯可能正常发光,且电路消耗总功率为PA+PB+U(IA-IB)=200 W;对D电路,滑动变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻,可能有UA=UB=U并=110 V,两灯可能正常发光,且电路中消耗总功率为PA+PB+U(IA+IB)=280 W。综上可知,C正确。
[答案] C

功率求解的技巧
(1)在纯电阻电路中,比较用电器的电功率时,要根据已知条件灵活选用公式,如用电器电流相同时,用P=I2R比较,若电压相同时用P=比较,若电阻相同时,可根据I或U的关系比较。
(2)求解串、并联电路中的功率分配问题,用比例法会使问题简化,但一定要明确是正比还是反比关系。
(3)当求解用电器的功率时,要明确求解的是什么功率。实际功率与额定功率不一定相等。
[题点全练清]
1.(多选)有甲、乙、丙三个电阻,R甲=2R乙=4R丙,则(  )
A.把它们串联在电路中,甲、乙消耗的电功率之比P甲∶P乙=2∶1
B.把它们串联在电路中,甲、丙消耗的电功率之比P甲∶P丙=1∶4
C.把它们并联在电路中,甲、乙消耗的电功率之比P甲∶P乙=2∶1
D.把它们并联在电路中,甲、丙消耗的电功率之比P甲∶P丙=1∶4
解析:选AD 把它们串联在电路中,通过它们的电流相等,所以根据公式P=I2R,可得P甲∶P乙=R甲∶R乙=2∶1,P甲∶P丙=R甲∶R丙=4∶1,A正确,B错误;把它们并联在电路中,它们两端的电压相等,所以根据公式P=,可得 P甲′∶P乙′=R乙∶R甲=1∶2,P甲′∶P丙′=R丙∶R甲=1∶4,故C错误,D正确。
2.(多选)图中R1=2 Ω,R2=4 Ω,R3=4 Ω,通电后(  )
A.经R1和R3的电流之比I1∶I3=2∶1
B.R1两端的电压和R3两端的电压之比U1∶U3=1∶1
C.三个电阻消耗的电功率之比P1∶P2∶P3=2∶1∶1
D.三个电阻消耗的电功率之比P1∶P2∶P3=3∶2∶4
解析:选ABC 题图所示电路为R2和R3并联后再与R1串联,故I1=I2+I3,又有==,则有=,故A正确;R2和R3并联,并联电阻为R并==2 Ω,则有==,故B正确;电功率之比为P1∶P2∶P3=∶∶=2∶1∶1,故C正确,D错误。
强化点(三) 纯电阻电路和非纯电阻电路
[要点释解明]
1.纯电阻电路与非纯电阻电路
(1)纯电阻电路:电流通过纯电阻电路做功时,电能全部转化为导体的内能。
(2)非纯电阻电路:含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中,电流做功将电能除了部分转化为内能外,还转化为机械能或化学能等其他形式的能。
2.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
举例
白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅
电动机、电解槽
能量转化情况


电功和电热的关系
W=Q,即UIt=I2Rt
W=Q+E其他
即UIt=I2Rt+E其他
电功率和热功率的关系
P=P热,即UI=I2R
P=P热+P其他
即UI=I2R+P其他
欧姆定律是否成立
成立
U=IR,I=
不成立
U>IR,I<
说明
W=UIt、P电=UI适用于任何电路计算电功和电功率
Q=I2Rt、P热=I2R适用于任何电路计算电热和热功率
只有纯电阻电路满足W=Q,P电=P热;非纯电阻电路W>Q,P电>P热

3.电动机的功率和效率
(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率,P入=UI。
(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率,P热=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,P出=UI-I2r。
(4)电动机的效率:η=×100%=×100%。
[典例] 在研究微型电动机的性能时,可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时,电流表和电压表的示数分别为0.5 A和 1.0 V;重新调节R使电动机恢复正常运转时,电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。

