2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 直流電路 第8講 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化學(xué)案 教科版選修3-1.doc
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第8講 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化 [目標(biāo)定位] 1.知道并理解電功、電功率的概念，并能利用公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.2.弄清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系.3.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點(diǎn)和區(qū)別.4.明確閉合電路中的功率及能量轉(zhuǎn)化． 一、電功和電功率 1．電功 (1)定義：電場(chǎng)力移動(dòng)電荷所做的功． (2)定義式：W＝UIt. (3)單位：國(guó)際單位制：焦耳，符號(hào)：J． (4)實(shí)質(zhì)：電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能． (5)適用條件：任何電路． 2．電功率 電流所做的功與做這些功所用時(shí)間的比值． (1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功． (2)公式：P＝＝IU． (3)單位：國(guó)際單位制：瓦特，符號(hào)：W． (4)物理意義：表示電流做功的快慢． (5)適用條件：任何電路． 深度思考 (1)兩個(gè)電阻串聯(lián)，功率和電阻存在什么關(guān)系？ (2)兩個(gè)電阻并聯(lián)，功率和電阻存在什么關(guān)系？ 答案 (1)由P＝I2R知，串聯(lián)電阻的功率與電阻成正比． (2)由P＝知，并聯(lián)電阻的功率與電阻成反比． 例1 將兩個(gè)定值電阻R1、R2并聯(lián)在電壓為U的電源兩端，R1消耗的功率為P1，R2消耗的功率為3P1，當(dāng)把它們串聯(lián)在電壓為4U的電源兩端時(shí)，下列說法正確的是( ) A．R1兩端的電壓為U B．R2消耗的功率變小 C．通過R2的電流變小 D．兩個(gè)電阻消耗的總功率為12P1 解析 當(dāng)R1、R2并聯(lián)在電壓為U的電源兩端時(shí)，兩電阻兩端的電壓為U，根據(jù)P＝IU，功率之比等于電流之比，根據(jù)并聯(lián)電路電流和電阻的關(guān)系，可知：R1＝3R2；當(dāng)把它們串聯(lián)在電壓為4U的電源兩端時(shí)，電路中的電流I＝＝，故通過R2的電流不變，電壓不變，所以R2的電功率不變，仍為3P1，故B、C錯(cuò)誤；R1兩端的電壓U1＝IR1＝3R2＝3U，故A錯(cuò)誤；兩個(gè)電阻消耗的總功率P＝U′I＝4U＝12P1，故D正確． 答案 D 二、焦耳定律 熱功率 1．焦耳定律：(1)內(nèi)容：電流通過電阻產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟電阻值成正比，跟通電時(shí)間成正比． (2)表達(dá)式：Q＝I2Rt． (3)焦耳熱：電流通過電阻而產(chǎn)生的熱量． (4)適用條件：任何電路． 2．熱功率 (1)定義：電阻通電所產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生這些熱量所用時(shí)間的比值，即單位時(shí)間內(nèi)電阻通電所產(chǎn)生的熱量． (2)表達(dá)式：P熱＝＝I2R． (3)適用條件：任何電路． 深度思考 電風(fēng)扇、電冰箱消耗的電能等于I2Rt嗎？電風(fēng)扇、電冰箱消耗的電能轉(zhuǎn)化成什么形式的能量？ 答案 不等于；電風(fēng)扇、電冰箱消耗電能沒有全部轉(zhuǎn)化為熱能，有大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，小部分轉(zhuǎn)化為電熱． 例2 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，額定電壓為100 V，電阻為1 Ω.正常工作時(shí)，通過的電流為5 A，則電動(dòng)機(jī)因發(fā)熱損失的功率為( ) A．500 W B．25 W C．1 000 W D．475 W 解析 電動(dòng)機(jī)的熱功率P熱＝I2r＝521 W＝25 W，B正確，A、C、D錯(cuò)誤． 答案 B 三、電路中的能量轉(zhuǎn)化 1．電源是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，電源轉(zhuǎn)化為電能的功率IE，等于電源輸出功率IU與電源內(nèi)電路的熱功率I2r之和，即：IE＝IU＋I(xiàn)2r． 2．純電阻電路和非純電阻電路 純電阻電路 非純電阻電路 能量轉(zhuǎn)化情況 電功和電熱的關(guān)系 W＝Q即IUt＝I2Rt＝t W＝Q＋E其他 UIt＝I2Rt＋E其他 電功率和熱功率的關(guān)系 P＝P熱，即IU＝I2R＝ P＝P熱＋P其他 即IUt＝I2R＋P其他 歐姆定律是否成立 U＝IR I＝成立 U＞IR I＜不成立 例3 如圖1所示的電路中，電源電壓為60 V，內(nèi)阻不計(jì)，電阻R＝2 Ω，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻R0＝1.6 Ω，電壓表的示數(shù)為50 V，電動(dòng)機(jī)正常工作，求電動(dòng)機(jī)的輸出功率． 圖1 解析 電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓U0＝50 V，此時(shí)通過電路中的電流：I＝＝＝5 A，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出＝U0I－I2R0＝210 W. 答案 210 W 電動(dòng)機(jī)的功率 電動(dòng)機(jī)的總功率(輸入功率)：P入＝UI 電動(dòng)機(jī)的熱功率P熱＝I2r. 電動(dòng)機(jī)的輸出功率(機(jī)械功率)：P出＝UI－I2r 電動(dòng)機(jī)的效率：η＝＝＝1－. 說明：注意區(qū)分電動(dòng)機(jī)的幾種功率，從能量守恒角度去分析和考慮電動(dòng)機(jī)問題． 