第十二章第1节　电路中的能量转化 学案（教师版）--《创新课堂》人教版必修三

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第1节　电路中的能量转化
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1．理解电功和电功率的概念，明确电流做功的实质。
2．理解电功和电热的区别，理解焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。
3．理解电路中的能量转化，理解电功率和热功率的区别，能够区分纯电阻电路和非纯电阻电路。
eq \o(\s\up7( INCLUDEPICTURE "课前知识梳理LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "课前知识梳理LLL.TIF" \* MERGEFORMAT ),\s\do5(　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　))
一、电功和电功率
1．电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的________在做功。自由电荷在静电力的作用下做________移动，结果电荷的________减小，其他形式的能增加。
2．电功
(1)定义：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。
(2)公式：W＝________。
(3)国际单位：焦耳，简称焦，符号为J。
3．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)公式：P＝＝________。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__________与______的乘积。
(3)单位：瓦特，简称瓦，符号为W。
二、焦耳定律
1．内容：电流通过导体产生的热量跟电流的________成正比，跟导体的________及通电时间成正比。
2．公式：Q＝________。
3．热功率
(1)定义：电流通过导体________的功率。
(2)意义：表示电流发热________的物理量。
(3)公式：P热＝____________＝I2R，单位：瓦特(W)。
三、电路中的能量转化
1．电动机工作时的能量转化
(1)能量关系：电动机从电源获得的能量，一部分转化为________，还有一部分转化为________。
(2)功率关系：电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和，即P电＝P机＋P损，设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，则P电＝________，P损＝P热＝________。
2．电池充电时的能量转化
电池从电源获得的能量一部分转化为______________能，还有一部分转化为内能。
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判断下列说法是否正确。
(1)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)正在充电的电池，电能全部转化为化学能。(　　)
(3)焦耳定律的表达式为Q＝I2Rt，此式适用于任何电路。(　　)
(4)三个公式P＝UI、P＝I2R、P＝没有任何区别，它们表达相同的意义，即P是电功率。(　　)
提示：(1)√　(2)×　(3)√　(4)×
[答案自填] 静电力　定向　电势能　UIt　UI　两端的电压U　电流I　二次方　电阻
I2Rt　发热　快慢　　机械能　内能　UI　I2R　化学
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知识点一　电功和电功率
1．电功和电功率
W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路。
2．电功的单位：在国际单位制中电功的单位是焦耳，常用单位有度千瓦时，1度＝1千瓦时＝3.6×106焦耳。
3．额定功率和实际功率
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。
4．串、并联电路中的功率关系
项目 串联电路 并联电路
功率分配 ＝ ＝
总功率 P＝P1＋P2＋…＋Pn P＝P1＋P2＋…＋Pn
INCLUDEPICTURE "例1.TIF" INCLUDEPICTURE "例1.TIF" \* MERGEFORMAT 　如图所示的电路中电阻R1、R2、R3的阻值相等，A、B间电压恒定。开关S接通后和接通前电阻R2的电功率之比(　　)
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A．　　　　　　 B．
C． D．
[解析]　设A、B间电压为U，根据题意有R1＝R2＝R3＝R，开关S接通前，电阻R2的电功率P1＝()2R2＝，R2、R3的并联电阻R并＝＝，开关S接通后电阻R2两端的电压U1＝R并＝，开关S接通后，电阻R2的电功率P2＝ eq \f(U,R2) ＝，开关S接通后和接通前电阻R2的电功率之比＝。
[答案]　C
