电路中的能量转化与守恒

电路中的能量转化与守恒电流的热效应一、电功电功率1．电功，即电流做功，实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．2．电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，电流做功的多少等于电能转化为其他形式能的数量．3．电功的公式：W＝UIt.4．电功率即单位时间内电流所做的功，电流在一段电路上做功的功率等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积．表达式为P＝UI.5．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。二、焦耳定律热功率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.3．热功率：单位时间内的发热功率．P热＝I2R.三、纯电阻和非纯电阻电路的区别纯电阻电路非纯电阻电路元件特点欧姆定律能量转化元件举例电路中只有电阻元件电路中除电阻元件外，还有将电能转化为其他能的用电器项目四、对电功和电热的理解例1、一灯泡标有“220V,100W”字样，将其接到110V的电源上（不考虑灯泡电阻的变化）则有A、灯泡的实际功率为50WB、灯泡的实际功率为25WC、通过灯泡的电流为额定电流的1/2D、通过灯泡的电流为额定电流的1/4例2．电功率的计算公式P＝U2/R中，U是加在用电器上的电压，R是用电器的电阻，此式可用于()A．计算电冰箱的功率B．计算电风扇的功率C．计算电烙铁的功率D．计算洗衣机的功率解析：公式P＝U2/R是根据功率公式和欧姆定律推导出来的，只能用在纯电阻电路中，故C正确，A、B、D错误。答案：C例3将阻值为R1=2Ω,R2=3Ω,R3=4Ω的三个电阻接到电源上，则（1）将它们串联后接到电源上，其总电阻为Ω，它们的电压之比为，它们消耗的电功率之比为。（2）将它们并联后接到电源上，其总电阻为Ω，它们的电流之比为，它们消耗的电功率之比为。92:3:412/136:4:32:3:46:4:3例4．有四盏电灯，如图所示连接在电路中，L1、L2都标有“220V，110W”字样，L3和L4都标有“220V，40W”字样，把电路接通后最暗的是()A．L1B．L2C．L3D．L4解析：由P＝I2R知，L2比L1暗，L3比L4暗，又由P＝U2R知，L3比L2暗，故最暗的是L3灯，选C。C解析：由R1、R2与R3的额定值知三个电阻正常工作时的电流分别为I1＝I2＝P1R1＝0.2A，I3＝0.1A.由串、并联电路的电流关系，当I1＝0.2A，I2＝I3＝0.1A时，AB间消耗的功率最大，最大功率为Pm＝P1＋2P3＝6W.例5如图所示，R1和R2都是“4W，100Ω”的电阻，R3是“1W，100Ω”的电阻，则AB间允许消耗的最大功率是________W.例6给定两只标有“110V22W”的灯泡L1和“110V44W”的灯泡L2及一只滑动变阻器R，将它们接在220V的电路中，要使两灯都正常发光，在下图所示的几种接法中，最合理的是()为什么C最好？？？CI1=0.2AR1=550ΩI2=0.4AR2=275Ω例7．有四盏电灯，如图所示连接在电路中，L1、L2都标有“220V，110W”字样，L3和L4都标有“220V，40W”字样，把电路接通后最暗的是()A．L1B．L2C．L3D．L4解析：由P＝I2R知，L2比L1暗，L3比L4暗，又由P＝U2R知，L3比L2暗，故最暗的是L3灯，选C。答案：C例8.一只电炉的电阻丝电阻和一台电动机线圈电阻相同，都为R，设通过的电流相同，则在相同时间内，下列说法正确的是()A．电炉和电动机的电热相等B．电动机消耗功率大于电炉消耗功率C．电炉两端电压小于电动机两端电压D．电炉和电动机两端电压相等解析：选ABC.此题关键是分清电炉丝是纯电阻用电器，而电动机是非纯电阻用电器．例9在如图的电路中，A、B、C是是三个完全相同的电灯，且不计温度对电灯电阻的影响。电路两端的电压U恒定，当电键K断开与闭合时，电灯A消耗的电功率PA与PA/之比为。9︰4例10.关于电功W和电热Q的说法正确的是()A．