焦耳定律电路中的能量转化

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1、四川省宜宾市一中高2015 级物理教研组2016 2017 学年上期第 9 周教学设计焦耳定律电路中的能量转化学习目标定位 1. 知道并理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.2.掌握焦耳定律，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，能用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题.4.明确闭合电路中的功率及能量转化环节一：学生自学测试一、电功和电功率1电功：(1)定义：电场力移动电荷所做的功，简称电功(2)公式： WUIt ，此式表明电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U 与电路中的电流 I 和通电时间 t

2、三者的乘积(3)国际单位制中的单位是：焦耳，符号是J.2电功率：(1)电流所做的功与做这些功所用时间的比值叫做电功率，它在数值上等于单位时间内电流所做的功W(2)公式： P t UI ，此式表明一段电路上的电功率P 等于这段电路两端的电压U 和电路中电流 I 的乘积(3)国际单位制中的单位是：瓦特，符号是W,1 W 1 J/s.二、焦耳定律热功率1焦耳定律：(1)内容：电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比(2)公式： Q I2Rt.(3)焦耳热：电流通过电阻而产生的热量称为焦耳热2热功率：(1)电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值，叫做热功率

3、Q2(2)公式： P 热 t I R.三、电路中的能量转化1在纯电阻元件中，电流使电阻发热，电能全部转化为内能，电功率等于热功率，即P 电 P 热2在电动机、电解槽等用电器中，电能要分别转化为机械能、化学能等，还有一部分转化为电阻的内能，这时P 电P 热P 其他3式子 IEIU I2r 的物理意义是：电源把其他形式的能量转化为电能的功率IE ，等于电源输出功率 IU 与电源内电路的热功率I 2r 之和 .环节二：学生讨论探究一、电功和电功率问题设计 在日常生活中，经常会用到家用小电器，例如电吹风、电熨斗等，它们都会分为几挡，像电吹风可以吹暖风和热风它们都是通过电流做功把电能转化为热能的1 电流

4、做功的实质是什么？答案因电流是自由电荷在电场力作用下定向移动形成的，电流做功实质上是导体中恒定电场对自由电荷的电场力做功2 设加在一段电路两端的电压为U ，通过电路的电流为I ，试推导t 时间内电流做功的表达式及电功率的表达式答案t 时间内通过电路的总电荷量q It ，电场力移动电荷做功W qU ，故 t 时间内电流做功 W UIt .又因为 P W，可得： P UI . t要点提炼 1电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少量2电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功3电功率 PWt IU ，表示电流做功的快慢二、焦耳定律和热功

5、率问题设计 1 某同学家中有一只电炉，电阻为50 ，试计算该电炉接到220 V 电源上在100 秒的时间内消耗的电能和产生的热量答案I URUU2W UIt U tRt 96 800 JRQ W 96 800 J.2 某同学家中有一电风扇，电阻为80 ，当加上220 V 的电压时电流为0.25 A ，试计算该风扇工作100 秒时间消耗的电能和产生的热量答案W UIt 5 500 JQ I 2Rt500 J3 通过上面的计算比较消耗的电能和产生的热量之间的关系答案电炉消耗的电能和产生的热量相等电风扇消耗的电能和产生的热量不相等要点提炼 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

6、的内能W Q UIt I 2RtU22U2 R t ；P P 热 UI I R R .2非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路W UIt Q E 其他 QI2Rt； P UI P 热 P 其他 P 热 I 2R.三、闭合电路中的功率问题设计 根据闭合电路的欧姆定律，推导闭合电路中能量的转化关系，并解释各项的物理意义答案 根据 E U 内 U 外可得 EI U 内 I U 外 I，式中 EI 表示电源提供的电功率，U外I表示外电路上消耗的电功率；U 内 I 表示内电路上消耗的电功率要点提炼 1闭合电路中的能量转化关系： EI U 内 I U 外 I，对于纯电阻电路该式可写为EI

7、I2r I 2R.电动势反映了电源把其他形式的能转化为电能的能力UI 100% U 100%.2电源的效率 EIE环节三典型例题讲解一、电功、电功率、焦耳热、热功率例 1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2W I RtU2R t 只适用于纯电阻电路2C在非纯电阻电路中，UI I RD焦耳热Q I2Rt 适用于任何电路解析电功率公式WP t ，表示电功率越大， 电流做功越快 对于一段电路， 有PP IU ，I U，焦耳热 QPt，可见 Q 与 t 也有关，所以 P 越大， Q 不一定越大， A

8、 错UB 对W UIt 是电功的定义式，适用于任何电路，而I R只适用于纯电阻电路，在非纯电阻电路中，电流做的功焦耳热其他形式的能，所以WQ，即 UI I2R， C 对Q I 2Rt 是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D 对答案 BCD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，使两盏灯炮均能正常发光，且消耗功率最小的电路是()解析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2U灯泡有 P UI R ，可知 RA RB.对于 A 电路，由于RA RB，所

