优化课堂高二物理人教版选修31学案25 焦耳定律 Word版含答案 高考.docx
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优化课堂高二物理人教版选修31学案25焦耳定律Word版含答案高考
5
焦耳定律
[学习目标] 1.理解电功和电功率的概念,知道电流做功的实质.(重点) 2.理解电功和电热的区别,能够区分纯电阻电路和非纯电阻电路.(难点) 3.电功率和热功率的理解.(重点) 4.能从能量守恒角度理解焦耳定律(难点)
电功和电功率
[先填空]
1.电功
(1)定义:
电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压、电路中的电流、通电时间三者的乘积.
(2)公式:
W=IUt.
(3)单位:
国际单位是焦耳,符号是J.
(4)意义:
描述电能转化为其他形式能的多少.
2.电功率
(1)定义:
单位时间内电流所做的功.
(2)公式:
P=IU.
(3)单位:
瓦特,符号是W.
(4)意义:
描述电能转化为其他能的快慢或者是电流做功的快慢
[再思考]
用电器额定功率越大,接在电路中电流做的功越多,这样说法对吗?
【提示】 不对,电流做功一方面与电功率有关,另一方面还与通电时间有关,只有电功率与时间乘积大时,电流做功才多.
[后判断]
(1)电功与电能的单位相同,电功就是电能.(×)
(2)电功率越大,电功越大.(×)
(3)1千瓦时=3.6×106J.(√)
焦耳定律
[先填空]
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.表达式:
Q=I2Rt.
3.热功率
[再思考]
标有“220V 40W”的白炽灯泡和“220V 40W”的电动机,把它们并联后接到220V的照明电路中,二者都能正常工作,它们在相同的时间内产生的电热相同吗?
【提示】 不同,“220V 40W”白炽灯通电时将电能全部转化为内能,而“220V 40W”的电动机,通电后消耗的电能一部转化内能另一部分转化为机械能.
[后判断]
(1)电流流过笔记本电脑时,电功一定等于电热.(×)
(2)根据I=
可导出P=
,该公式用于任何用电器.(×)
(3)电流通过电解槽时,电功大于电热.(√)
预习完成后,请把你认为难以解决的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
问题4
学生分组探究一 纯电阻电路和非纯电阻电路中的电功与电热(对比分析)
第1步 探究——分层设问,破解疑难
1.电动机与电炉接在电路中有何区别?
2.如何分析电路中能量的转化?
第2步 结论——自我总结,素能培养
1.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较
两种电路
比较内容
纯电阻电路
非纯电阻电路
元件特点
电路中只有电阻元件,只能把电能转化为内能
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,电能全部转化为内能
电流做功,电能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.电功与电热的比较
(1)电功与电热
纯电阻电路
非纯电阻电路
能量转化
电功
W=UIt=I2Rt=
t
W=UIt
电热
Q=UIt=I2Rt=
t
Q=I2Rt
关系
W=Q
W>Q
(2)电功率与热功率
纯电阻电路
非纯电阻电路
电功率
P电=UI=I2R=
P电=UI
热功率
P热=UI=I2R=
P热=I2R
关系
P电=P热
P电>P热
第3步 例证——典例印证,思维深化
规格为“220V 36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,求:
(1)接上220V的电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率;
(2)如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的电功率和发热的功率.
【思路点拨】
(1)排气扇正常工作时为非纯电阻电路.
(2)排气扇被卡住时为纯电阻电路.
【解析】
(1)排气扇在220V电压下正常工作的电流为I=
=
A=0.16A
发热功率P热=I2R=(0.16)2×40W=1W
转化为机械能的功率P机=P-P热=(36-1)W=35W.
(2)排气扇扇叶被卡住不能转动后,电动机相当于纯电阻,电能全部转化为热能,此时通过排气扇的电流为
I′=
=
A=5.5A
电动机消耗的电功率等于发热功率,即
P机=P热=I′U=5.5×220W=1210W.
【答案】
(1)P机=35W,P热=1W
(2)P机=P热=1210W
电功和电热、电功率和热功率的计算
不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路,计算电功时都用W=UIt,功率均用P=UI,热量都用Q=I2Rt,热功率均用P=I2R,其他变形只用于纯电阻电路.
第4步 巧练——精选习题,落实强化
1.(多选)理发用的电吹风机中有电动机和电热丝,电动机带动风叶转动,电热丝给空气加热,得到热风将头发吹干,设电动机的线圈电阻为R1,它与电热丝的电阻R2串联,接到直流电源上,电吹风机两端电压为U,电流为I,消耗的电功率为P,则有( )
A.P<UI B.P=I2(R1+R2)
C.P=UID.P>I2(R1+R2)
【解析】 电动机电路在电机正常转动时,电动机消耗的功率P=UI,且大于发热功率,选项C、D正确.
【答案】 CD
2.电阻R和电动机M串联接到电路中,如图2-5-1所示,已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等,开关接通后,电动机正常工作.设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2,经过时间t,电流通过R做功为W1,产生的热量为Q1,电流通过电动机做功为W2,产生的热量为Q2,则有( )
A.U1<U2,Q1=Q2
B.U1=U2,Q1=Q2
C.W1=W2,Q1>Q2
D.W1<W2,Q1<Q2
图2-5-1
【解析】 电动机是非纯电阻,其两端电压U2>IR=U1,B错误;电流做的功W1=U1It,W2=U2It,故W1<W2,C错误;产生的热量由Q=I2Rt可判断Q1=Q2,A正确,D错误.
