粤教版（2019）物理必修第三册 5.1 电路中的能量 课件(66张ppt）

第五章　电能与能源的可持续发展
①物理观念：知道焦耳定律和能量守恒定律的内容．了解能量耗散，了解自然界宏观过程中能量转化和转移的方向性．
②科学思维：理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质．理解电功和电热的区别，会区分纯电阻电路和非纯电阻电路．理解内、外电压，理解闭合电路的欧姆定律．理解电热和电热功率．

③科学探究：知道运用控制变量法探究电流产生的热量与哪些因素有关，进一步理解电流发热量的影响因素以及能量的转化过程．
④科学态度与责任：会从能量守恒的角度理解焦耳定律．理解闭合电路中能量的转化关系，会从能量的转化和守恒定律推导出闭合电路的欧姆定律．会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题．会用闭合电路的欧姆定律分析路端电压与负载的关系，会进行相关的电路分析和计算．
第一节　电路中的能量
学习目标
1.理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质
2．理解电功和电热的区别，会区分纯电阻电路和非纯电阻电路
3．理解电功率和热功率
4．会从能量守恒角度理解焦耳定律
学法指导
知识导图
预习导学 | 新知领悟
1．电功
(1)定义：电流在一段电路中所做的功等于这段电路____________、______________、______________三者的乘积．
(2)公式：W＝____________.
(3)单位：国际单位是______，符号是____．
(4)意义：描述电能转化为其他形式能的多少．
电功和电功率
两端的电压
电路中的电流
通电时间
UIt
焦耳
J

2．电功率
(1)定义：单位时间内__________所做的功．
(2)公式：P＝__________.
(3)单位：______，符号是______．
(4)意义：描述________转化为其他能的快慢或者是电流做功的快慢．
电流
IU
瓦特
W
电能
【答案】度是电功的单位.1度＝1 kW·h＝3.6×106 J.
家庭用电用“度”做单位，度是电功的单位，还是电功率的单位？
把六个相同的小灯泡连接成如图甲、乙所示的电路，调节变阻器使灯泡正常发光，甲、乙两电路所消耗的总功率分别用P甲和P乙表示，则下列结论中正确的是 (　　)
A．P甲＝P乙　　　
B．P甲＝3P乙
C．P乙＝3P甲　　
D．P乙>3P甲


【答案】B
【解析】设每个灯泡正常工作时的电流为I，则甲图中电路的总电流为3I，P甲＝12 V×3I，乙图中电路的总电流为I，P乙＝12 V×I，故有P甲＝3P乙，B正确．
1．内容：电流通过导体产生的热量与______________成正比，与____________及___________成正比．
2．表达式：Q＝________.
3．热功率
焦耳定律
电流的二次方
导体的电阻
通电时间
I2Rt
快慢
发热量
【答案】导线跟电炉丝是串联在一起的，通过它们的电流相等，而电炉丝的电阻比连接电炉丝导线的电阻要大得多，由焦耳定律Q＝I2Rt知在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热量要少得多．
用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？
多维课堂 | 素养初培
1．探究电功W＝UIt的推导过程．
【答案】一段电路两端的电压为U，由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在．电路中的自由电荷在电场力作用下发生定向移动，形成电流I.在时间t内通过这段电路上任一横截面的电量为q＝It.电场力所做的功W＝qU＝UIt，电场力所做的功也就是通常所说的电流做的功，即电功．
串、并联电路中电功率的计算

2．电功的单位有时用千瓦时，说明其物理含义，并计算1千瓦时等于多少焦．
【答案】1千瓦时表示功率为1千瓦的用电器在1小时内所消耗的电能．
1千瓦时＝1 000 W×3 600 s＝3.6×106 J.
精例1　有额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W 的电灯两盏，若接在电压是220 V的电源上，两盏电灯均可能正常发光，且消耗功率最小的电路是 (　　)
【答案】C
【解析】若要两灯均正常发光，亦即每灯的电压均为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，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200 W；对D电路，变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻，有UA＝UB＝U并＝110 V，两灯正常发光，且电路中消耗总功率为280 W．综上可知，C正确．
变式1　(多选)如图所示，L1、L2是两个不同的小灯泡，a、b间有恒定电压，当滑动变阻器的滑动触头向右滑动时，发生的现象是 (　　)
A．L1亮度不变，L2变暗
B．L1变暗，L2变亮
C．电路消耗的总功率减小
D．经过滑动变阻器的电流减小
【答案】BCD
1．在什么电路中电能全部转化为内能？
【答案】在纯电阻电路中，导体发热，电能全部转化为内能．
2．设在一段电路中只有纯电阻元件，其电阻为R，通过的电流为I，试以此为模型探究焦耳定律的表达式．
【答案】由欧姆定律U＝IR，在t时间内电流做的功为W＝UIt＝I2Rt.电路为纯电阻电路，W＝Q，即Q＝I2Rt，此式为焦耳定律的表达式．
纯电阻电路和非纯电阻电路
3．试推导电热功率的表达式．
4．怎样区分纯电阻电路和非纯电阻电路？这两种电路中电功与电热有怎样的关系？
【答案】(1)电路中只含有电阻元件的电路为纯电阻电路，如白炽灯、电炉等．电路中除含有电阻元件之外，还含有电动机、电解槽、电容器等产生其他能量的电路为非纯电阻电路．
(2)在纯电阻电路中，电流做功全部转化电热，即W＝Q.
在非纯电阻电路中，电流做的功除一部分转化为电热之外，大部分转化为其他形式的能．即W＝Q＋E其他，此时W>Q.
5．讨论在非纯电阻电路中如何计算电功率和电热功率？
【答案】P电＝UI，P热＝I2R，在纯电阻电路中，P电＝P热；在非纯电阻电路中，由于有其他形式的能出现，所以P电＝P热＋P其他，此时P电>P热．
精例2　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．
【答案】22.0 W　2 Ω.