INCLUDEPICTURE "例2.TIF" INCLUDEPICTURE "例2.TIF" \* MERGEFORMAT 　在如图所示的并联电路中，若保持通过干路的电流I不变，增大R1的阻值，下列说法正确的是(　　)
INCLUDEPICTURE "OU2.TIF" INCLUDEPICTURE "OU2.TIF" \* MERGEFORMAT
A．R1两端的电压不变
B．I1减小，I2增大
C．并联电路上的总功率减小
D．R2消耗的功率不变
[解析]　根据并联时电流与电阻成反比，可得I1＝I＝I，I2＝I＝I，若保持通过干路的电流I不变，增大R1的阻值，则I1减小，I2增大，故B正确；R1两端的电压等于R2两端的电压，则有U1＝U2＝I2R2，由于I2增大，则R1两端的电压增大，故A错误；R2消耗的功率P2＝IR2，由于I2增大，则R2消耗的功率增大，故D错误；由于R1的阻值增大，则并联电路的总电阻R并增大，并联电路上的总功率P总＝I2R并，由于通过干路的电流I不变，则并联电路上的总功率增大，故C错误。
[答案]　B
知识点二　纯电阻电路和非纯电阻电路
INCLUDEPICTURE "问题探究LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "问题探究LLL.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)如图所示的是电烙铁和电熨斗，为什么这些用电器通电后会发热呢？
INCLUDEPICTURE "23BAH3.TIF" INCLUDEPICTURE "23BAH3.TIF" \* MERGEFORMAT
(2)电烙铁通电后，电烙铁的烙铁头热得能把金属熔化，而与电烙铁相连的导线却不怎么热，为什么？
[提示]　(1)电流通过用电器时电流做功，将电能转化为内能。
(2)由Q＝I2Rt可知，电烙铁的烙铁头电阻比导线的电阻大很多，因此相同时间内，Q烙铁头 Q导线。
1．纯电阻电路和非纯电阻电路
类型 纯电阻电路 非纯电阻电路
元件特点 电路中只有电阻元件 除含有电阻外还含有其他负载
欧姆定律 遵从欧姆定律 不遵从欧姆定律
能量转化 电流做功全部转化为电热 电流做功除转化为内能外还要转化为其他形式的能
元件举例 电阻、电炉、白炽灯等 电动机、电解槽等
2.电功与电热
(1)纯电阻电路
W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t；
P电＝P热＝UI＝I2R＝。
(2)非纯电阻电路
电功W＝UIt，电热 Q＝I2Rt，W＞Q；
电功率P电＝UI，热功率P热＝I2R，P电＞P热。
角度1　基本概念的理解
INCLUDEPICTURE "例3.TIF" INCLUDEPICTURE "例3.TIF" \* MERGEFORMAT 　下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是(　　)
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．W＝UIt适用于任何电路，W＝t也适用于任何电路
C．在非纯电阻电路中，UI>I2R
D．焦耳热Q＝I2Rt只适用于纯电阻电路
[解析]　电功率越大，电流做功越快，相同时间内电路中产生的焦耳热一定越多，A错误；W＝UIt适用于任何电路，而W＝t只适用于纯电阻电路，B错误；在非纯电阻电路中，UI>I2R，C正确；焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路，D错误。
[答案]　C
角度2　非纯电阻电路的分析
INCLUDEPICTURE "例4.TIF" INCLUDEPICTURE "例4.TIF" \* MERGEFORMAT 　(多选)(2024·广东中山联考)某手持小风扇额定电压为5 V，额定电流为0.2 A，内部电动机的线圈电阻为5 Ω，则下列说法正确的是(　　)
A．小风扇可把电池的电能完全转化为机械能
B．正常工作时，电动机的发热功率为0.2 W
C．正常工作时，电动机的输出功率为1 W
D．若小风扇正常工作时被卡住，流过的电流将变大
[解析]　小风扇可把电池的电能部分转化为机械能，另一部分转化为内能，故A错误；正常工作时，电动机的发热功率P热＝I2r＝0.22×5 W＝0.2 W，故B正确；正常工作时，电动机的输出功率P机＝UI－P热＝5×0.2 W－0.2 W＝0.8 W，故C错误；若小风扇正常工作时被卡住，可以视为纯电阻电路，流过的电流I′＝，将变大，故D正确。
[答案]　BD
INCLUDEPICTURE "例5.TIF" INCLUDEPICTURE "例5.TIF" \* MERGEFORMAT 　直流电动机的线圈电阻为R，正常工作时，电动机两端的电压为U，通过的电流为I，工作时间为t。下列说法正确的是(　　)
A.电动机消耗的电能为UIt
B．电动机消耗的电能为I2Rt
C．电动机线圈产生的热量为UIt
D．电动机线圈产生的热量为t
[解析]　电动机为非纯电阻用电器，根据已知条件可知，电动机消耗的电能W＝UIt，根据焦耳定律可知，电动机线圈产生的热量Q＝I2Rt。
[答案]　A
知识点三　非纯电阻电路中的能量转化
电动机的功率和效率
(1)电动机的总功率(输入功率)：P总＝UI。
(2)电动机电热的功率：P热＝I2r。
(3)若只考虑线圈发热产生的能量损失，则有电动机的输出功率(机械功率)：P机＝P总－P热＝UI－I2r。
