2019-2020學年高中物理 第2章 5 焦耳定律學案 新人教版選修3-1

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1、5　焦耳定律 [學習目標]　1.理解電功和電功率的概念，知道電流做功的實質。(重點)2.理解電功和電熱的區(qū)別，會區(qū)分純電阻電路和非純電阻電路。(難點)3.理解電功率和熱功率。(重點)4.會從能量守恒角度理解焦耳定律。(難點) 一、電功和電功率 1．電功 (1)定義：電流在一段電路中所做的功等于這段電路兩端的電壓、電路中的電流、通電時間三者的乘積。 (2)公式：W＝IUt。 (3)單位：國際單位是焦耳，符號是J。 (4)意義：描述電能轉化為其他形式能的多少。 2．電功率 (1)定義：單位時間內電流所做的功。 (2)公式：P＝IU。 (3)單位：瓦特，符號是W。 (

2、4)意義：描述電能轉化為其他能的快慢或者是電流做功的快慢。 二、焦耳定律 1．內容：電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻及通電時間成正比。 2．表達式：Q＝I2Rt。 3．熱功率 熱功率定義：單位時間內的發(fā)熱量意義：表示電流發(fā)熱快慢的物理量公式：P熱＝＝I2R，單位：瓦特(W) 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”) (1)電功與電能的單位相同，電功就是電能。 (×) (2)電功率越大，電功越大。 (×) (3)根據I＝可導出P＝，該公式用于任何用電器。 (×) (4)電流通過電解槽時，電功大于電熱。 (√) 2．(多選)關于電功和焦耳熱

3、，下列說法正確的是(　　) A．在純電阻電路中，計算電功可用公式W＝I2Rt B．在非純電阻電路中，計算電功可用公式W＝I2Rt C．在非純電阻電路中，計算焦耳熱可用Q＝I2Rt D．在純電阻電路中，計算焦耳熱可用Q＝UIt ACD　[電功的計算式W＝UIt適用于任何形式的電路，焦耳熱計算式Q＝I2Rt也是普遍適用的，但是只有在純電阻電路中，電功W才等于焦耳熱Q，A、C、D正確，B錯誤。] 3．把六個相同的小燈泡接成如圖甲、乙所示的電路，調節(jié)變阻器使燈泡正常發(fā)光，甲、乙兩電路所消耗的總功率分別用P甲和P乙表示，則下列結論中正確的是(　　) 甲　　　　　　　　　乙 A．P甲＝

4、P乙　　　　 B．P甲＝3P乙 C．P乙＝3P甲 D．P乙>3P甲 B　[設每個燈泡正常工作時的電流為I，則甲圖中電路的總電流為3I，P甲＝12 V×3I，乙圖中電路的總電流為I，P乙＝12 V×I，故有P甲＝3P乙，B正確。] 串、并聯(lián)電路中電功率的計算 1.串聯(lián)電路功率關系 (1)各部分電路電流I相同，根據P＝I2R，各電阻上的電功率與電阻成正比。 (2)總功率P總＝UI＝(U1＋U2＋…＋Un)I＝P1＋P2＋…＋Pn。 2．并聯(lián)電路功率關系 (1)各支路電壓相同，根據P＝，各支路電阻上的電功率與電阻成反比。 (2)總功率R總＝UI＝U(I1＋I2＋…＋In)

5、＝P1＋P2＋…＋Pn。 3．結論 無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，電路消耗的總功率均等于各負載消耗的功率之和。 【例1】　有額定電壓都是110 V，額定功率PA＝100 W，PB＝40 W 的電燈兩盞，若接在電壓是220 V的電路上，兩盞電燈均能正常發(fā)光，那么電路中消耗功率最小的電路是(　　) A　　　　　　　　　　　　B C　　　　　　　　　　　　D 思路點撥：(1)電路的總功率等于各用電器消耗的功率之和。 (2)串聯(lián)電路中，功率與電阻成正比；并聯(lián)電路中，功率與電阻成反比。 C　[若要兩燈均正常發(fā)光，亦即每燈的電壓均為110 V，對A電路，因為RA＜RB，所以UA＜UB

6、，即UB＞110 V，B燈將被燒壞；對B電路，UB＞U并，B燈將被燒壞；對C電路，RA可能等于B燈與變阻器并聯(lián)后的電阻，所以UA可能等于UB，等于110 V，兩燈可能正常發(fā)光，且電路消耗總功率為200 W；對D電路，變阻器電阻可能等于兩燈并聯(lián)后總電阻，可能有UA＝UB＝U并＝110 V，兩燈可能正常發(fā)光，且電路中消耗總功率為280 W。綜上可知，C正確。] 功率求解的技巧 (1)在純電阻電路中，比較用電器的電功率時，要根據已知條件靈活選用公式，如用電器電流相同時，用P＝I2R比較，若電壓相同時用P＝比較，若電阻相同時，可根據I或U的關系比較。 (2)求解串、并聯(lián)電路中的功率分配問題，

7、比例法求解會使問題簡化，但一定要明確是正比還是反比關系。 (3)當求解用電器的功率時，要明確求解的是什么功率。實際功率與額定功率不一定相等。 1．(多選)如圖所示，L1、L2是兩個不同的小燈泡，a、b間有恒定電壓，當滑動變阻器的滑動觸頭向右滑動時，發(fā)生的現象是(　　) A．L1亮度不變，L2變暗 B．L1變暗，L2變亮 C．電路消耗的總功率減小 D．經過滑動變阻器的電流減小 BCD　[當滑動變阻器的觸頭向右滑動時，滑動變阻器接入電路的電阻變大，R總變大，I總減小，由P1＝IR1知L1實際功率變小，即亮度變暗；U并＝U－I總R1變大，由P2＝知L2的實際功率變大，L2變亮，

