学年高中物理第二章电路第五节电功率教学案粤教版选修31.docx
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学年高中物理第二章电路第五节电功率教学案粤教版选修31
第五节电_功_率
1.电功的普适公式W=UIt。
2.电功率的普适公式P==UI。
3.焦耳定律即求解电热的表达式Q=I2Rt可适用
于任何电路。
4.热功率的普适公式P热=I2R。
一、电功和电功率
1.电功
(1)定义:
电流通过一段电路时,自由电荷在电场力的推动下作定向移动,电场力对自由电荷所做的功。
(2)表达式:
W=UIt。
2.电功率
(1)定义:
单位时间内电流所做的功。
(2)表达式:
P==UI。
二、焦耳定律和热功率
1.焦耳定律
(1)内容:
电流通过导体产生的热量,跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻及通电时间成正比。
(2)公式:
Q=I2Rt。
2.热功率
(1)定义:
单位时间内的发热量。
(2)公式:
P==I2R。
三、闭合电路中的功率
(1)闭合电路中能量转化关系:
EI=U外I+U内I。
(2)电源提供的能量一部分消耗在外电路上,转化为其他形式的能量;另一部分消耗在内电阻上,转化为内能。
(3)电动势反映了电源把其他形式的能量转化为电能的能力。
1.自主思考——判一判
(1)电功越大,电功率就越大。
(×)
(2)只有纯电阻电路中,电热的表达式是Q=I2Rt。
(×)
(3)非纯电阻电路中,电热的表达式是Q=I2Rt。
(√)
(4)电动机工作时,消耗的电能大于产生的电热。
(√)
(5)电源的功率越大,其输出功率越大。
(×)
2.合作探究——议一议
(1)根据我们的生活、生产经验列举一些常见的用电器,并说明电能主要转化为什么能?
提示:
①电灯,把电能转化为光能。
②电热毯、电熨斗、电饭煲、电热水器,把电能转化为内能(热能)。
③电动机,把电能转化为机械能。
④电解槽,把电能转化为化学能。
(2)用电器铭牌上所标的功率有何意义?
提示:
用电器铭牌上所标功率指的是用电器的额定功率,即用电器能长时间正常工作时的最大功率,用电器实际工作时,其功率不一定等于额定功率,一般要小于或等于额定功率。
(3)电功率与热功率的含义分别是什么,计算公式分别是什么?
提示:
电功率是指某段电路的全部电功率,或这段电路上消耗的全部电功率,计算公式P=IU;热功率是指在这段电路上因发热而消耗的功率,计算公式P=I2R。
(4)对一个电动势为E和内电阻一定的电源,在对外供电的过程中,什么情况下电源的总功率最大?
什么情况下电源内部的发热功率最大?
提示:
由P总=IE,P内=I2r可知,当流过电源的电流最大时,即回路中电阻值最小时,电源的总功率和电源内部的发热功率最大。
电功、电功率的计算
1.串、并联电路中的功率关系
串联电路
并联电路
功率分配
=
=
功率关系
P=P1+P2+…+Pn
P=P1+P2+…+Pn
2.额定功率和实际功率
(1)用电器正常工作时所消耗的功率叫做额定功率。
当用电器两端电压达到额定电压U额时,电流达到额定电流I额,电功率也达到额定功率P额,且P额=U额I额。
(2)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率。
为了使用电器不被烧毁,要求实际功率不能大于其额定功率。
[典例] 额定电压都是110V,额定功率P甲=100W,P乙=40W的电灯两盏,若接在电压是220V的电路上,使两盏电灯均能正常发光,且电路中消耗功率最小的电路是( )
[思路点拨]
[解析] 对灯泡有P=UI=,可知:
R甲U甲,且有U乙>110V,乙灯被烧毁,U甲<110V不能正常发光,A错误。
对于B电路,由于R乙>R甲,甲灯又并联变阻器,并联电阻更小于R乙,所以U乙>U并,乙灯被烧毁。
对于C电路,乙灯与变阻器并联电阻可能等于R甲,所以可能U甲=U乙=110V,两灯可以正常发光。
对于D电路,若变阻器的有效电阻等于甲、乙的并联电阻,则U甲=U乙=110V,两灯可以正常发光。
比较C、D两个电路,由于C电路中变阻器功率为(I甲-I乙)×110,而D电路中变阻器功率为(I甲+I乙)×110,所以C电路消耗电功率最小。
[答案] C
1.当电阻两端加上某一稳定电压时,通过该电阻的电荷量为0.3C,消耗的电能为J。
为在相同时间内使0.6C的电荷量通过该电阻,在其两端需加的电压和消耗的电能分别是( )
A.3V J B.3V J
C.6V JD.6V J
解析:
选D 设两次加在电阻R上的电压分别为U1和U2,通电的时间都为t。
由公式W1=U1q1和W1=t可得:
U1=3V,=s·Ω-1。
再由W2=U2q2和W2=t可求出:
U2=6V,W2=J,故选项D正确。
2.一只规格为“220V 2000W”的电炉,它在正常工作时的电阻是多少?