9、以 U B UA ， B 灯被烧毁或A 灯不能正常发光对于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UBU并， B灯被烧毁或A 灯不能正常发光对于 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 U B 110 V，两灯可以正常发光对于 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答案C三、非纯电阻电路的特点及计算例 3如图 1 所示的电路中

10、， 电源电动势E 10 V，内阻r 0.5，电动机的电阻R0 1.0，电阻 R1 1.5 电.动机正常工作时，电压表的示数U1 3.0 V ，求：图 1(1)电源释放的电功率；(2)电动机消耗的电功率和将电能转化为机械能的功率；(3)电源的输出功率和效率解析(1) 电动机正常工作时，总电流为IU13.0P释 EIR11.5A 2 A，电源释放的电功率为10 2 W 20 W.(2)电动机两端的电压为U E Ir U1 (10 2 0.5 3.0) V 6 V电动机消耗的电功率为：P 电UI62 W12 W电动机的热功率为：P 热 I2R0 22 1 W 4 W根据能量守恒定律，电动机将电能转化

11、为机械能的功率P 机P 电P 热12 W4 W8 W(3)电源的输出功率为P 出 P 释P 内 P 释 I2 r (20220.5) W 18 W ， P出 100% 18P释20 100% 90%.答案(1)20 W(2)12 W8 W(3)18 W90%针对训练一台电动机内阻为1 ，接到 120 V 的电源上 当电动机工作时， 电流为 10 A问：(1)电动机输入功率是多少？(2)电动机发热功率是多少？(3)输出的机械功率是多少？答案(1)1 200 W(2)100 W(3)1 100 W解析(1) 电动机的输入功率P 电 UI 120 10 W 1 200 W.(2)电动机的发热功率P

12、热 I2 r 102 1 W 100 W.(3)输出的机械功率P 机 P 电P 热 1 200 W 100 W 1 100 W.环节四：师生共同总结环节五：课后作业1 (功率 P UI ， P I2R，P U2P UI ， P I2R，P U2的区别 )关于三个公式的适用范围，RR以下说法正确的是()A 第一个公式普遍适用于求电功率，后两式普遍适用于求热功率B 在纯电阻电路中，三个公式既可适用于求电功率，又可适用于求热功率C在非纯电阻电路中，第一个公式可适用于求电功率，第二个公式可用于求热功率，第三个公式没有意义D由 U IR 可知，三个公式没有任何区别，它们表达相同的意义，所求P 既是电功率

13、，也是热功率答案BC解析首先要明确，欧姆定律U IR 只适用于纯电阻电路，因此三个公式在纯电阻电路中没有区别，但在非纯电阻电路中它们互不相同其次，P UI 表示电功率，而P I2R 表示热功率因此，在纯电阻电路中，UI I 2R，消耗的电能全部转化为内能；而在非纯电阻电路中，UI I2R，即消耗的电能只有部分转化为内能2. (非纯电阻电路 )如图 2 所示，直流电动机线圈的电阻为R，电源内阻为 r.当该电动机正常工作时，路端电压为 U，通过电动机的电流为I，则 ()图 2A 电动机内部的发热功率为I 2RB 电动机的机械功率为IUC电源的电动势为I(R r)D电源的输出功率为IU I2R答案A

14、解析电动机正常工作时，属于非纯电阻电路，欧姆定律已不适用，则C 错误；由焦耳定律可知电动机的发热功率为I2 R，A 正确； 由电路的特点可知，电动机的输入功率等于电源的输出功率，即P UI ，由能量守恒定律可得，电动机的机械功率为P UI I2R， B 、D 错误3(非纯电阻电路)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消耗的功率答案ABD解析电炉属于纯电阻元件， 电动机属于非纯电阻元件，对于电炉有： U IR，放热 Q I2Rt，消耗功

15、率 PI 2R.对于电动机有：UIR，放热 QI 2Rt，消耗功率 P UI I 2R.4(纯电阻电路功率的计算 )有规格为“ 220 V1000 W”的电炉， 问它在正常工作时的电阻；如果电压只有200 V ，求它实际消耗的功率答案48.4 826.4 W222解析由于电炉是纯电阻电路，故P UU220R ，则 R P 1000 48.4 当电压为200 V 时，则实际消耗的功率U22200P R 48.4 W 826.4 W环节六：自我检测题组一电功率的理解及有关计算1下列关于电功率的说法中，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

