2018-2019學(xué)年高中物理 第4章 探究閉合電路歐姆定律 4.4 電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒學(xué)案 滬科版選修3-1.doc

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4.4　電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.理解電功與電熱的區(qū)別與聯(lián)系，掌握焦耳定律．(重點(diǎn)) 2．理解電功與電功率，掌握電源的總功率，輸出功率及電源的效率．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 3．知道常見(jiàn)用電器及其能量轉(zhuǎn)化的情況，了解電路中能的轉(zhuǎn)化與守恒，樹(shù)立節(jié)約用電的意識(shí). [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] [知識(shí)梳理] 一、電功與電熱關(guān)系的分析 1．電功的公式：W＝UIt. 2．電功率計(jì)算公式：P＝UI. 3．焦耳定律：Q＝I2Rt. 4．熱功率計(jì)算公式：P＝I2R. 5．P＝UI是某段電路的電功率，P＝I2R是這段電路上的熱功率，純電阻電路中，電功率等于熱功率，非純電阻電路中電功率大于熱功率． 二、閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒 1．電源的總功率：P總＝EI. 2．電源的輸出功率：P出＝UI. 3．電源的效率：η＝100%＝100%. 4．在閉合電路中，電源的總功率等于輸出功率與內(nèi)部發(fā)熱功率之和． [基礎(chǔ)自測(cè)] 1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“”．) (1)電功率越大，相同時(shí)間內(nèi)電流做的功越多．(√) (2)根據(jù)電功的公式和歐姆定律可以推導(dǎo)出電熱的公式，因此電功和電熱是完全相同的．() (3)純電阻電路和非純電阻電路工作時(shí)能量轉(zhuǎn)化情況相同，都是把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．() (4)電源產(chǎn)生的電能只消耗在外電路上．() (5)電源的總功率等于內(nèi)、外電路消耗的功率之和．(√) (6)電源的輸出功率越大，電源的效率越高．() 【提示】　 (2)　電功和電熱并不完全相同，在某些電路中，電功不一定能完全轉(zhuǎn)化為電熱． (3)　純電阻電路可以把電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，非純電阻電路則不能． (4)　內(nèi)電路也消耗電源的能量． (6)　輸出功率大時(shí)效率不一定高． 2．在電功率的計(jì)算公式P＝中，U是加在用電器上的電壓，R是用電器的電阻，此式可用于(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682212】 A．計(jì)算電冰箱的功率　　 B．計(jì)算電風(fēng)扇的功率 C．計(jì)算電烙鐵的功率 D．計(jì)算洗衣機(jī)的功率 C　[P＝只能計(jì)算純電阻電路的電功率，而電冰箱、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)都是非純電阻電路．只有電烙鐵是純電阻電路，故C正確．] 3.在圖441所示的電路中，電源電動(dòng)勢(shì)為12 V，電源內(nèi)阻為1.0 Ω，電路中的電阻R0為1.5 Ω，小型直流電動(dòng)機(jī)M的內(nèi)阻為0.5 Ω.閉合開(kāi)關(guān)S后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電流表的示數(shù)為2.0 A．以下判斷中正確的是(　　) 圖441 A．電動(dòng)機(jī)的輸出功率為14 W B．電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為7.0 V C．電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱功率為4.0 W D．電源輸出的電功率為24 W B　[電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為U＝E－I(R0＋r)＝7 V，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱功率為P熱＝I2rM＝2 W，電動(dòng)機(jī)的輸出功率為P1＝UI－I2rM＝12 W，電源輸出的電功率為P2＝EI－I2r＝20 W，故B正確．] 4. (多選)如圖442所示的電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r恒定不變，電燈L恰能正常發(fā)光，如果變阻器的滑片向b端滑動(dòng)，則(　　) 圖442 A．電燈L更亮，電流表的示數(shù)減小 B．定值電阻R2消耗的功率減小 C．電燈L變暗，電源的總功率減小 D．電燈L變暗，電流表的示數(shù)增大 AB　[滑片向b端滑動(dòng)，R1變大，電路中總電阻變大，根據(jù)I＝知I減小，電流表示數(shù)減小，根據(jù)E＝U外＋I(xiàn)r知，U外變大，燈泡兩端電壓變大，故電燈L更亮．