课件11张PPT。第3节 电功与电热 一、电功和电功率
【思考】
当家中只开一盏节能灯时,电能表的表盘转得很慢,而用电磁炉烧水时,电能表的表盘转得很快。这是为什么呢? 提示:因为节能灯的功率远小于电磁炉的功率,故在相同时间内节能灯消耗的电能要远小于电磁炉。1.电能的转化:电能转化为其他形式的能的过程就是
_________的过程,消耗了多少电能,电流就做了多少功。电流做功2.电功与电功率:自由电荷电流UItUIJW电能做功二、焦耳定律
1.内容:电流通过导体产生的热量与_____的二次方成
正比,与导体的_____及_________成正比。
2.公式:Q=____。
3.单位:_____,符号:J。电流电阻通电时间I2Rt焦耳三、身边的电热
1.电流热效应的应用:如电热水器、电饭锅、电刻笔、
电焊等都是利用_____________工作的。电流的热效应2.电流热效应的危害:
(1)插头和插座之间接触不良会迸出火花。
(2)在输电线路中由于电热,降低了电能的输送效率。
(3)电线中由于_________或散热不好会烧坏电线的绝
缘层,引起漏电、触电。电流过大温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 电功和电功率
1.对电功率的分析:
(1)电功率P==UI对任何电路都适用。
(2)额定功率和实际功率。
①额定功率:用电器正常工作所消耗的功率。
②实际功率:用电器在实际电压下电流做功的功率。
2.对电功、电功率的三点说明:
(1)电功W=UIt适用于任何电路。
(2)在纯电阻电路中,由于I=,所以在纯电阻电路中的电功可表示为W=UIt=
I2Rt=t。
(3)P=UI适用于任何电路,在纯电阻电路中P=UI=I2R=。
【思考·讨论】
如图所示,已知电路两端的电势差为U,电路中的电流为I,在时间t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,电场力做的功是多少?
(物理观念)
提示:q=It,W=Uq=UIt
【典例示范】
一根电阻丝,通过2 C电荷量所消耗的电能是8 J,若在相同的时间内通过4 C的电荷量,则该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是( )
A.4 V,16 J B.8 V,16 J
C.4 V,32 J D.8 V,32 J
【解题探究】
(1)怎样求电功?
提示:W=UIt
(2)电荷量和时间是什么关系?
提示:q=It
【解析】选D。根据W=U It,以及q=It得,W=q U,则:U== V=4 V;相同时间内流过的电量变为原来的2倍,则电流变为原来的2倍,因为电阻不变,根据欧姆定律得,两端的电势差变为原来2倍,即U′=8 V,则:W=q U′=4×8 J=32 J。
【素养训练】
1.关于电功率的下列说法中,正确的是 ( )
A.用电器的额定功率与用电器的实际电压和实际电流有关
B.用电器的实际功率取决于用电器的额定功率
C.白炽灯正常工作时,实际功率等于额定功率
D.电功率越小,则电流做功越少
【解析】选C。用电器的额定功率是它正常工作时的功率,其值是由用电器本身的结构决定的,与实际电流和电压无关,故A错误,C正确;而用电器实际功率是多大,是由加在它两端的电压和通过的电流决定的,故B错误;电流做功的多少不仅与功率的大小有关,还与时间有关,故D错误。
2.如图所示电路,电源电压不变,R1的电阻为20 Ω。只闭合开关S1时,电流表的读数为0.3 A;S1、S2都闭合时,电流表的读数为0.5 A,求:
(1)电源电压;
(2)S1、S2都闭合时R2的电功率。
【解析】(1)只闭合S1时,由欧姆定律可得:
电源电压:U=U1=I1R1=0.3 A×20 Ω=6 V;
(2)开关S2闭合时,两电阻并联,通过R1的电流不变,
则由并联电路的电流规律可得:
通过R2的电流:I2=I-I1=0.5 A-0.3 A=0.2 A;
则R2消耗的电功率:P2=UI2=6 V×0.2 A=1.2 W。
答案:(1)6 V (2)1.2 W
【补偿训练】
一台国产XQB3013型自动洗衣机说明书中所列的主要技术数据如表所示,试根据表中提供的数据计算:
额定电压
220 V
额定频率
50 Hz
额定洗衣、脱水功率
360 W
额定洗衣、脱水容量
3 kg
整机质量
33 kg
外形尺寸(长×宽×高)
(542×550×920) mm3
(1)这台洗衣机在额定电压下洗衣或脱水时,通过洗衣机的电流是多大?
