学年高二物理教科版选修31学案28 焦耳定律 电路中的能量转化Word文档下载推荐.docx

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（3）国际单位制中电功的单位是焦耳，符号是J.

（4）电流做多少功，就表示多少电能转化为其他形式的能．

2．电功率：

（1）电流所做的功与做这些功所用时间的比值叫做电功率，它在数值上等于单位时间内电流所做的功．

P＝＝UI，此式表明一段电路上的电功率P等于这段电路两端的电压U和电路中电流I的乘积．

（3）国际单位制中功率的单位是：

瓦特，符号是W,1W＝1J/s.

二、焦耳定律和热功率

[问题设计]

1．某同学家中有一只电炉，电阻为50Ω，试计算该电炉接到220V电源上在100秒的时间内消耗的电能和产生的热量．

答案　I＝

W＝UIt＝U·

·

t＝t＝96800J

Q＝W＝96800J.

2．某同学家中有一电风扇，电阻为80Ω，当加上220V的电压时电流为0.25A，试计算该电风扇工作100秒时间消耗的电能和产生的热量．

答案　W＝UIt＝5500J

Q＝I2Rt＝500J.

3．通过上面的计算比较消耗的电能和产生的热量之间的关系．

答案　电炉消耗的电能和产生的热量相等．

电风扇消耗的电能和产生的热量不相等．

1．焦耳定律：

（1）内容：

电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比．

Q＝I2Rt.

（3）焦耳热：

电流通过电阻而产生的热量称为焦耳热．

2．热功率：

（1）电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值，叫做热功率．

P热＝＝I2R.

3．纯电阻电路：

电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能．W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t；

P＝P热＝UI＝I2R＝.

4．非纯电阻电路：

含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电能一部分转化为机械能、化学能等其他形式的能，还有一小部分转化为内能．W＝UIt＝Q＋E其他>

Q＝I2Rt；

P＝UI＝P热＋P其他>

P热＝I2R.

[延伸思考]　小明家有电炉、日光灯、电视机、电脑、电吹风等用电器，小明查了所有用电器的电阻，它们电阻的总和为R，已知小明家所接电网电压为U，于是小明很快算出了他家用电器的总功率：

P＝，小明这种算法正确吗？

答案　不正确，因为小明家有些用电器不是纯电阻用电器，在此P＝不适用．

三、闭合电路中的功率

根据闭合电路的欧姆定律，推导闭合电路中能量的转化关系，并解释各项的物理意义．

答案　根据E＝U内＋U外可得EI＝U内I＋U外I，式中EI表示电源提供的电功率，U外I表示外电路上消耗的电功率；

U内I表示内电路上消耗的电功率．

1．闭合电路中的能量转化关系：

EI＝U内I＋U外I，对于纯电阻电路该式可写为EI＝I2r＋I2R.电动势反映了电源把其他形式的能转化为电能的能力．

2．电源的效率η＝×

100%＝×

100%.

一、电功、电功率、焦耳热、热功率

例1　下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是（　　）

A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多

B．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝t只适用于纯电阻电路

C．在非纯电阻电路中，UI>

I2R

D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路

解析　电功率公式P＝，表示电功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝，焦耳热Q＝Pt，可见Q与t也有关，所以P越大，Q不一定越大，A错．

W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝只适用于纯电阻电路，B对．

在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>

Q，即UI>

I2R，C对．

Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对．

答案　BCD

二、纯电阻电路中的功率分配及计算

例2　额定电压都是110V，额定功率PA＝100W，PB＝40W的灯泡两盏，若接在电压为220V的电路上，使两盏灯炮均能正常发光，且消耗功率最小的电路是（　　）

解析　判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是额定电压，或电流是否是额定电流，对灯泡有P＝UI＝，可知RA＜RB.

对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，B灯被烧毁或A灯不能正常发光．

对于B电路，由于RB＞RA，A灯又并联滑动变阻器，并联电阻小于RB，所以UB＞U并，B灯被烧毁或A灯不能正常发光．

对于C电路，B灯与滑动变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110V，两灯可以正常发光．

对于D电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110V，两灯可以正常发光．

比较C、D两个电路，由于C电路中滑动变阻器功率为（IA－IB）×

110V，而D电路中滑动变阻器功率为（IA＋IB）×

110V，所以C电路消耗电功率最小．

答案　C

三、非纯电阻电路的特点及计算

例3　0如图2所示的电路中，电源电动势E＝10V，内阻r＝0.5Ω，电动机的电阻R0＝1.0Ω，电阻R1＝1.5Ω.电动机正常工作时，电压表的示数U1＝3.0V，求：

图2

（1）电源释放的电功率；

（2）电动机消耗的电功率和将电能转化为机械能的功率；

（3）电源的输出功率和效率．

解析　

（1）电动机正常工作时，总电流为I＝＝A＝2A，电源释放的电功率为P释＝EI＝10×

2W＝20W.