再根據(jù)P2＝IR2，I減小，IL變大，故I2變小，R2功率變小，故C、D錯(cuò)誤，A、B正確．] [合 作 探 究攻 重 難] 電功與電熱的理解 1．純電阻電路與非純電阻電路的比較 純電阻電路 非純電阻電路 元件特點(diǎn) 電路中只有電阻元件 除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的元件 歐姆定律 服從歐姆定律，I＝ 不服從歐姆定律，U>IR或I< 能量轉(zhuǎn)化 電流做功，電能全部轉(zhuǎn)化為電熱 電流做功，電能除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外還要轉(zhuǎn)化為其他形式的能 元件舉例 電阻、電爐絲、白熾燈等 電動(dòng)機(jī)、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，電熱Q＝I2Rt，W>Q；電功率P電＝UI，熱功率P熱＝I2R，P電>P熱． 　如圖443所示，A為電解槽，M為電動(dòng)機(jī)，N為電爐子，恒定電壓U＝12 V，電解槽內(nèi)阻rA＝2 Ω，當(dāng)S1閉合、S2、S3斷開(kāi)時(shí)，電流表A示數(shù)為6 A；當(dāng)S2閉合、S1、S3斷開(kāi)時(shí)，A示數(shù)為5 A，且電動(dòng)機(jī)輸出功率為35 W；當(dāng)S3閉合、S1、S2斷開(kāi)時(shí)，A示數(shù)為4 A．求： 圖443 (1)電爐子的電阻及發(fā)熱功率各多大？ (2)電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻是多少？ (3)在電解槽工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為多少？ 思路點(diǎn)撥：①電爐子為純電阻元件，其電阻可用歐姆定律計(jì)算，熱功率和電功率相等． ②電動(dòng)機(jī)和電解槽為非純電阻元件． 【解析】　(1)電爐子為純電阻元件，由歐姆定律得： R＝＝ Ω＝2 Ω 其發(fā)熱功率為： P＝UI1＝126 W＝72 W. (2)電動(dòng)機(jī)為非純電阻元件，由能量守恒定律得： UI2＝IrM＋P輸出 所以：rM＝＝ Ω＝1 Ω. (3)電解槽為非純電阻元件，由能量守恒定律得： P化＝UI3－IrA 所以P化＝(124－422) W＝16 W. 【答案】　(1)2 Ω　72 W　(2)1 Ω　(3)16 W 電功、電熱的計(jì)算方法 (1)判斷電路中的用電器是純電阻用電器還是非純電阻用電器． (2)分析各用電器之間的連接方式，對(duì)純電阻電路，計(jì)算時(shí)可以利用串聯(lián)電路的分壓特點(diǎn)或并聯(lián)電路的分流特點(diǎn)． (3)由所求問(wèn)題選取合適的公式，在非純電阻電路中計(jì)算電功只能用W＝UIt，計(jì)算電熱只能用Q＝I2Rt.歐姆定律的變形式在純電阻電路中才能通用． (4)對(duì)于含電動(dòng)機(jī)的電路，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是非純電阻用電器，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是純電阻用電器． [針對(duì)訓(xùn)練] 1．(多選)一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的電阻為R，額定電壓為U，額定電流為I，當(dāng)其正常工作時(shí)，下述正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682213】 A．電動(dòng)機(jī)所消耗的電功率為I2R B．t s內(nèi)所產(chǎn)生的電熱為UIt C．t s內(nèi)所產(chǎn)生的電熱為I2Rt D．t s內(nèi)輸出的機(jī)械能為(U－IR)It CD　[電動(dòng)機(jī)所消耗的電功率為UI，A錯(cuò)誤；t s內(nèi)產(chǎn)生的電熱為I2Rt，B錯(cuò)誤，C正確；t s內(nèi)輸出的機(jī)械能為UIt－I2Rt，D正確．] 2．規(guī)格為“220 V　36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 Ω，求： (1)接上220 V的電壓后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率； (2)如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求電動(dòng)機(jī)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(shí)的電流為：I＝＝ A≈0.16 A. 發(fā)熱功率為P熱＝I2R＝(0.16)240 W≈1 W. 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為： P機(jī)＝P－P熱＝36 W－1 W＝35 W. (2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)成為純電阻電路，電流做功全部轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)中電流為 I′＝＝ A＝5.5 A， 電動(dòng)機(jī)消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率： P電′＝P熱′＝UI′＝2205.5 W＝1 210 W. 