在任何电路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，且W＝QB．在任何电路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，但W不一定等于QC．W＝UIt、Q＝I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立D．W＝UIt在任何电路中成立，Q＝I2Rt只在纯电阻电路中成立解析：选B.W＝UIt、Q＝I2Rt适用于一切电路，但在纯电阻电路中W＝Q，在非纯电阻电路中W＞Q，B对，A、C、D错．B例11、加在某台电动机上的电压是U，电动机消耗的电功率为P，电动机线圈的电阻为r，则电动机线圈上消耗的热功率为（）电动机输出的机械功率为（）A．PB．U2/rC．P2r/U2D．P–P2r/U2非纯电阻电路中计算电功率只能用P=UI，计算热功率只能用P热=I2RCD例12规格为“220V55W”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及排气扇的效率；(2)如果接上电源排气扇正常工作后，扇叶被突然卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率。由此你能得到什么启示？52.5W2.5W95.5%1210W1210W排气扇可能被烧毁例13、如图所示的电路中，电源电动势为60V，内阻不计，电阻R＝2Ω，电动机的内阻R0＝1.6Ω，电压表的示数为50V，电动机正常工作，求电动机的输出功率。答案：210W例14.A灯与B灯电阻相同，当变阻器滑片向下移动时，对两灯明暗程度的变化判断正确的是()A、A、B灯都变亮B、A、B灯都变暗C、A灯变亮，B灯变暗D、A灯变暗，B灯变亮BE、rsRBA五、闭合电路中的能量转化1．电源内部：其他形式的能转化为电能．同时，电源本身也有一定的电阻．电流流过时电源也会发热，消耗一部分电能．2．外电路：通过电场力做功，将电源输出的电能转化为其他形式的能量．3．表达式：IE＝IU＋I2r.4．物理意义：电源把其他形式的能量转化为电能的功率IE，等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和，闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体体现．六、闭合电路中的几种功率1．几种功率及相互关系电源的功率P电源的内耗功率P内电源输出功率P外普遍表达式纯电阻电路联系内容物理量P＝IEP内＝I2rP外＝IU外P＝I2(R＋r)P内＝I2rP外＝I2RP＝P内＋P外或IE＝I2r＋IU外例15.如图，电源电动势E＝10V，内阻r＝0.2Ω，标有“8V16W”的灯泡L恰好正常发光，电动机D线圈电阻R0＝0.15Ω，则电源的输出功率为()A．16WB．440WC．80WD．400W解析：选C.由E＝U外＋U内，U内＝E－U外＝(10－8)V＝2V，U内＝Ir，所以I＝U内r＝20.2A＝10A，电源的输出功率P出＝IE－I2r＝(10×10－102×0.2)W＝80W.例16．在如图所示的U－I图像中，直线Ⅰ为某一电源的路端电压与电流的关系图像，直线Ⅱ为某一电阻R的伏安特性曲线。用该电源与电阻R组成闭合电路。由图像判断正确的是()A．电源的电动势为3V，内阻为0.5ΩB．电阻R的阻值为1ΩC．电源的输出功率为4WD．电源的热功率为4WABC例17、如图所示，图线a是某一蓄电池组的伏安特性曲线，图线b是一只某种型号的定值电阻的伏安特性曲线．若已知该蓄电池组的内阻为2.0Ω,则这只定值电阻的阻值为______Ω。现用3只这种规格的定值电阻并联，作为该蓄电池组的外电路，则该蓄电池组所输出功率的是_______W。解：由图象可知蓄电池的电动势为20V。由斜率关系知外电阻阻值为6Ω。用3只这种电阻并联作为外电阻，外电阻等于2Ω，因此输出功率为50W。例18如图所示，电动势为E、内阻不计的电源与三个灯泡和三个电阻相接．只合上开关S1，三个灯泡都能正常工作．如果再合上S2，则下列表述正确的是()A．