(2)如洗衣、脱水的累计时间为40 min,则洗衣机耗电多少?
【解析】(1)由说明书可知P=360 W,
又由P=UI
可知I== A=1.64 A。
(2)W=Pt=360×40×60 J=8.64×105 J
故消耗的电能为8.64×105 J。
答案:(1)1.64 A (2)8.64×105 J
二 电功和电热的关系
1.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
元件特点
电路中只有电阻元件
除电阻外还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器
电流、电
压、电阻
三者的
关系
遵循欧姆定律I=
不遵循欧姆定律,由W=UIt=I2Rt+W其他知U>IR或I<
能量转
化形式
电流做功全部转化为内能:W=Q=UIt=I2Rt=t
电流做功转化为内能和其他形式的能量:电功W=UIt;电热Q=I2Rt,W=Q+W其他
能量转化
示意图
元件
举例
电阻、电炉丝、白炽灯
电动机、电解槽、电风扇
2.对纯电阻电路和非纯电阻电路的三点说明:
(1)电能全部转化成电热为纯电阻电路,电能转化成电热和其他形式能为非纯电阻电路。
(2)非纯电阻电路只能用Q=I2Rt计算电热,电功W=UIt大于Q。
(3)对于含有电动机的电路,电动机转动时是非纯电阻电路,电动机不转时是纯电阻电路。
3.电动机的功率和效率:
(1)输入功率:电动机的总功率。由电动机电路的电流和电压决定,计算:P总=UI。
(2)输出功率:电动机做有用功的功率。
(3)热功率:电动机线圈上有电阻,电流通过线圈时要发热,热功率P热=I2r。
(4)功率关系:P总=P出+P热。
(5)电动机的效率:η=。
【思考·讨论】
(1)某一电路中只含有某一元件,即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中一种,分析哪些属于纯电阻电路,哪些属于非纯电阻电路?(物理观念)
(2)纯电阻电路中,消耗的电能转化为什么形式的能?对于电动机的电路,消耗的电能转化为什么形式的能? (科学思维)
提示:(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。
(2)内能 内能和机械能。
【典例示范】
排气扇是由电动机带动风叶旋转驱动气流,使室内外空气交换的一类空气调节电器,又称通风扇。排气的目的就是要除去室内的污浊空气,调节温度、湿度和感觉效果。排气扇广泛应用于家庭及公共场所。如图所示是规格为“220 V
36 W”的排气扇,线圈电阻为40 Ω,求:
(1)接上220 V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。
【解题探究】
(1)如何计算电流的总功率?
提示:P总=UI
(2)如何计算热功率?
提示:P热=I2R
(3)如何计算机械功率?
提示:P机=P总-P热
【解析】(1)接上220 V电压后,排气扇的功率为36 W,根据热功率公式P热=I2R=()2×40 W≈1 W,所以转化为机械能的功率P机=P-P热=36 W-1 W=35 W;
(2)当接上220 V电压后,扇叶被卡住,不能转动,此电路变为纯电阻电路,消耗的功率全部转化为热功率,所以P′=P热′== W=1 210 W。
答案:(1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W
【规律方法】电动机电路的分析与计算
【素养训练】
1.有一台电风扇额定电压为U,额定功率为P,额定电流为I,线圈电阻为R,将电风扇接入额定电压U,则t秒内电风扇产生的热量为 ( )
A.Q=Pt B.Q=I2Rt C.Q=UIt D.Q=t
【解析】选B。电风扇正常工作时产生的热量是由于内阻发热产生的,所以t时间内产生的热量为Q=I2Rt;由于是非纯电阻电路,故U>IR,故Q
2.如图所示为电动机提升重物的装置,电动机线圈的电阻为r=1 Ω,电动机两端的电压为5 V,电路中的电流为1 A,物体A的重力为20 N,不计摩擦力。求:
(1)电动机线圈上消耗的热功率是多少?
(2)电动机的输入功率和输出功率各是多少?
(3)10 s内,可以把物体A匀速提升多高?