[解题指导]
(1)电动机停止转动,电路为纯电阻电路。
(2)电动机正常运转,电路为非纯电阻电路。
[解析] 当电动机停止工作时,电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V,电动机中只有电动机的线圈电阻消耗电能,其阻值r== Ω=2 Ω
当电动机正常工作时,电流表、电压表示数分别为2.0 A和15.0 V,
则电动机的总功率P总=U2I2=15.0×2.0 W=30.0 W
线圈电阻的热功率P热=I22r=2.02×2 W=8.0 W
所以电动机的输出功率
P输出=P总-P热=30.0 W-8.0 W=22.0 W。
[答案] 22.0 W 2 Ω

[变式拓展] 上述[典例]中,若电动机以v=1 m/s匀速竖直向上提升重物,该重物的质量为多少?(g取10 m/s2)
提示:P输出=mgv,则m==2.2 kg。





电动机电路的分析与计算
  
[题点全练清]
1.(多选)现有一个排气扇,如图所示,排气扇电动机的线圈电阻为0.2 Ω,当它两端电压为110 V时,通过的电流为5 A。则这台排气扇(  )
A.每分钟消耗的电能为33 000 J
B.每分钟产生的热量为300 J
C.输出功率为545 W
D.工作效率为82.5%
解析:选ABC 排气扇的电功率为P=UI=110×5 W=550 W,每分钟消耗的电能为E=Pt=550×60 J=33 000 J,A正确;每分钟产生的热量为Q=I2rt=52×0.2×60 J=300 J,B正确;排气扇的输出功率为P出=UI-I2r=110×5 W-52×0.2 W=545 W,C正确;排气扇的工作效率为η=×100%=×100%≈99%,D错误。
2.在如图所示的电路中,输入电压U恒为8 V,灯泡L标有“3 V 6 W”字样,电动机线圈的电阻RM=0.5 Ω。若灯泡恰能正常发光,下列说法正确的是(  )
A.电动机的输入电压为8 V
B.流过电动机的电流为10 A
C.电动机的效率为80%
D.整个电路消耗的电功率为10 W
解析:选C 电动机两端的电压U1=U-UL=8 V-3 V=5 V,故A错误;整个电路中的电流I== A=2 A,所以电动机消耗的电功率P电=U1I=5×2 W=10 W,电动机的发热功率P热=I2RM=22×0.5 W=2 W,则电动机的输出功率P出=P电-P热=10 W-2 W=8 W,电动机的效率η=×100%=×100%=80%,故B错误,C正确;整个电路消耗的电功率P总=UI=8×2 W=16 W,故D错误。