电源输出功率减小B．L1上消耗的功率增大C．通过R1上的电流增大D．通过R3上的电流增大C例19、在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路．当调节滑动变阻器R，使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5A和1.0V；重新调节R，使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0A和15.0V．求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻．【思路】(1)电动机不转时相当于纯电阻，由欧姆定律求线圈电阻．(2)根据能量守恒求电动机正常运转时的输出功率．【精讲精析】当电流表和电压表的示数为0.5A和1.0V时电动机停止工作，电路中只有电动机的内阻消耗电能，其阻值r＝U1I1＝1.0V0.5A＝2Ω.当电动机正常工作时，电流表、电压表示数分别为2.0A和15.0V，则电动机的总功率P总＝U2I2＝15.0×2.0W＝30.0W，线圈电阻的热功率P热＝I22r＝2.02×2W＝8.0W，所以P输出＝P总－P热＝30.0W－8.0W＝22.0W.【答案】22.0W2Ω【规律总结】非纯电阻电路中欧姆定律I＝U/R不成立.电功率、电热功率只能用P＝UI和P＝I2R求解．其他功率用能量关系处理．2.输出功率随外电阻R的变化关系电源的输出功率：P出＝UI＝RE2R＋r2＝E2R－r2R＋4r.由上式可以看出：(1)当R＝r时，电源的输出功率最大Pm＝E24r.(2)当R＞r时，随着R的增大输出功率越来越小．(3)当R＜r时，随着R的增大输出功率越来越大．(4)当P出＜Pm时，每个输出功率对应两个可能的外电阻R1和R2，且R1·R2＝r2.(5)P出与R的关系如图所示．例14电路图如图甲所示，图乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图像，滑动变阻器的最大阻值为15Ω，定值电阻R0＝3Ω。(1)当R为何值时，R0消耗的功率最大，最大值为多少？(2)当R为何值时，电源的输出功率最大，最大值为多少？[审题指导]解答本题时应把握以下三点：(1)由U－I图像求电源的电动势和内阻。(2)电路中的电流最大时，R0消耗的功率最大。(2)根据电源有最大输出功率的条件，求电源的最大输出功率。[答案](1)010.9W(2)4.5Ω13.3W如图所示，电路中电池的电动势E＝5V，内电阻r＝10Ω，固定电阻R＝90Ω,R0是可变电阻，在R0从零增加到400Ω的过程中，求：(1)可变电阻R0上消耗功率最大的条件和最大热功率；(2)电池的电阻r和固定电阻R上消耗的最小热功率之和；(3)R0调到多少时R上消耗的功率最大．【自主解答】(1)可变电阻R0上消耗的热功率：P0＝I2R0＝25R0－1002R0＋400R0－100Ω＝0时，P0最大，其最大值：P大＝25400W＝116W.(2)当电流最小时，电阻r和R消耗的热功率最小，此时R0应调到最大400Ω，内阻r和固定电阻R上消耗的最小热功率之和为P小＝(ER0＋R＋r)2(R＋r)＝0.01W.(3)R0＝0时，电路中的总电阻最小，因此电路中的电流最大，此时R上有最大功率即PR＝(ER＋r)2R＝5290＋102×90W＝0.225W.【答案】(1)100Ω116W(2)0.01W(3)00.225W【规律总结】当内、外电路电阻相等时，电源有最大输出功率，这个条件适用求变阻器上消耗的最大功率，不适用于求定值电阻上消耗功率的最大值．因为R0是可变电阻，不能当作电源内阻．当R0的阻值等于零时电路中会出现最大电流，而此时却是R的最大功率的条件．解析：选C.在合上S2之前，三灯泡都能正常工作，合上S2之后，电路中的总电阻R总减小，则I总增大，即流过R1的电流增大，由于不计内阻，电源的输出功率P出＝EI，可见电源的输出功率增大，A错误；R1两端的电压增大，则并联部分的电压减小，通过L1和R3的电流都减小，L1上消耗的功率减小，可见C正确．课标定位学习目标：1.能从能量转化的角度理解电功、电热和电功率的含