8、P總＝UI總變小，I變＝I總－I2 ，由于I2變大，所以I變變小。] 純電阻電路和非純電阻電路 1.純電阻電路和非純電阻電路的比較 純電阻電路 非純電阻電路 元件特點 電路中只有電阻元件 除電阻外還包括能把電能轉化為其他形式能的用電器 歐姆定律 服從歐姆定律 不服從歐姆定律 能量轉化 電流做功全部轉化為電熱 電流做功除轉化為內能外還要轉化為其他形式的能 元件舉例 電阻、電爐、白熾燈等 電動機、電解槽等 2.電功與電熱的區(qū)別與聯(lián)系 (1)純電阻電路 W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t； P電＝P熱＝UI＝I2R＝。 (2)非純電阻電路 電功W＝UIt

9、，電熱 Q＝I2Rt，W＞Q； 電功率P電＝UI，熱功率P熱＝I2R，P電＞P熱。 3．電動機的功率和效率 (1)電動機的總功率(輸入功率)：P總＝UI。 (2)電動機發(fā)熱的功率：P熱＝I2r。 (3)電動機的輸出功率(機械功率)： P機＝P總－P熱＝UI－I2r。 (4)電動機的效率：η＝×100%。 【例2】　在研究微型電動機的性能時，可采用如圖所示的實驗電路。當調節(jié)滑動變阻器R使電動機停止轉動時，電流表和電壓表的示數分別為0.5 A和 1.0 V；重新調節(jié)R使電動機恢復正常運轉時，電流表和電壓表的示數分別為2.0 A和15.0 V。求這臺電動機正常運轉時的輸出功率和電動機

10、的線圈電阻。 思路點撥：(1)電動機停止轉動，電路為純電阻電路。 (2)電動機正常運轉，電路為非純電阻電路。 [解析]　當電流表和電壓表的示數為0.5 A和1.0 V時，電動機停止工作，電動機中只有電動機的內阻消耗電能，其阻值r＝＝ Ω＝2 Ω 當電動機正常工作時，電流表、電壓表示數分別為2.0 A 和15.0 V， 則電動機的總功率P總＝U2I2＝15.0×2.0 W＝30.0 W 線圈電阻的熱功率P熱＝Ir＝2.02×2 W＝8.0 W 所以電動機的輸出功率 P輸出＝P總－P熱＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W。 [答案]　22.0 W　2 Ω 上例中，若電動

11、機以v＝1 m/s勻速豎直向上提升重物，該重物的質量為多少？(g＝10 m/s2) 提示：P出＝mgv，則m＝＝2.2 kg。 電動機電路的分析與計算 2．規(guī)格為“220 V　36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 Ω， (1)接上220 V的電壓后，求排氣扇轉化為機械能的功率和發(fā)熱的功率； (2)如果接上220 V的電壓后，扇葉被卡住，不能轉動，求電動機消耗的功率和發(fā)熱的功率。 [解析]　(1)排氣扇在220 V的電壓下正常工作時的電流為 I＝＝ A≈0.16 A， 發(fā)熱功率為P熱＝I2R＝(0.16)2×40 W≈1 W。 轉化為機械能的功率為 P機＝P電－

12、P熱＝36 W－1 W＝35 W。 (2)扇葉被卡住不能轉動后， 電動機成為純電阻電路，電流做功全部轉化為熱能，此時電動機中電流為 I′＝＝ A＝5.5 A， 電動機消耗的功率即發(fā)熱功率為 P電′＝P熱′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W。 [答案]　(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W 課 堂 小 結 知 識 脈 絡 1.對電功、電功率、電熱及熱功率的理解與計算。 2.串、并聯(lián)電路的功率分析與計算。 3.對純電阻電路與非純電阻電路的比較。 1．下列關于電功、電功率和焦耳定律的說法中錯誤的是(　　) A．電功率越大，電流做功越快

13、，電路中產生的焦耳熱一定越多 B．W＝UIt適用于任何電路，而W＝I2Rt＝t只適用于純電阻電路 C．在非純電阻電路中，UI>I2R D．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路 A　[電功率公式為P＝，功率越大，表示電流做功越快。對于一段電路，有P＝IU，I＝，焦耳熱Q＝Rt，可見Q與P、U、t都有關。所以，P越大，Q不一定越大，A錯誤。W＝UIt是電功的定義式，適用于任何電路，而I＝只適用于純電阻電路，B正確。在非純電阻電路中，電流做的功＝焦耳熱＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C正確。Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路中產生的焦耳熱，D正確。] 2．一電動機線圈電阻

14、為R，在它兩端加上電壓U，電動機正常工作，測得通過它的電流為I，電動機的機械功率是(　　) A．I2R　　　　 B. C．UI－I2R D．UI C　[電動機的電功率P＝UI，熱功率P熱＝I2R，所以機械功率P機＝P－P熱＝UI－I2R，選項C正確。] 3．如圖所示，電路兩端的電壓U保持不變，電阻R1、R2、R3消耗的電功率一樣大，則R1∶R2∶R3是(　　) A．1∶1∶1 B．4∶1∶1 C．1∶4∶4 D．1∶2∶2 C　[對R2、R3，由P＝，U2＝U3知，R2∶R3＝1∶1，對R1、R2，由P＝I2R，I1＝2I2知，R1∶R2＝I∶I＝1∶4，C正確。] - 7 -