(4)电动机的效率：η＝×100%。
INCLUDEPICTURE "例6.TIF" INCLUDEPICTURE "例6.TIF" \* MERGEFORMAT 　(2024·广东高二统考学业考试)太阳能路灯利用太阳能转化的电能提供照明，可有效地减少二氧化碳的排放。设太阳能电池板对蓄电池一天充电9 h，充电的平均功率为10 W；蓄电池的利用效率是80%，供给LED路灯的电压是24 V，电流是0.5 A，则太阳能电池板一天产生的电能可供路灯照明的时长为(　　)
A．4 h　　　 B．5 h　　　
C．6 h　　　 D．7 h
[解析]　蓄电池提供的电能W1＝Pt1×80%，路灯照明所需的电能W2＝UIt2，则有Pt1×80%＝UIt2，解得t2＝6 h。
[答案]　C
INCLUDEPICTURE "例7.TIF" INCLUDEPICTURE "例7.TIF" \* MERGEFORMAT 　(2024·陕西渭南期中)如图所示的电路中，提升重物用的直流电动机的内阻r＝2 Ω，电阻R＝10 Ω。已知总电压U＝160 V，理想电压表的读数为110 V。
INCLUDEPICTURE "25W3-2.TIF" INCLUDEPICTURE "25W3-2.TIF" \* MERGEFORMAT
(1)R两端的电压是多少？
(2)回路中的电流是多少？
(3)电动机的电功率是多少？
(4)在电动机中发热的功率是多少？
(5)电动机输出的机械功率是多少？
[解析]　(1)电阻R两端电压
U1＝U－UV＝160 V－110 V＝50 V。
(2)电动机和电阻串联，电流相等，回路中的电流
I＝＝ A＝5 A。
(3)电动机的电功率P＝UVI＝110×5 W＝550 W。
(4)电动机的热功率P热＝I2r＝25×2 W＝50 W。
(5)电动机输出的机械功率P出＝P－P热＝500 W。
[答案]　(1)50 V　(2)5 A　(3)550 W　(4)50 W
(5)500 W
eq \o(\s\up7( INCLUDEPICTURE "随堂巩固落实LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "随堂巩固落实LLL.TIF" \* MERGEFORMAT ),\s\do5(　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　))
1．(电功和电功率)(多选)(2024·广东东莞实验中学期中)某研究小组在研究电动机的性能时，测得某电动机内阻为R，在两端加的电压为U，流过的电流为I，通电时间为t，则(　　)
A．可用UIt求电功　　 B．可用I2Rt求电热
C．能用t求电热 D．能用I2Rt求电功
解析：选AB。电动机正常工作时，其电路是非纯电阻电路，求解电功的公式为W＝UIt，故A正确；电动机的电热计算公式为Q＝I2Rt，非纯电阻电路中欧姆定律不适用，则I≠，所以不能用t求电热，故B正确，C错误；当电动机正常工作时其电路是非纯电阻电路，则W＝Q＋E输出，故不能用I2Rt求电功，故D错误。
2．(纯电阻电路和非纯电阻电路)(多选)(2024·广东高二统考学业考试)某电动机正常工作时的电压为220 V，电流为4 A，线圈电阻为1 Ω。只考虑线圈发热所造成的能量损失，该电动机正常工作时(　　)
A．对外做功的功率为880 W
B．消耗的电功率为880 W
C．线圈发热的功率为16 W
D．线圈发热的功率为48 400 W
解析：选BC。消耗的总功率P＝UI＝220×4 W＝880 W，故B正确；线圈发热的功率P热＝I2R＝16 W，故C正确，D错误；电动机对外做功的功率P出＝P－P热＝864 W，故A错误。
3．(纯电阻电路和非纯电阻电路)(多选)(2024·四川成都期末)近年来，人工智能机器人逐渐走入我们的生活。如图所示，某科技小组在研究扫地机器人内部直流电动机的性能时，发现当电动机两端的电压为U1、通过的电流为I1时，电动机没有转动；当电动机两端的电压为U2、通过的电流为I2时，电动机正常转动。关于这台电动机的电阻和正常工作时的输出功率，下列说法正确的是(　　)
INCLUDEPICTURE "25W3-3.TIF" INCLUDEPICTURE "25W3-3.TIF" \* MERGEFORMAT
A.电动机的电阻r＝
B．电动机的电阻r＝
C．正常工作时的输出功率P出＝U2I2－ eq \f(IU1,I1)
D．正常工作时的输出功率P出＝U1I1－ eq \f(IU2,I2)
解析：选AC。电动机没有转动时，可以视为纯电阻，电阻r＝，故A正确，B错误；电动机正常工作时，输出功率P出＝U2I2－Ir＝U2I2－ eq \f(IU1,I1) ，故C正确，D错误。
4.(非纯电阻电路中的能量转化)USB电风扇体积小、便于携带，并且采用了新型的无刷直流电机，比传统的马达风扇更安静、更省电。若USB风扇正常工作时内部电机两端电压为U，输入电流为I，则以下说法正确的是(　　)
INCLUDEPICTURE "23BAH4.TIF" INCLUDEPICTURE "23BAH4.TIF" \* MERGEFORMAT
A．电机的电阻为
B．电机产生焦耳热的功率为UI
C．电机输出机械功率小于UI
D．电机消耗的电功率小于UI
解析：选C。电机为非纯电阻电路，计算电阻不能用欧姆定律，即电阻不等于 ，故A错误；电机工作时，有UI＝P机＋P热，可知电机输出机械功率小于UI，电机产生焦耳热的功率小于UI，电机消耗的电功率等于UI，故C正确，B、D错误。