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 [目標定位] 1.知道并理解電功、電功率的概念,并能利用公式進行有關(guān)計算.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:電場力移動電荷所做的功. (2)定義式:W=UIt. (3)單位:國際單位制:焦耳,符號:J. (4)實質(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間的比值. (1)定義:單位時間內(nèi)電流所做的功. (2)公式:P==IU. (3)單位:國際單位制:瓦特,符號: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)兩個電阻串聯(lián),功率和電阻存在什么關(guān)系? (2)兩個電阻并聯(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,當把它們串聯(lián)在電壓為4U的電源兩端時,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.兩個電阻消耗的總功率為12P1 解析 當R1、R2并聯(lián)在電壓為U的電源兩端時,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;當把它們串聯(lián)在電壓為4U的電源兩端時,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錯誤;R1兩端的電壓U1=IR1=3R2=3U,故A錯誤;兩個電阻消耗的總功率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,跟通電時間成正比. (2)表達式: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)生這些熱量所用時間的比值,即單位時間內(nèi)電阻通電所產(chǎn)生的熱量. (2)表達式:P熱==I2R. (3)適用條件:任何電路. 深度思考 電風扇、電冰箱消耗的電能等于I2Rt嗎?電風扇、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)化為機械能,小部分轉(zhuǎn)化為電熱. 例2 一臺電動機,額定電壓為100 V,電阻為1 Ω.正常工作時,通過的電流為5 A,則電動機因發(fā)熱損失的功率為( ) A.500 W B.25 W C.1 000 W D.475 W 解析 電動機的熱功率P熱=I2r=521 W=25 W,B正確,A、C、D錯誤. 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+I2r. 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,電阻R=2 Ω,電動機的內(nèi)阻R0=1.6 Ω,電壓表的示數(shù)為50 V,電動機正常工作,求電動機的輸出功率. 圖1 解析 電動機正常工作時,電動機兩端的電壓U0=50 V,此時通過電路中的電流:I===5 A,電動機的輸出功率P出=U0I-I2R0=210 W. 答案 210 W 電動機的功率 電動機的總功率(輸入功率):P入=UI 電動機的熱功率P熱=I2r. 電動機的輸出功率(機械功率):P出=UI-I2r 電動機的效率:η===1-. 說明:注意區(qū)分電動機的幾種功率,從能量守恒角度去分析和考慮電動機問題. 例4 如圖2所示的電路中,電源電動勢E=10 V,內(nèi)阻r=0.5 Ω,電動機的電阻R0=1.0 Ω,定值電阻R1=1.5 Ω.電動機正常工作時,電壓表的示數(shù)U1=3.0 V,求: 圖2 (1)電源釋放的電功率; (2)電動機消耗的電功率及將電能轉(zhuǎn)化為機械能的功率; (3)電源的輸出功率. 解析 (1)電動機正常工作時,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)電動機兩端的電壓為U=E-Ir-U1=(10-20.5-3.0)V=6 V. 電動機消耗的電功率為:P電=UI=62 W=12 W. 電動機消耗的熱功率為:P熱=I2R0=221.0 W=4 W. 根據(jù)能量守恒得 P機=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,且兩個電路的總功率相等.則下列對這兩個電路中的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)光時電流為I,電壓為U,由于兩個電路的總功率相等,P=U甲I=U乙2I,得U甲=2U乙;又由U甲=2U+IR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,在t時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q,若電阻為2R,電流為,則在時間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)一臺電動機,額定電壓為100 V,電阻為1 Ω.正常工作時,通過的電流為5 A,則電動機因發(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 電動機的熱功率P熱=I2r=521 W=25 W,B正確,A、C、D錯誤. 4.(閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化)如圖4所示,電源電動勢E=30 V,內(nèi)阻r=1 Ω,燈泡上標有“6 V 12 W”字樣,直流電動機線圈電阻R=2 Ω,若燈泡恰好能正常發(fā)光,求電動機輸出的機械功率. 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 所以電動機兩端電壓為 UM=E-U內(nèi)-U=30 V-2 V-6 V=22 V 電動機輸出的機械功率為 P機=UMI-I2R=222 W-222 W=36 W. 題組一 對電功、電功率的理解和計算 1.(多選)關(guān)于電功,下列說法中正確的有( ) A.電功的實質(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)的自由電子運動的速率越來越大 D.電流通過電動機時的電功率和熱功率相等 答案 AB 2.兩個精制電阻,用錳銅電阻絲繞制而成,電阻上分別標有“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,對燈泡有P=IU=,可知RA<RB. 對于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+IB)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,燈泡的電流IA>IB B.兩燈電阻RA- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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