【答案】　(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W 閉合電路的輸出功率和效率 1．電源的輸出功率 當(dāng)外電路為純電阻電路時(shí)討論如下： (1)電源的輸出功率 P出＝I2R＝R＝＝. 由此可知當(dāng)R＝r時(shí)，電源有最大輸出功率P出max＝. (2)P出與外電阻R的函數(shù)關(guān)系，如圖444： 圖444 (3)P出與路端電壓U的函數(shù)關(guān)系，如圖445： 圖445 P出＝UI＝U＝－U2＋U＝－＋我們可以得出，當(dāng)U＝時(shí)，電源有最大輸出功率，即P出max＝. 2．電源的效率 η＝100%＝100%＝100%＝100%，可見(jiàn)，當(dāng)R增大時(shí)，效率增大．當(dāng)R＝r時(shí)，即電源有最大輸出功率時(shí)，其效率僅為50%，效率并不高． 　如圖446所示，E＝8 V，r＝2 Ω，R1＝8 Ω，R2為變阻器接入電路中的有效阻值，問(wèn)： 圖446 (1)要使變阻器獲得的電功率最大，則R2的取值應(yīng)是多大？這時(shí)R2的功率是多大？ (2)要使R1得到的電功率最大，則R2的取值應(yīng)是多大？R1的最大功率是多大？這時(shí)電源的效率是多大？ (3)調(diào)節(jié)R2的阻值，能否使電源以最大的功率輸出？為什么？ 思路點(diǎn)撥：(1)R1為定值電阻，電功率最大的條件是R2＝0. (2)R2為可變電阻，其電功率最大的條件是R2＝R1＋r. (3)電源輸出最大功率為的條件是內(nèi)外電阻相等． 【解析】　(1)將R1和電源(E，r)等效為一新電源，則 新電源的電動(dòng)勢(shì)E′＝E＝8 V 內(nèi)阻r′＝r＋R1＝10 Ω，且為定值 利用電源的輸出功率隨外電阻變化的結(jié)論知，當(dāng)R2＝r′＝10 Ω時(shí)，R2有最大功率，即 P2max＝＝ W＝1.6 W. (2)因R1是定值電阻，所以流過(guò)R1的電流越大，R1的功率就越大． 當(dāng)R2＝0時(shí)，電路中有最大電流，即 Imax＝＝0.8 A R1的最大功率 P1max＝IR1＝5.12 W 這時(shí)電源的效率 η＝100%＝80%. (3)不能．因?yàn)榧词筊2＝0，外電阻R1也大于r，不可能有的最大輸出功率．本題中，當(dāng)R2＝0時(shí)，外電路得到的功率最大． 【答案】　(1)10 Ω　1.6 W　(2)0　5.12 W　80% (3)不能　理由見(jiàn)解析 有關(guān)閉合電路中功率問(wèn)題的三點(diǎn)提醒 (1)電源輸出功率越大，效率不一定越高，如電源輸出功率最大時(shí)，效率只有50%. (2)判斷可變電阻功率變化時(shí)，可將可變電阻以外的其他電阻看成電源的一部分內(nèi)阻． (3)當(dāng)P出I2Rt.故A，D錯(cuò)誤，B，C正確．] 2．把兩根電阻相同的電熱絲先串聯(lián)后并聯(lián)分別接在同一電源上，若要產(chǎn)生相等的熱量，則兩種方法所需的時(shí)間之比t串∶t并為(　　) A．1∶1 B．2∶1　　　C．4∶1　　　D．1∶4 C　[串聯(lián)后電阻為R1＝2r，產(chǎn)生的熱量為Q1＝t串＝t串；并聯(lián)后電阻為R2＝，產(chǎn)生的熱量為Q2＝t并＝t并，若要Q1＝Q2，所以有t串∶t并＝4∶1.] 3.如圖449所示，已知電源內(nèi)電阻r為2 Ω，定值電阻R0為3 Ω，滑動(dòng)變阻器阻值范圍為0～10 Ω.當(dāng)使滑動(dòng)變阻器R阻值為R1時(shí)，在R1上獲得最大功率，則R1的阻值應(yīng)為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：69682216】 圖449 A．2 Ω B．3 Ω C．4 Ω D．5 Ω D　[將R0視為內(nèi)阻，當(dāng)外阻R1等于內(nèi)阻(R0＋r)時(shí)，輸出功率最大，即R1上的功率最大．故D正確．] 4.如圖4410所示，電源電動(dòng)勢(shì)E＝10 V，內(nèi)阻r＝0.5 Ω，標(biāo)有“8 V,16 W”的燈泡恰好能正常發(fā)光，電動(dòng)機(jī)M繞組的電阻R0＝1 Ω，求： 圖4410 (1)路端電壓； (2)電源的總功率； (3)電動(dòng)機(jī)的輸出功率． 【解析】　(1)路端電壓等于電燈L的電壓，即為8 V. (2)由公式E＝U＋I(xiàn)r 可得I＝＝ A＝4 A 電源總功率P總＝EI＝40 W. (3)通過(guò)燈泡的電流為IL＝＝2 A 通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流IM＝I－IL＝2 A 電動(dòng)機(jī)消耗的總功率P入＝UMIM＝82 W＝16 W 電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻消耗的功率P內(nèi)＝IR0＝221 W＝4 W 所以輸出功率為P出＝P入－P內(nèi)＝16 W－4 W＝12 W. 【答案】　(1)8 V　(2)40 W　(3)12 W