[课时跟踪检测]
A级——学考达标
1.(多选)关于四个公式:①P=UI;②P=I2R;③P=;④P=,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适用于任何电路电功率的计算
D.以上均不正确
解析:选AB P=UI、P=适用于任何电路的电功率的计算,而P=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,B正确;综上所述,D错误。
2.室内有几种家庭常用电器:1.5 kW的电饭煲、200 W的电冰箱、750 W的取暖器、250 W的电视机和2 kW的空调器。如果进线处有13 A的保险丝,供电电压为220 V,下列情况中不能同时使用的是(  )
A.电饭煲和电冰箱
B.取暖器和空调器
C.电饭煲和空调器
D.电冰箱、电视机和空调器
解析:选C 电路中允许的最大功率为Pm=UI=2 860 W。用电器的功率之和大于Pm时,用电器就不可以同时使用,故选C。
3.某新款智能手表的充电电压为5.0 V,充电电流为1 A。如果每4天要为手表充电2小时,当地电价为0.60元/度,则智能手表连续使用一年所需的电费约为(  )
A.0.06元 B.0.6元
C.6元 D.60元
解析:选B 手表充电一次所耗电的电能为W=UIt=0.01 kW·h,则智能手表连续使用一年所需的电费为E=0.01××0.6≈0.6元,故选B。
4.如图是电解硫酸铜溶液的装置示意图,图中电压表示数为U,电流表示数为I,通电时间为t,则下列说法正确的是(  )
A.CuSO4溶液中的阳离子向铜板定向移动
B.IU是电能转化成化学能的功率
C.IUt是这段时间内电路消耗的总电能
D.IUt是这段时间内产生的总焦耳热
解析:选C 由于铜板接电源的正极,因此CuSO4溶液中的阴离子向铜板定向移动,A错误;该电路是非纯电阻电路,IU是消耗电能的总功率,其中有一部分转化为化学能,还有一部分转化为焦耳热,因此IUt是这段时间内电路消耗的总电能,而I2rt是这段时间内产生的总焦耳热,其余的才转化为化学能,B、D错误,C正确。
5.在杭州第19届亚运会上,服务型机器人可谓无处不在,彰显着技术的魅力。如图所示,一款微型机器人的直流电动机的额定电压为U,额定电流为I,线圈电阻为R,将它接在输出电压为U的直流电源上,电动机恰好能正常工作,下列说法正确的是(  )
A.电动机消耗的热功率为UI
B.电动机的输出功率为UI-I2R
C.流过电动机的电流为
D.电动机的输入功率为I2R
解析:选B 电动机正常工作,消耗的热功率P=I2R,A错误;电动机的输出功率P出=UI-I2R,B正确;电动机所在的电路不是纯电阻电路,则流过电动机的电流I≠,C错误;电动机的输入功率P电=IU>I2R,D错误。
6.用充电宝为一手机电池充电,其等效电路如图所示,在充电开始后的一段时间t内,充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的,设手机电池的内阻为r,则时间t内(  )
A.充电宝输出的电功率为UI+I2r
B.充电宝产生的热功率为I2r
C.手机电池产生的焦耳热为t
D.手机电池储存的化学能为UIt-I2rt
解析:选D 充电宝输出的电功率P1=UI,故A错误;手机电池产生的热功率为P2=I2r,充电宝内阻未知,由题中条件无法求充电宝产生的热功率,故B错误;U是充电宝的输出电压,不是手机电池的内电压,所以不能用t计算手机电池产生的焦耳热,手机电池在t时间内产生的焦耳热应为Q=I2rt,故C错误;充电宝输出的电能一部分转化为手机电池储存的化学能,一部分转化为手机电池产生的焦耳热,故t时间内手机电池储存的化学能为W=UIt-I2rt,故D正确。
7.(多选)一电动自行车电池上的铭牌标有“36 V,10 A·h”字样,假设工作时电池(不计内阻)的输出电压恒为36 V,额定输出功率为180 W,由于电动机发热造成损耗(其他损耗不计),电动自行车的效率为80%,则下列说法正确的是(  )
A.额定工作电流为10 A
B.电池充满电后总电量为3.6×104 C
C.电动自行车电动机的内阻为7.2 Ω
D.电动自行车保持额定功率行驶的最长时间是2 h
解析:选BD 由P=UI可知,额定电流为I==5 A,A错误;电池充满电后总电量Q=10 A·h=10×3 600 C=3.6×104 C,B正确;电动自行车的热功率P热=I2r=180 W×20%=36 W,解得r=1.44 Ω,C错误;根据电池容量Q=10 A·h和I=5 A,可知电动自行车保持额定功率行驶的最长时间为t==2 h,D正确。
8.手机电池容量(电量)和快速充电功能已经成为人们选择手机时的重要参考因素。如图为某品牌手机将锂电池电量从0到100%充满过程中充电功率P和充电时间t的关系图像,设充电过程中电池两端电压恒为4.35 V,不计其他能量损耗,则(  )
A.充电过程的平均功率为40 W
B.充电过程的平均功率为60 W
C.该电池的容量为2 000 mA·h
D.该电池的容量为4 000 mA·h
解析:选A 题中P-t图像与坐标轴所围的面积表示电能,所以整个充电过程中充入电池的电能为E=70×4×60 J+40×10×60 J+×40×6×60 J=4.8×104 J,充电过程的平均功率为==40 W,故A正确,B错误;该电池的容量是q=≈3 065 mA·h,故C、D错误。
9.(选自鲁科版教材课后练习)某商场安装了一台倾角为30°的自动扶梯,该扶梯在电压为380 V的电动机带动下以0.5 m/s的恒定速率向斜上方移动,电动机的最大输出功率为4.9 kW。不载人时测得电动机中的电流为5 A,若载人时扶梯的移动速率与不载人时相同,忽略电动机内阻的热损耗,则不载人时扶梯运行的电功率是多大?若输送一个人的功率为120 W,则这台自动扶梯可同时乘载多少人?
解析:不载人时扶梯运行的电功率P0=UI=380×5 W=1 900 W。
设自动扶梯最多可同时乘载的人数为N,由P最大=P0+N×120可得:
N= 人=25人。
答案:1 900 W 25人



