【21世纪原创】2017年秋高中物理人教选修3-1同步学案：2.5焦耳定律

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5　焦耳定律
【学习目标】
1.理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.
2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系.
3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别．
【知识探究】
一、电功和电功率
[导学探究]　如图1所示，已知电路两端的 ( http: / / www.21cnjy.com )电势差为U，电路中的电流为I，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？
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图1
　
[知识梳理]
1．电功
(1)电功是指电路中________力对定向移动的电荷所做的功，电流做功的过程就是________能转化为其他形式能的过程．21cnjy.com
(2)电功的计算公式：W＝________.
单位：________，符号为________．
常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h＝_____ J.
2．电功率
(1)定义：单位________内电流所做的功．
(2)公式：P＝＝________.
(3)单位：瓦，符号：W.
(4)意义：表示电流做功的快慢．
[即学即用]　判断下列说法的正误．
(1)电流做功的实质是静电力对电荷做功．(　　)
(2)电功率越大，表示电流做功越多．(　　)
(3)某导体两端电压为10 V，当通过2 C的电荷时，电流做功的功率为20 W．(　　)
二、焦耳定律
[导学探究]　(1)某一电路中只含有某一电 ( http: / / www.21cnjy.com )阻元件，即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中的一种，分析哪些属于纯电阻电路，哪些属于非纯电阻电路．
(2)纯电阻电路中，消耗的电能转化为什么形式的能？对于含电动机的电路，消耗的电能转化为什么形式的能？2·1·c·n·j·y
　
　
　
　
[知识梳理]
1．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量跟________________成正比，跟导体的________及____________成正比．21世纪教育网版权所有
(2)表达式：Q＝________.
2．热功率
(1)定义：______________内的发热量称为热功率．
(2)表达式：P＝________.
3．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________．
(2)非纯电阻电路：含有________或________的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为________或________．
(3)电功和电热的计算公式比较
纯电阻电路 非纯电阻电路
电功和电功率 W＝UIt＝I2Rt＝tP电＝UI＝I2R＝ W＝UItP电＝UI
电热和热功率 Q＝I2Rt＝UIt＝tP热＝I2R＝UI＝ Q＝I2RtP热＝I2R
电功和电热关系 W＝Q W＝Q＋E其他＞Q
电功率和热功率关系 P电＝P热 P电＝P热＋P其他＞P热
欧姆定律是否适用 I＝，适用 U＞IR，不适用
[即学即用]　判断下列说法的正误．
(1)电功一定等于电热．(　　)
(2)电动机消耗了电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热．(　　)
(3)电热Q＝I2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热．(　　)
(4)电功W＝UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功．(　　)
【题型探究】
一、电功、电热　电功率、热功率公式的比较
例1　(多选)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．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝t只适用于纯电阻电路
C．在非纯电阻电路中，UI>I2R
D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路
【总结提升】
1．W＝UIt是电功的计算式，P电＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路．
Q＝I2Rt是电热的计算式 ( http: / / www.21cnjy.com )，可以计算任何电路中电流I通过电阻R时在t时间内产生的热量，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路的热功率．21·世纪*教育网
2．只有在纯电阻电路中才有W＝Q，P电＝P热而在非纯电阻电路中W＞Q，P电＞P热．
3．在纯电阻电路中，由UIt＝I2Rt得I＝，即欧姆定律成立；在非纯电阻电路中UIt＞I2Rt知U＞IR，即欧姆定律不成立．2-1-c-n-j-y
二、纯电阻电路中的功率分配及计算
例2　额定电压都是110 V、额定功率PA＝100 W、PB＝40 W的灯泡两盏，若接在电压为220 V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是(　　)
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【总结提升】
1．串联、并联电阻的功率分配
(1)串联电路：＝，＝(由P＝I2R可得)，电阻越大，功率越大．
(2)并联电路：＝，＝(由P＝可得)，电阻越大，功率越小．
2．计算纯电阻电路的功率时，可以用P＝UI，也可以用P＝I2R或P＝.做题时要根据题目灵活选用．
针对训练1　(多选)有三个电阻的阻值及 ( http: / / www.21cnjy.com )额定功率分别为R1＝10 Ω、P1＝10 W，R2＝20 Ω、P2＝80 W，R3＝5 Ω、P3＝20 W，它们组成的电路如图2甲、乙、丙所示，关于各图的说法正确的是(　　)21*cnjy*com
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图2
A．图甲两端允许加的最大电压为60 V
B．图乙干路允许流过的最大电流为3.5 A
C．图丙两端允许加的最大电压为17.5 V
D．以上说法均不正确
三、非纯电阻电路功率的分析及计算
电动机的功率和效率
(1)电动机的输入功率指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指电动机将电能转化为机械能的功率，P出＝IU－I2r.
(4)电动机的效率：η＝＝.
例3　规格为“220 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，求：
(1)接上220 V的电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；
　
　
(2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率．
　
　
　
　
　
　
　
　
【总结提升】
1．纯电阻电路中，W＝UIt＝I2Rt＝t
P＝UI＝I2R＝.
