2012新课标同步导学物理[沪科版]课件：选修3-1第4章 4．4　电路中的能量转化与守恒

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4.4　电路中的能量转化与守恒
在现代社会里，人们离不开电．各种各样的用电器减轻了人们的劳动强度，提高了人们的生活质量．顾名思义，用电器是用电来工作的器具，它们的共同特点就是要消耗电能，靠电流做功来工作．以下是日常生活中常见的用电器，你能说出它们的名称和用途吗？电能转化为什么能量了？
1．基本定义
电路中电流所做的功叫做电功．
2．公式形式
W＝UIt，公式中各量均采用国际单位制．
3．要点剖析
(1)实质：
①从力的角度，电流做功的实质是电场力对电荷做功．
②从能的角度，电流做功是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小度量着电能转化的大小，它标志着电能转化为其他形式的能．
(2)W＝UIt，此式是计算式，对于任何电路都适用．
(3)电功的公式也可写成W＝Uq，此式中各量可采用国际单位制，若U、q的单位分别用伏(V)、元电荷(e)，则电功的单位为电子伏(eV)．
1 eV＝1.6×10－19 J.
4．思维拓展
(1)纯电阻电路中，电流做功所消耗的电能全部转化为内能．
所谓纯电阻电路是指只含有电阻元件，不含有非线性元件(如电动机、电解槽等能够把电能转化为其他形式的能的用电器)的电路．
其特点如下：
(3)用电器的额定功率
额定电压、额定功率是用电器在使用时的重要参数，它表示用电器正常工作电压，以及在正常电压下用电器的功率．例：“220 V,60 W”白炽灯．
①用电器在额定电压下工作，用电器的实际功率等于额定功率，即P实＝P额．
②用电器不在额定电压下工作，用电器的实际功率不等于额定功率，即P实≠P额．
4．思维拓展
(1)用电器正常工作条件：
①用电器两端的实际电压等于其额定电压；
②用电器中的实际电流等于其额定电流；
③用电器的实际电功率等于其额定功率．
以上3个条件中的任何一个得到满足时，其余两个条件必然同时满足，因此它们是用电器正常工作的等效条件，灵活选用等效条件，可使问题简化．
1．经典表述
电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比．
2．公式形式
Q＝I2Rt
式中，Q、I、R、t分别表示热量、电流、电阻、时间，其单位分别是焦耳、安培、欧姆、秒．
3．适用条件
它是一条独立的定律，对任何电路都成立．
④当P出⑤P出与R的关系如右图所示．
(2)闭合电路上功率分配关系为：
P＝P出＋P内．即　EI＝UI＋I2r.
闭合电路上功率分配关系，反映了闭合电路中能量的转化和守恒，即电源提供的电能，一部分消耗在内阻上，其余部分输出给外电路，并在外电路上转化为其他形式的能．能量守恒的表达式为：
EIt＝UIt＋I2rt(普遍适用)，
EIt＝I2Rt＋I2rt(只适用于外电路为纯电阻的电路)．
(3)电源的相关功率和电源的效率
①正确区分相关电功率的含义
电功率 意义 公式
电源功率 指电源提供的全部电功率 P总＝EI
电源输出功率 指电源提供给外电路的功率 P出＝UI
电源消耗功率 指电源内电阻消耗的功率 P内＝I2r
电功率 意义 公式
用电器的额定功率 指用电器在正常工作条件(即额定电压)下的功率 P额＝U额I额
用电器的实际功率 指用电器在实际电压下消耗的功率 P实＝U实I实
输电线上损失的功率 指电流流过输电导线时发热损失的功率 P损＝I2R线
电源的供电效率 指用电器得到的电功率跟电源的总功率之比
重难点：元件的总功率≥元件的输出功率；元件的实际功率≤元件的额定功率．
供电电路电源输出电压为U1，线路损失电压为U2，用电器得到的电压为U3，总电流为I，线路导线的总电阻为R，则表示线路损失的电功率正确表达式为(　　)
【答案】　BCD
1.利用超导材料零电阻的性质，可实现无损耗输电．现有一直流电路，输电线的总电阻为0.4 Ω，它提供给用电器的电功率为40 kW，电压为800 V．如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为(　　)
A．1 kW　　　　　　　 B．1.6 kW
C．10 kW D．1.6×103 kW
【答案】　A
一只规格“220 V，1 000 W”的电炉，求它在正常工作时的电阻．若电网电压为200 V，求电炉的实际功率．在220 V电压下，如果平均每天使用电炉2 h，求此电炉一个月要消耗多少度电？
【答案】　60度
“度”是电功单位，是电功率为1千瓦的用电器工作1小时而消耗的电能.1度＝103 W×3 600 s＝3.6×106 J.