16、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，则电流做功越少答案C解析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，与实际电流和实际电压无关，故A 错， C 对；用电器实际功率的大小是由加在它两端的电压和通过它的电流决定的，B 错；电流做功的多少不仅与功率的大小有关，还与通电时间有关，D错2一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 WB小于 36 W，大于 9 WC等于 9 WD小于 9 W答案B2解析白炽灯在正常工作时的电阻为R，由 P UR 变形得 R 3

17、6 ，当接入 18 V 电压时，假设灯泡的电阻也为36 ，则它消耗的功率为PU2182R36 W 9 W ，但是当灯泡两端接入18 V 电压时，它的发热功率小，灯丝的温度较正常工作时的温度低，其电阻率小，所以其电阻要小于36 ，其实际功率要大于9 W ，故选项 B 正确3.如图 1 所示的电路中， L 1、 L2 是两个不同的小灯泡，a、 b 间有恒定的电压，它们都正常发光，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，发生的现象是()图 1AL1亮度不变， L2变暗BL1变暗， L2变亮C电路消耗的总功率变小D流过滑动变阻器的电流变小答案解析BCD滑动变阻器的滑片向右滑动时阻值增大，并联部分的电阻变大，分得

18、电压变大，所以L 2 两端电压增大，变亮 L 1 分得电压变小，L1 变暗， A错， B 对因为滑动变阻器电阻变大，总电阻变大，由U 2P R 可知，U一定， P 减小，即电路总功率减小，C 对又因为总电阻增大，总电流减小，而L2 电压变大，电流变大，所以流过变阻器的电流减小，D 正确4三只电阻R1、 R2 和R3 按如图2 所示电路连接，在电路的A、 B 端加上恒定电压后，电阻R1 消耗的功率最大，则三只电阻的阻值大小关系为()图 2A R1R2R3B R2R1R3CR3R2R1 D R1R3R2答案B解析电阻 R1、R2 并联， 电阻两端的电压相等，因为电阻 R1 消耗的功率最大， 由功率

19、公式 P2 U，可判断 R21，由串、并联电路的特点可知，通过电阻 R1 的电流小于通过电阻R3 的电RR流，根据功率公式PI 2R，可判断R1R3，故选 B.题组二焦耳定律的理解及应用I5通过电阻 R 的电流为 I 时，在 t 时间内产生的热量为 Q，若电阻为 2R，电流强度为2，则在时间 t 内产生的热量为 ()QQA4QB2QC. 4D. 2答案D2I解析根据 QIRt 得，当电阻为2R，电流强度为2时，在时间 t 内产生的热量 QI 21 2Q(2)2R t 2I Rt 2， D正确6把两根电阻相同的电热丝先串联后并联分别接在同一电源上，若要产生相等的热量，则两种方法所需的时间之比t

20、串 t 并为 ()A11 B21 C41 D14答案CR2解析设每根电热丝电阻为R，则 R串 2R，R并U串 t并41.2.由 QW R t 得 t题组三非纯电阻电路的特点7额定电压、 额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯， 各自在额定电压下正常工作了相同的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一样多答案B解析在三种用电器中，只有电烙铁是纯电阻用电器将电能全部转化为内能，故B 选项正确8.如图3 所示，有一内电阻为4.4的电解槽和一盏标有“110 V60 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()图 3A 电解槽消耗的电功率

21、为120 WB 电解槽的发热功率为60 WC电解槽消耗的电功率为60 WD电路消耗的总功率为60 W答案C解析灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V 电压，且干路电流II 灯 6A ，11则电解槽消耗的电功率P P 灯 60 W，A 错， C 对；电解槽的发热功率P 热I2R 内 1.3 W，6B 错；整个电路消耗的总功率 P 总 220 11 W 120 W ， D 错9.如图 4 所示的电路中，输入电压U 恒为 12 V ，灯泡 L 上标有“线圈的电阻RM 0.50 若.灯泡恰能正常发光，以下说法中正确的是6 V (12 W ”字样，电动机)图 4A 电动机的输入功率为24 WB

22、 电动机的输出功率为12 WC电动机的热功率为2.0 WD整个电路消耗的电功率为22 W答案解析C电路中含电动机为非纯电阻电路，欧姆定律对电动机不再适用灯泡L 正常发光，则PIL U 2 A ，所以电路中的电流I 2 A，故整个电路消耗的总功率P 总UI 24 W，D选项错误电动机的输入功率P 入P 总P灯 12 W，A选项错误电动机的热功率P 热I2RM 2.0 W ， C 选项正确电动机的输出功率为P 出P 入P 热10 W，B选项错误10.如图 5 所示，一台电动机提着质量为 m 的物体， 以速度 v 匀速上升 已知电动机线圈的电阻为 R，电源电动势为 E，通过电源的电流为 I，当地重力