(4)这台电动机的机械效率是多少?
【解析】(1)根据焦耳定律可知,电动机线圈上消耗的热功率为PQ=I2r=12×1 W=
1 W。
(2)电动机的输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积,故有P入=IU=1×
5 W=5 W
输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率,所以有P出=P入-PQ=5 W-1 W=4 W。
(3)电动机的输出功率用来提升重物,转化为机械功率,在10 s内,有P出t=mgh,解得h== m=2 m。
(4)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率,输出功率是机械功率,电动机的机械效率η=×100%=×100%=80%。
答案:(1)1 W (2)5 W 4 W (3)2 m (4)80%
【补偿训练】
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;若把它接入2 V 电压的电路中,电动机正常工作,工作电流是
1 A。
(1)求电动机正常工作时的输出功率。
(2)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,说明电动机无机械能输出,它消耗的电能完全转化为热能,此时电动机可看成纯电阻,则r==0.5 Ω。
当加电压为2 V、电流为1 A时,电动机正常工作,有机械能输出,此时电动机为非纯电阻电路,消耗的电能等于转化的机械能和热能之和。转化的热功率为P热=I2r=0.5 W
总功率P总=UI=2 W,
则输出功率P出=P总-P热=1.5 W。
(2)若在电动机正常工作时被卡住,电动机无机械能输出,看作纯电阻电路,此时的电热功率为:
P热′== W=8 W。
答案:(1)1.5 W (2)8 W
【拓展例题】考查内容:电动机的功率与效率
【典例】如图所示,电源电压恒为U=14 V,小灯泡L标有“4 V 8 W”,电动机的线圈电阻rM=1.0 Ω,当变阻器调到2 Ω时,小灯泡与电动机均正常工作,求电动机的机械效率。
【解析】小灯泡正常工作I==2 A
电动机的输入功率
P入=I(U-UL-IR)=12 W
线圈电阻消耗的功率
P内=I2rM=4 W
所以电动机的机械效率
η=×100%=×100%≈66.7%。
答案:66.7%
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课堂检测·素养达标
1.额定电压、额定功率相同的电风扇、电烙铁和日光灯,各自在额定电压下工作了相同时间,比较它们产生的热量,结果是 ( )
A.电风扇最多 B.电烙铁最多
C.日光灯最多 D.一样多
【解析】选B。电风扇,电烙铁和日光灯额定电压、额定功率相同,相同时间内消耗的电能相等,而电风扇消耗的电能大部分转化为机械能,日光灯消耗的电能大部分转化为光能,电烙铁消耗的电能全部转化为内能,所以产生的热量电烙铁最多。则B正确,A、C、D错误。
2.LED灯可将电能高效转化为光能,在日常生活中得到普遍应用。某LED灯的额定功率为10 W,它以额定功率工作1 min消耗的电能为 ( )
A.10 J B.60 J C.600 J D.6 000 J
【解析】选C。LED灯的额定功率为10 W,它以额定功率工作1 min=60 s内消耗的电能为:W=Pt=10×60 J=600 J;所以选C。
3.如图所示,理发用的电吹风机中有电动机和电热丝,电动机带动风叶转动,电热丝给空气加热,得到热风将头发吹干,设电动机的线圈电阻为R1,它与电热丝的电阻R2串联,接到直流电源上,电路中电流为I,电动机电压为U1,消耗的电功率为P1,电热丝两端电压为U2,消耗的电功率为P2,则下列式子不正确的是( )
A.P1=U1I B.U1=IR1
C.P2=I2R2 D.U2=IR2
【解析】选B。由于流过电动机的电流为I,电动机两端的电压为U1,所以电动机消耗的功率为P1=U1I,故A正确;电动机为非纯电阻电路,所以电动机两端的电压U1≠IR1,故B错误;由于电热丝为纯电阻,所以电功率P2=I2R2,U2=IR2,故C、D正确。
4.如图所示,两个不同的电烙铁,其中甲的规格为“220 V,800 W”,乙的规格为“220 V,1 600 W”。则当两电烙铁分别接通,其通过的电流分别为I1=0.4 A,I2=