2.有三个电阻的阻值及额定功率分别为R1＝10 Ω、P1＝10 W，R2＝20 Ω、P2＝80 W，R3＝5 Ω、P3＝20 W，它们组成的电路如下图甲、乙、丙所示，关于各图的说法中正确的(　　)
A．图甲两端允许加的最大电压为60 V
B．图乙电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．图丙电路允许消耗的最大功率为110 W
对图丙分析：在图甲和图乙的分析中，已经知道，R1、R2的额定电压分别是10 V和40 V，故并联部分允许承受的最大电压U′m＝10 V，该部分的最大电流I′m＝U′m/R1＋U′m/R2＝(10/10＋10/20)A＝1.5 A，又知R3的额定电流I3＝2 A，故整个电路允许通过的最大电流Im＝I′m＝1.5 A，电路两端允许加的最大电压Um＝ImR3＋ImR并＝ImR3＋U′m＝(1.5×5＋10) V＝17.5 V．选项C对．
根据求出的最大允许电压及电流，可计算出图丙电路允许承受的最大功率Pm＝ImUm＝1.5×17.5 W＝26.25 W．选项D错．
【答案】　BC
(2)通过电功率(或电功)计算电流或电压
如电动机两端的电压为U，内阻为r，通过的电流为I，则
IU＝P机＋I2r
IUt＝P机t＋I2rt
在非纯电阻电路中，电流做的功只有部分转化为电热，因此电功与电热不相等，求电功问题有公式W＝UIt，求电热用公式Q＝I2Rt.
一台电风扇的额定功率为60 W，内电阻为2 Ω，当它接在220 V的电压下正常运转，求：
(1)电风扇正常运转时，通过它的电流强度多大？每秒钟有多少电能转化为机械能？
(2)若接上电源后，电风扇因故不能转动，这时通过它的电流强度多大？电风扇实际消耗的电功率多大？此时会发生什么问题？
【答案】　(1)0.27 A　59.85 J　(2)110 A　24 200 W　电动机被烧坏
电风扇工作时，有电能转化为机械能，属非纯电阻用电器，欧姆定律不适用，电功和电热不相等．求解这一过程转化的其他形式的能，通常由能量守恒定律W＝Q＋E来求．接通电源后，电风扇不转动，相当于纯电阻，可由欧姆定律求电流，此时电功和电热相等，电流通过电风扇所做的功全部用来产生热，将烧坏电动机，生活中应避免这一现象发生．
3.如右图所示，电解槽A和电炉B并联后接到电源上，已知电源内阻r＝1 Ω，电炉阻值R＝19 Ω，电解槽内阻r′＝0.5 Ω.当S1闭合、S2断开时，电炉消耗的功率为684 W；S1、S2都闭合时，电炉消耗的功率为475 W(电炉电阻可看做不变)．试求：
(1)电源的电动势E；
(2)S1、S2闭合时，流过电解槽的电流大小；
(3)S1、S2闭合时，电解槽中电能转化成化学能的功率．
(3)电解槽消耗的总电功率PA＝IAU＝20×95 W＝1 900 W
电解槽内阻消耗功率P′＝IA2r′＝202×0.5 W＝200 W
电解槽中电能转化成化学能的功率P化＝P－P′＝1 700 W.