23、加速度为 g，忽略一切阻力及导线电阻，则 ()图 5EA 电源内阻r I REmgvB 电源内阻r I I2 RC如果电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源消耗的功率将变大D如果电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源消耗的功率将变小答案BC解析本题主要考查欧姆定律适用范围、电功和电热的区别，要求学生熟练掌握欧姆定律，电功率及焦耳定律的应用由于电动机是非纯电阻元件，欧姆定律不再适用，电动机的输入功率 P1 UI ，热功率 P2 I 23 mgv， P1P2 P3，可解得： U IRmgv，又R，输出功率 PI由闭合电路欧姆定律得：EU Ir ，解得： rEmgvI2 R；当电动机转轴被卡

24、住时，电动机I变成纯电阻元件，总电流I 总 E ，电流增大，故电源消耗的功率增大，所以选项B、C 正R r确11.如图 6 所示，电源电动势E 30 V ，内阻 r 1，灯泡上标有“ 6 V 12 W ”字样，直流电动机线圈电阻 R 2 ，若灯泡恰好能正常发光，求电动机输出的机械功率图 6答案36 WP12解析因灯泡正常发光，所以I U6 A2AU 内 Ir 21 V 2 V所以电动机两端电压为UME U 内U 30 V2 V6 V22 V电动机输出的机械功率为P 机UMII2R222 W222 W36 W.12.如图 7 所示的电路中，电炉电阻R 10 ，电动机线圈的电阻r 1 ，电路两端电

25、压U100 V ，电流表的示数为 30 A ，问通过电动机的电流强度为多少？通电一分钟，电动机做的有用功为多少？图7答案20 A9.6 104 J解析题图中的两个支路分别为纯电阻电路(电炉 )和非纯电阻电路(电动机)在纯电阻电路中U可运用欧姆定律I R直接求出电流强度，而非纯电阻电路中的电流强度只能运用干路和支路中电流强度的关系求出在非纯电阻电路中，电功大于电热，两者的差值才是有用功根据欧姆定律，通过电炉的电流强度为I1 U100A10 A.R10根据并联电路中的干路电流和支路电流的关系，则通过电动机的电流强度为I2 I I1 20 A.电动机的总功率为PUI 2 10020 W 2 103

26、W.因发热而损耗的功率为P I22r 400 W.电动机的有用功率(机械功率 ) 为 P P P 1.6103 W ，电动机通电1 min 做的有用功为W P t1.6 103 60 J 9.6 104 J.13一台电风扇，内阻为20 ，接上 220 V 电压后，消耗功率66 W 问：(1)电风扇正常工作时通过电动机的电流是多少？(2)电风扇正常工作时转化为机械能的功率是多少？转化为内能的功率是多少？电动机的效率是多少？(3)如果接上电源后，电风扇的风叶被卡住，不能转动，这时通过电动机的电流以及电动机消耗的电功率和发热功率是多少？答案(1)0.3 A (2)64.2 W 1.8 W 97.3

27、%(3)11 A2420W2420W解析(1) 因为 P 入 IUP入66所以 IU220A0.3 A(2)电风扇正常工作时转化为内能的功率P 内 I2R 0.3220 W 1.8 W电风扇正常工作时转化为机械能的功率P 机P 入P 内66 W1.8 W64.2 W电风扇正常工作时的效率64.2 100% 97.3%(3)电风扇的风叶被卡住后，电动机不转时可视为纯电阻电路，通过电风扇的电流U220I R20 A11A电动机消耗的电功率PIU 11 220 W 2 420 W电动机发热功率P 内 I2R 112 20 W 2 420 W14如图 8 所示为国庆群众游行队伍中的国徽彩车，不仅气势磅

28、礴而且还是一辆电动车，充一次电可以走 100 公里左右假设这辆电动彩车总质量为6.75103 kg，当它匀速通过天安门前 500 m 的检阅区域时用时250 s，驱动电机的输入电流I 10 A，电压为 300 V ，电动彩车行驶时所受阻力为车重的0.02 倍 g 取 10 m/s2，不计摩擦，只考虑驱动电机的内阻发热损耗能量，求：图 8(1)驱动电机的输入功率；(2)电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率；(3)驱动电机的内阻和机械效率答案(1)3 000 W(2)2 700 W(3)3 90%解析(1) 驱动电机的输入功率P 入UI30010 W3 000 W.(2)电动彩车通过天安门前的速度x 2 m/sv t电动彩车行驶时所受阻力为F f 0.02mg 0.02 6.75 103 10 N 1.35 103 N电动彩车匀速行驶时F F f，故电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率P 机 Fv 2 700 W.(3)设驱动电机的内阻为R，由能量守恒定律得P 入 t P 机 t I2Rt解得驱动电机的内阻R3 P机驱动电机的机械效率 100% 90%.P入