0.2 A时,分别工作t1=10 s,t2=20 s 后释放的热能为多少?
【解析】由P=得R=,
故R甲= Ω=60.5 Ω
R乙= Ω=30.25 Ω,
由焦耳定律Q=I2Rt得
Q甲=R甲t1=(0.4)2×60.5×10 J=96.8 J,
Q乙=R乙t2=(0.2)2×30.25×20 J=24.2 J。
答案:96.8 J 24.2 J
【补偿训练】
如图所示是一直流电动机工作时的电路图。电动机内阻r=0.8 Ω,电路中另一电阻R=10 Ω,直流电压U=160 V,电压表示数UV=110 V。试求:
(1)通过电动机的电流。
(2)输入电动机的电功率。
(3)电动机输出的机械功率。
【解析】(1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压
UR=U-UV=(160-110) V=50 V
通过电阻R的电流IR== A=5 A
即通过电动机的电流IM=IR=5 A。
(2)电动机的分压UM=UV=110 V
输入电动机的功率P入=IM·UM=550 W。
(3)电动机的发热功率P热=r=20 W
电动机输出的机械功率P出=P入-P热=530 W。
答案:(1)5 A (2)550 W (3)530 W
情境:
家电待机耗电问题常常被市民所忽视。据有关部门测量,电视机待机一天的耗电量在0.2度左右。据统计潍坊市的常住人口900多万人,以家庭户300万户,用电器平均每天待机20小时计,参考表中数据。
家庭常用电器
电视机
洗衣机
空调
电脑
户均数量(台)
1
1
2
1
电器待机功耗(W/台)
10
2
3
10
问题:试估算每年潍坊市家庭用电器待机耗电总量约为多少?
【解析】一户人家家电待机总功率为:P=10 W+2 W+2×3 W+10 W=28 W;一户人家因待机一天消耗的电能为:E0=28×20×3 600 J=2.016×106 J;则每年潍坊市家庭用电器待机耗电总量为:E=300×104×365×E0;代入数据并转换为度为单位可得:
E=6.132×108度,故每年潍坊市家庭用电器待机耗电总量约为6×108度。
答案:6×108度
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课时素养评价 十三
电功与电热
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共3小题,每题6分,共18分)
1.关于电功,下列说法正确的有 ( )
A.电功的实质是电场力所做的功
B.电功是其他形式的能转化为电能的量度
C.电场力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大
D.电流通过电动机时的电功率和热功率相等
【解析】选A。电场力移动电荷时对电荷所做的功叫电功,是电能转化为其他形式能的量度,A正确,B错误;电场力使金属导体内自由电子定向移动的速率增大,C错误;电流通过电动机时的电功率大于热功率,D错误。
2.如图所示,有一内电阻为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
( )
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
【解析】选C。灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110 V电压,且干路电流I=I灯=,则电解槽消耗的功率P=P灯=60 W,C正确,A错误;电解槽的发热功率P热=I2R≈1.3 W,B错误;整个电路消耗的功率P总=220 V×=120 W,D错误。
3.一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上(其内电阻可忽略不计),均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A,通过洗衣机电动机的电流是0.50 A,则下列说法中正确的是 ( )
A.电饭煲的电阻为44 Ω,洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω
B.电饭煲消耗的电功率为1 555 W,洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W
C.1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J,洗衣机电动机消耗的电能为
6.6×103 J
D.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
【解析】选C。由于电饭煲是纯电阻元件,所以R1==44 Ω,P1=UI1=1 100 W;其在1 min内消耗的电能W1=UI1t=6.6×104 J;洗衣机为非纯电阻元件,所以R2≠,P2=UI2=110 W,其在1 min内消耗的电能W2=UI2t=6.6×103 J,其热功率P热≠P2,所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍;故C正确,A、B、D错误。
二、计算题(共12分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
4.微型吸尘器的直流电动机的内阻一定,为1 Ω,当加在它两端的电压为2.0 V时,电流为0.8 A,且能正常工作。
(1)求它的输入功率。
(2)工作时由于导线发热而损失的功率多大?
(3)它的输出功率多大?