【答案】　(1)120 V　(2)20 A　(3)1 700 W
如下图所示的电路中，电路消耗的总功率为40 W，电阻R1为4 Ω，R2为6 Ω，电源内阻r为0.6 Ω，电源的效率为94%，求：
(1)ab两点间的电压；
(2)电源的电动势．
【答案】　(1)4.8 V　(2)20 V
4.在如右图所示的电路中，R1为定值电阻，R2为可变电阻，E为电源电动势，r为电源内阻．则以下说法中正确的是(　　)
A．当R2＝R1＋r时，R2上获得最大功率
B．当R1＝R2＋r时，R1上获得最大功率
C．当R2＝0时，R1上获得最大功率
D．当R2＝0时，电源的输出功率最大
【解析】　在讨论R2的电功率时，可将R1视为电源内阻的一部分，即将原电路等效为外电阻R2与电动势E、内阻为(R1＋r)的电源(等效电源)连成的闭合电路，R2的电功率是等效电源的输出功率．显然当R2＝R1＋r时，R2获得电功率最大，选项A正确；讨论R1的电功率时，由于R1为定值，根据P＝IR知，电路中电流越大，R1上的电功率就越大(P1＝I2R1)，所以，当R2＝0时，等效电源内阻最小(等于r)，R1获得的电功率最大，故选项B错误，C正确；讨论电源的输出功率时，(R1＋R2)为外电阻，内电阻r恒定，由于题目没有给出R1和r的具体数值，所以当R2＝0时，电源输出功率不一定最大，故选项D错误．
【答案】　AC
1．电功
(1)定义：在电路中，导体中的自由电荷在电场力作用下发生定向移动而形成电流，此过程中 所做的功叫电功．
(2)公式：W＝ 　单位： ，符号： .
2．电功率
(1)定义： 跟完成这些功所需 的比值叫做电功率．
(2)公式：P＝ 　单位： ，符号： .
电场力对自由电荷
UIt
焦耳
J
电流所做的功
时间
UI
瓦特
W
3．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量，跟电流的 比，跟导体的电阻和通电时间成 比．
(2)公式：Q＝I2Rt.
(3)电功与电热的关系：在 电路中电功等于电热，在 电路中电功大于电热．
二次方成正
正
纯电阻
非纯电阻
4．电源的功率和效率
(1)功率：①电源的功率(电源的总功率)PE＝ 　②电源的输出功率P出＝ ；③电源内部消耗的功率Pr＝ .
EI
UI
I2r
1．(考查点：影响电功率的因素)一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36 W与36 V．若把此灯泡接到输出电压为18 V的电源两端，则灯泡消耗的电功率(　　)
A．等于36 W　　　　　　　　
B．小于36 W，大于9 W
C．等于9 W
D．小于36 W
【答案】　B
2．(考查点：电功率的计算)三个电阻分别标有“100 Ω，4 W”“200 Ω，2 W”“50 Ω，8 W”，将它们串联起来，允许通过的最大电流为________ A，允许消耗的最大总功率为________ W．(不考虑温度对电阻的影响)
【答案】　0.1　3.5
3．(考查点：纯电阻和非纯电阻电路的分析)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内(　　)
A．电炉放热与电动机放热相等
B．电炉两端电压小于电动机两端电压
C．电炉两端电压等于电动机两端电压
D．电动机消耗的功率大于电炉的功率
【解析】　电炉属于纯电阻，电动机属于非纯电阻．对于电炉有：U＝IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R；对于电动机有：U>IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝IU>I2R.
【答案】　ABD
4．(考查点：电功率的计算)如图所示，电路两端的电压U保持不变，电阻R1、R2、R3消耗的电功率一样大，则电阻之比R1∶R2∶R3(　　)
A．1∶1∶1 B．4∶1∶1
C．1∶4∶4 D．1∶2∶2
【答案】　C
练考题、验能力、轻巧夺冠