变式2　规格为“220 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，
(1)接上220 V的电压后，求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；
(2)如果接上220 V的电压后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率．
【答案】(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W
　电动机电路的分析与计算








1．何为路端电压？探究讨论路端电压与外电阻的关系．
电源的相关功率和电源的效率
2．讨论如何求一个电源的电动势和内电阻．
3．如果以路端电压为纵坐标，电路中的电流I为横坐标，画出的U-I图像如图所示．分析此图像可得到什么信息？
【答案】(1)图线与纵轴的交点表示电源电动势E.
(2)图线与横轴的交点表示短路电流I0.
(3)图线斜率的绝对值表示电源内阻．
4．分析闭合电路中的电源的总功率EI，电源内阻消耗的功率I2r与电源的输出功率I2R存在什么关系？
【答案】由能量守恒定律可知EIt＝I2Rt＋I2rt知EI＝I2R＋I2r.
5．讨论什么情况下电源的输出功率最大，此时电源的效率为多少？
精例3　电路图如图甲所示，图乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图像，滑动变阻器的最大阻值为15 Ω，定值电阻R0＝3 Ω.




(1)当R为何值时，R0消耗的功率最大？最大值为多少？
(2)当R为何值时，电源的输出功率最大？最大值为多少？
【答案】(1)0　10.9 W　(2)4.5 Ω　13.3 W
变式3　如图所示，线段A为某电源的U-I图像，线段B为某电阻的U-I图像，当上述电源和电阻组成闭合电路时，求：
(1)电源的输出功率P出；
(2)电源内部损耗的电功率；
(3)电源的效率η.
【答案】(1)4 W　(2)2 W　(3)66.7%
　路端电压与电流的关系
闭合电路欧姆定律可变形为U＝E－Ir，E和r可认为是不变的，由此可知：
(1)路端电压随总电流的增大而减小．
(2)电流为零时，即外电路断路时的路端电压等于电源电动势E.在图像中，U-I图像在纵轴上的截距表示电源的电动势．




核心素养微专题
电动自行车
电动自行车，是指以蓄电池作为辅助能源，在普通自行车的基础上，安装了电机、控制器、蓄电池、转把、闸把等零部件和显示仪表系统的机电一体化的个人交通工具．
【专练】　下表是某品牌电动自行车的主要技术参数.
整车质量
40 kg
蓄电池工作电压
36 V
最高车速
25 km/h
一次充电电耗
0.6 kW·h
电动机效率
75%
充电时间
8 h
最大骑行噪声
62 dB
一次充电连续行驶里程
50 km
质量m＝60 kg的人骑该电动自行车在水平路面上以6 m/s的速度匀速行驶，受到的阻力是人与车总重的0.02倍．取g＝10 m/s2.
(1)若以这一速度连续行驶10 min，电动机至少做多少功？
(2)行驶过程中通过电动机的电流多大？
【答案】(1)7.2×104 J　(2)4.4 A
【解析】(1)电动自行车所受的阻力
f＝0.02(m＋m车)g＝20 N，
10 min内自行车行驶的路程
x＝vt＝6×10×60 m＝3 600 m，
课堂小练 | 素养达成
1．(多选)关于电功和焦耳热，下列说法正确的是 (　　)
A．在纯电阻电路中，计算电功可用公式W＝I2Rt
B．在非纯电阻电路中，计算电功可用公式W＝I2Rt
C．在非纯电阻电路中，计算焦耳热可用Q＝I2Rt
D．在纯电阻电路中，计算焦耳热可用Q＝UIt
【答案】ACD
【解析】电功的计算式W＝UIt适用于任何形式的电路，焦耳热计算式Q＝I2Rt也是普遍适用的，但是只有在纯电阻电路中，电功W才等于焦耳热Q，故A、C、D正确，B错误．
【答案】C
【解析】电动机的电功率P＝UI，热功率P热＝I2R，所以机械功率P机＝P－P热＝UI－I2R，故C正确．
3．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R1∶R2∶R3是 (　　)
A．1∶1∶1　
B．4∶1∶1
C．1∶4∶4　
D．1∶2∶2


【答案】C
4．(多选)不考虑温度对电阻的影响，对一个“220 V　40 W”的灯泡，下列说法正确的是 (　　)
A．接在110 V的电路中的功率为20 W
B．接在110 V的电路中的功率为10 W
C．接在440 V的电路中的功率为160 W
D．接在220 V的电路中的功率为40 W
【答案】BD