（2）电动机两端的电压为U＝E－Ir－U1＝（10－2×

0.5－3.0）V＝6V

电动机消耗的电功率为：

P电＝UI＝6×

2W＝12W

电动机的热功率为：

P热＝I2R0＝22×

1W＝4W

根据能量守恒定律，电动机将电能转化为机械能的功率

P机＝P电－P热＝12W－4W＝8W

（3）电源的输出功率为P出＝P释－P内＝P释－I2r＝（20－22×

0.5）W＝18W，η＝×

100%＝90%.

答案　

（1）20W　

（2）12W　8W　（3）18W　90%

1．（功率P＝UI，P＝I2R，P＝的区别）关于三个公式P＝UI，P＝I2R，P＝的适用范围，以下说法正确的是（　　）

A．第一个公式普遍适用于求电功率，后两式普遍适用于求热功率

B．在纯电阻电路中，三个公式既可适用于求电功率，又可适用于求热功率

C．在非纯电阻电路中，第一个公式可适用于求电功率，第二个公式可用于求热功率，第三个公式没有意义

D．由U＝IR可知，三个公式没有任何区别，它们表达相同的意义，所求P既是电功率，也是热功率

答案　BC

解析　首先要明确，欧姆定律U＝IR只适用于纯电阻电路，因此三个公式在纯电阻电路中没有区别，但在非纯电阻电路中它们互不相同．其次，P＝UI表示电功率，而P＝I2R表示热功率．因此，在纯电阻电路中，UI＝I2R，消耗的电能全部转化为内能；

而在非纯电阻电路中，UI>

I2R，即消耗的电能只有部分转化为内能．

2.（非纯电阻电路）如图3所示，直流电动机线圈的电阻为R，电源内阻为r.当该电动机正常工作时，路端电压为U，通过电动机的电流为I，则（　　）

图3

A．电动机内部的发热功率为I2R

B．电动机的机械功率为IU

C．电源的电动势为I（R＋r）

D．电源的输出功率为IU＋I2R

答案　A

解析　电动机正常工作时，属于非纯电阻电路，欧姆定律已不适用，则C错误；

由焦耳定律可知电动机的发热功率为I2R，A正确；

由电路的特点可知，电动机的输入功率等于电源的输出功率，即P＝UI，由能量守恒定律可得，电动机的机械功率为P＝UI－I2R，B、D错误．

3．（非纯电阻电路与纯电阻电路的对比）一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内（　　）

A．电炉放热与电动机放热相等

B．电炉两端电压小于电动机两端电压

C．电炉两端电压等于电动机两端电压

D．电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率

答案　ABD

解析　电炉属于纯电阻元件，电动机属于非纯电阻元件，对于电炉有：

U＝IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R.对于电动机有：

U>

IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝UI>

I2R.

4．（闭合电路中的功率）如图4所示的U－I图像中，直线Ⅰ为某电源的路端电压与电流的关系，直线Ⅱ为某一电阻R的伏安特性曲线，用该电源直接与电阻R连接成闭合电路，由图像可知（　　）

图4

A．R的阻值为1.5Ω

B．电源电动势为3V，内阻为0.5Ω

C．电源的输出功率为3.0W

D．电源内部消耗功率为1.5W

答案　AD

题组一　电功率的理解及有关计算

1．下列关于电功率的说法中，正确的是（　　）

A．用电器的额定功率与用电器的实际电压和实际电流有关

B．用电器的实际功率取决于用电器的额定功率

C．白炽灯正常工作时，实际功率等于额定功率

D．电功率越小，则电流做功越少

解析　用电器的额定功率是它正常工作时的功率，其值是由用电器本身的结构决定的，与实际电流和实际电压无关，故A错，C对；

用电器实际功率的大小是由加在它两端的电压和通过它的电流决定的，B错；

电流做功的多少不仅与功率的大小有关，还与通电时间有关，D错．

2．两个绕线电阻分别标有“100Ω　10W”和“20Ω　40W”则它们允许通过的额定电流之比是（　　）

A.B.

C.D.

3.如图1所示的电路中，L1、L2是两个不同的小灯泡，a、b间有恒定的电压，它们都正常发光，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，发生的现象是（　　）

A．L1亮度不变，L2变暗

B．L1变暗，L2变亮

C．电路消耗的总功率变小

D．流过滑动变阻器的电流变小

解析　滑动变阻器的滑片向右滑动时阻值增大，并联部分的电阻变大，分得电压变大，所以L2两端电压增大，变亮．L1分得电压变小，L1变暗，A错，B对．因为滑动变阻器电阻变大，总电阻变大，由P＝可知，U一定，P减小，即电路总功率减小，C对．又因为总电阻增大，总电流减小，而L2电压变大，电流变大，所以流过变阻器的电流减小，D正确．

4．三只电阻R1、R2和R3按如图2所示电路连接，在电路的A、B端加上恒定电压后，电阻R1消耗的功率最大，则三只电阻的阻值大小关系为（　　）

A．R1>

R2>

R3B．R2>

R1>

R3

C．R3>

R1D．R1>

R3>

R2

答案　B

解析　电阻R1、R2并联，电阻两端的电压相等，因为电阻R1消耗的功率最大，由功率公式P＝，可判断R2>

R1，由串、并联电路的特点可知，通过电阻R1的