电动机不转时，无机械功率输出，属纯电阻电路．
2．非纯电阻电路中，W＝UIt＞Q＝I2Rt，
P＝UI＞P热＝I2R.
电动机转动时，向外输出机械功率，属非纯电阻电路．
3．电动机的效率等于输出的机械功率与总消耗的电功率之比，即η＝×100%.
针对训练2　如图3所示，有一内电阻 ( http: / / www.21cnjy.com )为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V　60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端，灯泡正常发光，则(　　)【来源：21·世纪·教育·网】
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图3
A．电解槽消耗的电功率为120 W
B．电解槽的发热功率为60 W
C．电解槽消耗的电功率为60 W
D．电路消耗的总功率为60 W
【达标检测】
1．下表为某电热水壶铭牌上的一部分内容，根据表中的信息，可计算出电热水壶在额定电压下以额定功率工作时的电流约为(　　)【来源：21cnj*y.co*m】
型号 DF－938 额定功率 900 W
额定电压 220 V 额定容量 1.2 L
A.6.8 A B．4.1 A
C．1.2 A D．0.24 A
2．(多选)如图4所示，把四个相同 ( http: / / www.21cnjy.com )的灯泡接成甲、乙两种电路后，灯泡都正常发光，且两个电路的总功率相等．则下列对这两个电路中的U甲、U乙、R甲、R乙之间的关系的说法正确的是(　　)www-2-1-cnjy-com
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图4
A．U甲＞2U乙 B．U甲＝2U乙
C．R甲＝4R乙 D．R甲＝2R乙
3.电阻R1、R2的I－U图象如图5所示，则下列说法正确的是(　　)
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图5
A．R1∶R2＝3∶1
B．将R1与R2串联后接于电源上，则电压比U1∶U2＝1∶3
C．将R1与R2并联后接于电源上，则电流比I1∶I2＝1∶3
D．将R1与R2并联后接于电源上，则功率比P1∶P2＝1∶3
4.如图6所示，A为电解槽，N为电炉子，恒定 ( http: / / www.21cnjy.com )电压U＝12 V，电解槽内阻rA＝2 Ω，当S1闭合、S2断开时，电流表的示数为6 A；当S2闭合、S1断开时，电流表的示数为4 A，求：(电流表内阻不计)21·cn·jy·com
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图6
(1)电炉子的电阻及发热功率各多大？
(2)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？
　
　
　
　
　
　
答案精析
知识探究
一、导学探究　It　IUt
知识梳理
1．(1)静电　电　(2)IUt　焦耳　J
3．6×106
2．(1)时间　(2)UI
即学即用　(1)√　(2)×　(3)×
二、导学探究　(1)纯电阻电路有：白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅；非纯电阻电路有：电动机、电容器、电解槽21教育网
(2)内能　内能和机械能
知识梳理　1.(1)电流的二次方　电阻
通电时间　(2)I2Rt　2.(1)单位时间　(2)I2R　3.(1)内能　(2)电动机
电解槽　机械能　化学能
即学即用　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√
题型探究　例1　BCD　[ ( http: / / www.21cnjy.com )电功率公式P＝，表示电功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝，焦耳热Q＝()2Rt，可见Q与P、U、t、R都有关，所以P越大，Q不一定越大，A错．【出处：21教育名师】
W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝只适用于纯电阻电路，B对．
在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C对．
Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对．]
例2　C　[判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是额定电压，或电流是否是额定电流，对灯泡有P＝UI＝，【版权所有：21教育】
可知RA＜RB.
对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110 V，B灯被烧毁，UA＜110 V，A灯不能正常发光．21教育名师原创作品
对于B电路，由于RB＞RA，A灯又并联滑动变阻器，并联电阻小于RB，所以UB＞U并，B灯烧毁．
对于C电路，B灯与滑动变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光．21*cnjy*com
对于D电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光．
比较C、D两个电路，由于 ( http: / / www.21cnjy.com )C电路中滑动变阻器功率为(IA－IB)×110 V，而D电路中滑动变阻器功率为(IA＋IB)×110 V，所以C电路消耗电功率最小．]
针对训练1　BC
例3　(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W
解析　(1)排气扇在 220 V的电压下正常工作时的电流为
I＝＝ A≈0.16 A
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.
(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为
I′＝＝ A＝5.5 A
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.
针对训练2　C
达标检测　1.B　2.BC　3.B
4．(1)2 Ω　72 W　(2)16 W
解析　(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律得I1＝，则R＝＝＝2 Ω，其发热功率为：PR＝UI1＝12×6 W＝72 W.www.21-cn-jy.com
(2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为 ( http: / / www.21cnjy.com )：P热＝IrA＝42×2 W＝32 W，总功率为：P总＝UI2＝12×4 W＝48 W，故电能转化为化学能的功率为：P化＝P总－P热＝(48－32) W＝16 W.
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