若电网电压为200V,电炉工作时的实际功率是多少?
在220V电压下,如果平均每天使用电炉2h,求此电炉一个月(按30天计算)要消耗多少度电?
解析:
设电炉的电阻为R,由P=得
R==Ω=Ω
当电压为U′=200V时,电炉的实际功率为
P′==W≈1653W
在220V的电压下,该电炉一个月消耗的电能为
W=Pt=2×2×30kW·h=120kW·h。
答案:
Ω 1653W 120度
电功与电热的区别和联系
1.纯电阻电路与非纯电阻电路对比
纯电阻电路
非纯电阻电路
元件特点
电路中只有电阻元件
除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的用电器
欧姆定律
服从欧姆定律I=
不服从欧姆定律U>IR或I<
能量转化
电流做功全部转化为内能
电流做功除转化为内能外还要转化为其他形式的能
元件举例
电阻、电炉丝、白炽灯等
电动机、电解槽等
2.电功与电热
(1)纯电阻电路:
W=Q=UIt=I2Rt=t,
P电=P热=UI=I2R=。
(2)非纯电阻电路:
电功W=UIt,电热Q=I2Rt,W>Q;电功率P=UI,热功率P热=I2R,P>P热。
[特别提醒] 在非纯电阻电路中,只能用W=UIt和P=UI计算电功和电功率;Q=I2Rt及P热=I2R计算电热和热功率。
而且W≠t,P≠,Q≠t,P热≠。
[典例] 规格为“220V 36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,求:
(1)接上220V的电压后,求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率;
(2)如果接上220V的电压后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率。
[审题指导]
第一步 抓关键点
关键点
获取信息
排气扇规格为“220V,36W”接220V电压
电压和功率均达到额定值
线圈电阻40Ω
可根据“220V,36W”求出I,从而求出P热
接上电源,电动机不转
电路转化为纯电阻电路
第二步 找突破口
(1)额定电压下,电流可据I=求出。
(2)机械功率可通过P机=P电-P热求出。
(3)电动机不工作时,220V电压全加在40Ω电阻上,电动机此时即为“电阻”。
[解析]
(1)排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为:
I==A≈0.16A,
发热功率为:
P热=I2R=2×40W≈1W。
转化为机械能的功率为:
P机=P-P热=36W-1W=35W。
(2)扇叶被卡住不能转动后,电动机成为纯电阻电路,电流做功全部转化为热能,此时电动机中电流为
I′==A=5.5A,
电动机消耗的功率即发热功率:
P电′=P热′=UI′=220×W=1210W。
[答案]
(1)35W 1W
(2)1210W 1210W
电动机的功率问题
(1)功率关系:
P入=P机+P热,即IU=P机+I2R。
(2)电动机的效率:
η=。
(3)当电动机被卡不转动时相当于一个纯电阻电路。
1.一直流电动机线圈内阻一定,用手握住转轴使其不能转动,在线圈两端加电压为V时,电流为0.3A。
松开转轴,在线圈两端加电压为2V时,电流为0.8A,电动机正常工作。
求该电动机正常工作时,输入的电功率是多少?