【解析】电动机正常工作时是非纯电阻电路,则:
(1)输入功率P入=UI=2.0×0.8 W=1.6 W。
(2)由导线发热损失的功率
P热=I2R=(0.8)2×1 W=0.64 W。
(3)根据能量的转化与守恒,电动机的输出功率
P出=P入-P热=1.6 W-0.64 W=0.96 W。
答案:(1)1.6 W (2)0.64 W (3)0.96 W
【补偿训练】
一辆电动自行车的铭牌上给出的技术参数表
规格
后轮驱动直流
永磁铁电机
车型
26″电动
自行车
额定输出
功率
120 W
整车质量
30 kg
额定电压
40 V
最大载重
120 kg
额定电流
3.5 A
质量为M=70 kg的人骑此电动自行车沿平直公路行驶,所受阻力f恒为车和人总重的k倍。k=0.02,g取10 m/s2,求:
(1)此车的电机在额定电压下正常工作的效率。
(2)仅在电机以额定功率提供动力的情况下,人骑车行驶的最大速度。
(3)仅在电机以额定功率提供动力的情况下,当车速为v1=1.0 m/s时,人骑车的加速度大小。
【解析】(1)由表可知,电机的额定电压为U0=40 V、额定电流为I0=3.5 A,
所以电机正常工作时输入功率为P入=U0I0=140 W
又因电机的输出功率为P出=120 W,
所以电机的效率为η==85.7%。
(2)行驶时所受阻力为f=k(M+m)g,式中m为车的质量。当达到最大速度vmax时,应有P出=fvmax,
所以最大速度vmax==6.0 m/s。
(3)当车速为v1=1.0 m/s时,
牵引力F==120 N。
设此时车的加速度为a,根据牛顿第二定律F-f=(M+m)a,解得a=1.0 m/s2。
答案:(1)85.7% (2)6.0 m/s (3)1.0 m/s2
(10分钟·20分)
5.(6分)如图所示的电动自行车既可以电动骑行,也可以脚踏骑行。当电动骑行时,蓄电池对车上的电动机供电,电动机为车提供动力。表中是某型号电动自行车的主要技术参数,根据学过的物理知识,判断以下估算结果中合理的是 ( )
整车
整车质量
40 kg
最高车速
30 km/h
最大噪声
62 dB
蓄电池
电压
48 V
容量
12 Ah
电动机
额定电压
48 V
额定功率
240 W
A.电动骑行过程中,电动机的工作电流保持5 A不变
B.蓄电池一次充足电,放电时可输出的电能最多约为3.5×104 J
C.若蓄电池储存能量的80%用于驱动电动自行车在平均阻力为40 N的水平公路上匀速行驶,蓄电池一次充满电后,最多可供电动骑行约41 km
D.蓄电池一次充电后,该电动自行车最多可供电动骑行2.4 h
【解析】选C。由P=UI可得,电动机的额定电流:I电动机= = A=5 A,因电动机在行驶过程中不一定以额定功率工作,所以,电动机的工作电流不一
定是5 A,故A错误;蓄电池一次充足电后放电时可输出的最多电能:W电=
U电I电t电=48 V×12 A×3 600 s=2.073 6×106 J,故B错误;每次充电可以给电动机提供的电能:W机械=W电×80%=2.0736×106 J×80%=1.658 88×106 J,因电动车匀速行驶,所以,受到的牵引力F=f=40 N,由W=Fs可得,最远行驶的距离:s= =41 472 m≈41 km,故C正确;由I=可得,该电动自行车最多可供正常电动骑行的时间:t= =2.4 h,因电动车行驶时,电动机不一定以额定功率工作,所以,该电动自行车可供电动骑行的时间不一定小于2.4 h,故D错误。
6.(14分)如图所示电路中,电源提供的电压U=8 V,D为直流电动机,其电枢线圈电阻R=3 Ω,电阻R′=4 Ω。当电动机正常工作时,电压表示数为0.8 V。求:
(1)通过电动机的电流是多大?
(2)电动机输入的电功率、转变为热量的功率和输出机械功率各是多少?
【解析】(1)通过电动机的电流I与流过电阻R′的电流相同,则:I== A
=0.2 A。
(2)电动机两端电压:UD=U-UV=8 V-0.8 V=7.2 V
电动机输入的电功率:P入=UDI=7.2×0.2 W=1.44 W
电动机的发热功率:P热=I2R=0.22×3 W=0.12 W
电动机的输出功率:P出=P入-P热=1.44 W-0.12 W=1.32 W。
答案:(1)0.2 A (2)1.44 W 0.12 W 1.32 W
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