例4 如圖2所示的電路中，電源電動(dòng)勢(shì)E＝10 V，內(nèi)阻r＝0.5 Ω，電動(dòng)機(jī)的電阻R0＝1.0 Ω，定值電阻R1＝1.5 Ω.電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電壓表的示數(shù)U1＝3.0 V，求： 圖2 (1)電源釋放的電功率； (2)電動(dòng)機(jī)消耗的電功率及將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率； (3)電源的輸出功率． 解析 (1)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，總電流為I＝＝ A＝2 A，電源釋放的電功率為P釋＝EI＝102 W＝20 W. (2)電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為U＝E－Ir－U1＝(10－20.5－3.0)V＝6 V. 電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為：P電＝UI＝62 W＝12 W. 電動(dòng)機(jī)消耗的熱功率為：P熱＝I2R0＝221.0 W＝4 W. 根據(jù)能量守恒得 P機(jī)＝P電－P熱＝(12－4)W＝8 W. (3)電源的輸出功率為 P出＝P釋－P內(nèi)＝P釋－I2r ＝(20－220.5)W＝18 W. 答案 (1)20 W (2)12 W 8 W (3)18 W 1．(電功和電功率)(多選)如圖3所示，把四個(gè)相同的燈泡接成甲、乙兩種電路后，燈泡都正常發(fā)光，且兩個(gè)電路的總功率相等．則下列對(duì)這兩個(gè)電路中的U甲、U乙、R甲、R乙之間的關(guān)系的說法，正確的是( ) 圖3 A．U甲＞2U乙 B．U甲＝2U乙 C．R甲＝4R乙 D．R甲＝2R乙 答案 BC 解析 設(shè)燈泡的電阻為R，正常發(fā)光時(shí)電流為I，電壓為U，由于兩個(gè)電路的總功率相等，P＝U甲I＝U乙2I，得U甲＝2U乙；又由U甲＝2U＋I(xiàn)R甲，U乙＝U＋2IR乙，得R甲＝4R乙，故正確答案為B、C. 2．(焦耳定律)通過電阻R的電流為I時(shí)，在t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q，若電阻為2R，電流為，則在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為( ) A．4Q B．2Q C. D. 答案 C 解析 根據(jù)Q＝I2Rt得，電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，電流變?yōu)樵瓉淼?，時(shí)間不變，則熱量變?yōu)樵瓉淼?，C正確． 3．(焦耳定律和熱功率)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，額定電壓為100 V，電阻為1 Ω.正常工作時(shí)，通過的電流為5 A，則電動(dòng)機(jī)因發(fā)熱損失的功率為( ) A．500 W B．25 W C．1 000 W D．475 W 答案 B 解析 電動(dòng)機(jī)的熱功率P熱＝I2r＝521 W＝25 W，B正確，A、C、D錯(cuò)誤． 4．(閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化)如圖4所示，電源電動(dòng)勢(shì)E＝30 V，內(nèi)阻r＝1 Ω，燈泡上標(biāo)有“6 V 12 W”字樣，直流電動(dòng)機(jī)線圈電阻R＝2 Ω，若燈泡恰好能正常發(fā)光，求電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率． 圖4 答案 36 W 解析 因燈泡正常發(fā)光，所以I＝＝ A＝2 A U內(nèi)＝Ir＝21 V＝2 V 所以電動(dòng)機(jī)兩端電壓為 UM＝E－U內(nèi)－U＝30 V－2 V－6 V＝22 V 電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為 P機(jī)＝UMI－I2R＝222 W－222 W＝36 W. 題組一 對(duì)電功、電功率的理解和計(jì)算 1．(多選)關(guān)于電功，下列說法中正確的有( ) A．電功的實(shí)質(zhì)是靜電力所做的功 B．電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的量度 C．靜電力做功使金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子運(yùn)動(dòng)的速率越來越大 D．電流通過電動(dòng)機(jī)時(shí)的電功率和熱功率相等 答案 AB 2．兩個(gè)精制電阻，用錳銅電阻絲繞制而成，電阻上分別標(biāo)有“100 Ω 10 W”和“20 Ω 40 W”，則它們的額定電流之比為( ) A.∶5 B.∶20 C.∶10 D．1∶2 000 答案 C 解析 由公式P＝I2R得：I＝ ，所以I1∶I2＝∶10. 3．電壓都是110 V，額定功率PA＝100 W，PB＝40 W的燈泡兩盞，若接在電壓為220 V的電路上，使兩盞燈泡均能正常發(fā)光，且消耗功率最小的電路是( ) 答案 C 解析 判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，對(duì)燈泡有P＝IU＝，可知RA＜RB. 對(duì)于A電路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110 V，B燈被燒毀，UA＜110 V，A燈不能正常發(fā)光． 對(duì)于B電路，由于RB＞RA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UB＞U并，B燈被燒毀． 對(duì)于C電路，B燈與變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光． 對(duì)于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光． 比較C、D兩個(gè)電路，由于C電路中變阻器功率為(IA－IB)110 V，而D電路中變阻器功率為(IA＋I(xiàn)B)110 V，所以C電路消耗電功率最?。? 4．兩盞額定功率相同的燈泡A和B，其額定電壓UA>UB，則下列說法正確的是( ) A．兩燈正常發(fā)光時(shí)，燈泡的電流IA>IB B．兩燈電阻RA下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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