B级——选考进阶
10.(2023·广州高二期末)在如图所示的分压电路中,c、d间的电压恒为U=10 V,滑动变阻器的总电阻R0=20 Ω,滑片P可在a、b两端点间滑动,定值电阻R=10 Ω,则滑片P位于a、b连线的中点时,电阻R消耗的功率是(  )
A.10 W B.2.5 W
C. W D. W
解析:选D 滑动变阻器的滑片P位于a、b连线的中点时,有RaP=10 Ω,RbP=10 Ω,电阻R与RbP并联,并联部分总电阻为R1==5 Ω,并联后R两端的电压为U1== V= V,故电阻R消耗的功率为P== W,故选D。
11.(2023·泸州高二期末)如图所示的电路中,R1、R2、R3均为定值电阻。其中R1=5 Ω,额定功率P1=5 W;R2=5 Ω,额定功率P2=20 W;R3=4 Ω,额定功率P3=49 W。则AB之间允许消耗的最大功率为(  )
A.35 W B.50 W
C.59 W D.74 W
解析:选A R1=5 Ω,额定功率P1=5 W,则R1的额定电流为I1==1 A,同理可得R2、R3的额定电流分别为I2=2 A,I3=3.5 A;又根据并联电路规律可知两支路电流比为==,所以要保证电路安全,只能是允许通过R1的电流达到最大值,即I1=1 A,P1=5 W,R2的实际功率为P2′=I12R2=5 W;并联电路两端电压为U=I1(R1+R2)=10 V,R3实际功率为P3′==25 W,则AB之间允许消耗的最大功率为P=P1+P2′+P3′=35 W,故B、C、D错误,A正确。
12.(2023·广西高二期末)(多选)小明去逛超市,遇促销打折,买了一个电吹风,电吹风的使用说明书上给出了如表所示的参数及如图所示电路图。下列说法正确的是(  )

电吹风铭牌参数
额定电压
220 V 50 Hz
额定功率
热风
1 000 W

冷风
250 W

A.该电吹风发热电阻R的阻值约为64.5 Ω
B.该电吹风电动机M的内阻为193.6 Ω
C.当开关S1断开、S2闭合时,电吹风吹冷风
D.当开关S1、S2均闭合时,电动机每秒消耗的电能为1 000 J
解析:选AC 由表格可知发热电阻的功率PR=P-PM=1 000 W-250 W=750 W,所以该电吹风发热电阻R== Ω≈64.5 Ω,故A正确;电动机正常工作时为非纯电阻用电器,不能使用公式R=计算电动机内阻,故B错误;由题图可知,当开关S1断开、S2闭合时,发热电阻断路,电吹风吹冷风,故C正确;当开关S1、S2均闭合时,电动机正常工作,功率仍然为250 W,故电动机每秒消耗的电能为W=PMt=250×1 J=250 J,故D错误。
13.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的内阻
r== Ω=0.5 Ω。
(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
线圈内阻的热功率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,此时电路为纯电阻电路,
发热功率P== W=8 W。
答案:(1)0.5 Ω (2)1.5 W (3)8 W