【答案】 A
学生分组探究二 串并联电路中电功、电功率的分析计算(深化理解)
第1步 探究——分层设问,破解疑难
1.如何计算串联电路、并联电路各支路电功率?
2.总功率与各支路功率有何关系?
第2步 结论——自我总结,素能培养
对于纯电阻电路中,用电器串并联时电功率的关系如下.
1.串联电路
功率关系
2.并联电路
功率关系
第3步 例证——典例印证,思维深化
额定电压都是110V,额定功率PA=100W,PB=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】 电路中消耗总功率最小时应为总电压最小总电流也最小.
【解析】 对灯泡有P=UI=
,可知:
RA<RB,对于A电路,由于RA<RB,所以UB>UA,且有UB>110V,B灯被烧毁,A错误.
对于B电路,由于RB>RA,A灯又并联变阻器,并联电阻更小于RB,所以UB>U并,B灯被烧毁,B错误.
对于C电路,B灯与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电路中变阻器功率为(IA-IB)×110,而D电路中变阻器功率为(IA+IB)×110,所以C电路消耗电功率最小.
【答案】 C
解答串并联电路电功率问题应注意的问题
1.求解串、并联电路中的功率分配问题,比例法求解会使问题简化,但一定要确定是正比还是反比关系.
2.当分析用电器的功率问题时,一定要注意用电器的安全,即不要超过用电器的额定电压、额定电流.
第4步 巧练——精选习题,落实强化
3.如图2-5-2所示,电源电压8V,闭合开关后,电流表
的示数为0.2A,电流表Ⓐ的示数为0.3A.试求:
(1)R1的电功率;
(2)1min内R2消耗的电能.
图2-5-2
【解析】 由电路图可知:
I1=0.2A,I2=0.3A-0.2A=0.1A,
(1)P1=UI1=8×0.2W=1.6W.
(2)Q=W=UI2t=8×0.1×60J=48J.
【答案】
(1)1.6W
(2)48J
4.电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器,它们一般具有加热和保温功能,其工作原理大致相同.如图2-5-3所示为某种电热式电器的简化电路图,主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S.
图2-5-3
(1)当自动开关S闭合和断开时,用电器分别处于什么状态?
(2)用电器由照明电路供电(U=220V),设加热时用电器的电功率为400W,保温时用电器的电功率为40W,则R1和R2分别为多大?
【解析】
(1)由P=
可判定S闭合时处于加热状态,S断开时处于保温状态.
(2)由电功率表达式P=
知:
闭合时P1=
,断开时P2=
解以上两式得R1=121Ω,R2=1089Ω.
【答案】
(1)闭合时,加热;断开时,保温
(2)121Ω 1089Ω
含电动机电路的功率问题分析
1.电动机的等效处理:
电动机是一种非纯电阻性用电器,它把电能转化为机械能和内能.在电路计算中,常把电动机等效为阻值等于其内阻的电阻r和无电阻的转动线圈串联而成,电流通过r时把电能转化为热能,而线圈把电能转化为机械能.
2.输入功率:
也叫电动机的总功率,由电动机电路的电流和电压决定,计算公式P总=UI.
3.输出功率:
电动机做有用功的功率.如图2-5-4所示,P出=mg·v(设重物匀速上升).
图2-5-4
4.热功率:
电动机线圈上有电阻,电流通过线圈时要发热,热功率P热=I2r.
5.功率关系:
P总=P出+P热.
6.电动机的效率:
η=
×100%.
图2-5-5
如图2-5-5所示为电动机提升重物的装置,电动机线圈电阻r=1Ω,电动机两端电压为5V,电路中的电流为1A,重物A重20N.不计摩擦力,求:
(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少?
(2)电动机的输入功率和输出功率各是多少?
(3)10s内,可以把重物A匀速提升多高?
(4)这台电动机的机械效率是多少?
【解析】
(1)根据焦耳定律,热功率为P热=I2r=12×1W=1W.
(2)输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积
P入=IU=1×5W=5W.
输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率
P出=P入-P热=5W-1W=4W.
(3)电动机的输出功率用来提升重物,转化为机械功率,在10s内P出t=mgh,解得h=
=
m=2m.
(4)机械效率η=
×100%=
×100%=80%.
【答案】
(1)1W
(2)5W 4W (3)2m (4)80%
——[先看名师指津]——————————————
解决电动机问题注意分两种情况
(1)当电动机正常工作时,要分别搞清电动机的总功率、输出功率和热功率,掌握它们之间的关系:
P总=P出+P热.
(2)当电动机因故障或其他原因不转动时,相当于一个纯电阻电路.
——[再演练应用]———————————————
如图2-5-6所示,有一提升重物用的直流电动机,内阻r=0.6Ω,R=10Ω,U=160V,电压表的读数为110V,求:
(1)通过电动机的电流是多少?
(2)输入到电动机的电功率是多少?
(3)电动机中发热的功率是多少?
(4)电动机工作1h所产生的热量是多少?
图2-5-6
【解析】
(1)设电动机两端的电压为U1,电阻R两端的电压为U2,则
U1=110V,U2=U-U1=(160-110)V=50V.
通过电动机的电流为I,则I=
=
A=5A.
(2)输入到电动机的电功率P电,P电=IU1=110×5W=550W.
(3)电动机中发热的功率P热,
P热=I2r=52×0.6W=15W.
(4)电动机工作1h所产生的热量Q,Q=I2rt
=52×0.6×3600J=54000J.
【答案】
(1)5A
(2)550W (3)15W (4)54000J