电动机的机械功率是多少?
解析:
电动机不转动时,其消耗的电功全部转化为内能,故可视为纯电阻电路,由欧姆定律得电动机线圈内阻:
r==Ω=1Ω。
电动机转动时,消耗的电能转化为内能和机械能,其输入的电功率为P入=I1U1=×2W=W。
电动机的机械功率P机=P入-I12r=-×1)W=W。
答案:
W W
2.如图251所示,一台直流电动机所加电压为110V,通过的电流为5A。
该电动机在10s内把一个质量为50kg的物体匀速提高了9m,求电动机的电功率和电动机线圈的电阻(不计摩擦,g取10m/s2)。
图251
解析:
电功率:
P=UI=110×5W=550W
电动机做功的过程就是把电能转化为机械能和内能的过程。
机械能:
E=mgh=50×10×9J=4500J
内能:
Q=W-E=Pt-E=(550×10-4500)J=1000J
由焦耳定律Q=I2Rt,得:
R==Ω=4Ω。
答案:
550W 4Ω
闭合电路中的功率问题
1.电源的有关功率和电源的效率。
(1)电源的总功率:
P总=IE。
(2)电源的输出功率:
P出=IU。
(3)电源内部的发热功率:
P内=I2r。
(4)三者关系:
P总=P出+P内。
(5)电源的效率:
η==,对于纯电阻电路,η=。
2.纯电阻电路中输出功率与外电阻的关系:
P出=I2R=R=
=。
(1)当R=r时,电源有最大输出功率P出max=。
(2)输出功率P出与外电阻R的图像分析。
图252
①当R=r时,输出功率最大,P出=。
②当Rr时,若R增大,则P出减小。
③除R=r外,图像上总有两点输出功率P出相等,如图中R1与R2,则有:
2×R1=2×R2
整理得:
R1R2=r2。
[典例]
如图253所示,已知电源的电动势为E,内阻r=2Ω,定值电阻R1=Ω,滑动变阻器的最大阻值为5Ω,求:
图253
(1)当滑动变阻器的阻值为多大时,电阻R1消耗的功率最大?
(2)当滑动变阻器的阻值为多大时,电源的输出功率最大?
(3)当滑动变阻器的阻值为多大时,滑动变阻器消耗的功率最大?
[思路点拨]
(1)R1为定值电阻,其功率P1=I2R1,欲使P1最大,需使I最大。
(2)外电路是可变电阻,当外电阻等于内电阻时,电源输出功率最大。
(3)R2是可变电阻,欲使P2最大,可将R1归为电源内阻,新电源内阻r′=R1+r=Ω,当R2=r′时,P2最大。
[解析]
(1)因为电路是纯电阻电路,则满足闭合电路欧姆定律,有PR1=R1。
当R2=0时,电阻R1消耗的功率最大,PR1m=R1。
(2)由电源输出功率最大的条件:
当R1+R2=r,即R2=r-R1=Ω时,电源输出的功率最大,Pm=。
(3)方法一(极值法):
PR2=R2=R2
=。
当R2=R1+r=Ω时,滑动变阻器消耗的功率最大,即PR2m=。
方法二(等效电源法):
如果把电源和R1的电路等效为一个新电源,则整个电路等效为一个新电源和滑动变阻器组成的闭合电路,“外电路”仅一个滑动变阻器R2,这个等效电源的E′和r′可以这样计算:
把新电源的两端断开,电源电动势E等于把电源断开时电源两端的电压,则新电源的电动势E′=E,而等效电源的内阻r′=R1+r,即两个电阻的串联。
根据电源的输出功率随外电