【金识源】2015年沪科版物理课件(选修3-1)第4章《电路中的能量转化与守恒》

第4章探究闭合电路欧姆定律学案4电路中的能量转化与守恒123理解电功、电功率的概念与公式并能进行相关计算.掌握焦耳定律并熟练区分纯电阻电路、非纯电阻电路中热量的计算.明确闭合电路的效率与功率，能分析闭合电路电源的最大输出功率.学案4电路中的能量转化与守恒一、电功与电热关系的分析1.(1)电流(2)UIt(3)UI2.(1)电热(2)平方正比正比I2Rt(3)电热(4)Q/tI2R二、闭合电路中的能量转化与守恒1.EIUIU内I2.EI3.UI一、电功和电功率[要点提炼]1．电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少量．2．电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功．3．电功常用的单位还有：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1kW·h＝3.6×106J.4．电功率P＝W/t＝IU，表示电流做功的快慢．二、焦耳定律[要点提炼]1.在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为其他形式的能.2.纯电阻电路中：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝U2Rt；P＝P热＝UI＝I2R＝U2R.3.非纯电阻电路中：W＝UIt＝Q＋E其他Q＝I2Rt；P＝UI＝I2R＋P其他P热＝I2R.三、闭合电路中的能量转化与守恒[要点提炼]1.电路中的能量关系为：IE＝UI＋I2r.其中IE为电源的总功率，UI为电源的输出功率，I2r为内阻上消耗的热功率.2.若外电路是纯电阻电路，电路中的能量关系可写成IE＝I2R＋I2r.3.电源的效率η＝UIEI×100%＝UE×100%.[延伸思考]1.在一个闭合电路中电源的输出功率与外电阻之间有怎样的关系(纯电阻电路)？什么时候电源的输出功率最大？答案电源的输出功率是指外电路消耗的功率.当外电路为纯电阻电路时，(1)电源的输出功率P出＝I2R＝E2R＋r2R＝E2RR－r2＋4Rr＝E2R－r2R＋4r，由此可知当R＝r时，电源有最大输出功率P出max＝E24r.[延伸思考]1.在一个闭合电路中电源的输出功率与外电阻之间有怎样的关系(纯电阻电路)？什么时候电源的输出功率最大？(2)P出与外电阻R的函数关系图像如图所示，从图中看出当R＜r时，若R增大，P出增大；当R＞r时，若R增大，P出减小.对一个确定的电源，除R＝r外，外电阻有两个值对应的输出功率相等，即(ER1＋r)2R1＝(ER2＋r)2R2，化简后得到这两个阻值的关系为R1R2＝r2.2.电源的效率与外电阻有怎样的关系？输出功率最大时，电源的效率也最高吗？答案η＝P出P＝IUIE＝UE＝IRIR＋r＝RR＋r＝11＋rR，可见，外电阻R越大，电源的效率越高，当电源有最大输出功率时R＝r，η＝50%，此时电源的效率并不是最高.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＝U2Rt只适用于纯电阻电路C.在非纯电阻电路中，UII2RD.焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路一、电功、电热电功率、热功率例1快不一定多，还与时间有关定义式UI=P电P热=I2R定义式BCD例2二、非纯电阻电路的计算例2一台电风扇，内阻为20Ω，接上220V电压后，消耗的功率为66W.求：(1)电风扇正常工作时通过风扇电动机的电流强度；(2)电风扇正常工作时转化为机械能的功率和内能的功率以及电动机的效率；(3)若接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，则此时通过电动机的电流是多大？电动机消耗的电功率和发热功率各是多大？解析(1)由P入＝IU得I＝P入U＝66220A＝0.3A(2)电风扇正常工作时转化为内能的功率P内＝I2r＝0.32×20W＝1.8W电风扇正常工作时转化为机械能的功率P机＝P入－P内＝66W－1.8W＝64.2W电风扇正常工作时电动机的效率η＝P机P入×100%＝64.266×100%≈97.3%例2(3)电风扇扇叶被卡住后通过电动机的电流I′＝Ur＝22020A＝11A电动机消耗的电功率P＝I′U＝11×220W＝2420W电动机发热功率P热＝I′2r＝112×20W＝2420W.答案(1)0.3A(2)64.2W1.8W97.3%(3)11A2420W2420W二、非纯电阻电路的计算例2一台电风扇，内阻为20Ω，接上220V电压后，消耗的功率为66W.求：(1)电风扇正常工作时通过风扇电动机的电流强度；(2)电风扇正常工作时转化为机械能的功率和内能的功率以及电动机的效率；(3)若接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，则此时通过电动机的电流是多大？电动机消耗的电功率和发热功率各是多大？例2三、电源的输出功率和效率例3如图所示，电路中E＝3V，r＝0.5Ω，R0＝1.5Ω，变阻器R的最大阻值为10Ω.(1)在变阻器的阻值R为多大时，变阻器上消耗的功率最大？最大为多大？(2)在变阻器的阻值R为多大时，定值电阻R0上消耗的功率最大？最大为多大？解析(1)此种情况可以把R0归入电源内电阻，这样变阻器上消耗的功率，也就是电源的输出功率.即当R＝r＋R0＝2Ω时，R消耗功率最大为：Pm＝E24R＝324×2W＝98W.(2)定值电阻R0上消耗的功率可以表达为：P＝I2R0，因为R0不变，当电流最大时功率最大，此时应有电路中电阻最小，即当R＝0时R0上消耗的功率最大：Pm′＝E2R0＋r2R0＝321.5＋0.52×1.5W＝278W.答案(1)2Ω98W(2)0278W1．(功率P＝UI，P＝I2R，P＝U2R的区别)关于三个公式P＝UI，P＝I2R，P＝U2R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BC2．(非纯电阻电路)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的功率UIR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝UII2R.U＝IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R.ABD3.(热功率的计算)一台电动机，额定电压是100V，电阻是1Ω.正常工作时，通过的电流为5A，则电动机因发热损失的功率为()A.500WB.25WC.1000WD.475W解析电动机的热功率P＝I2r＝52×1W＝25W，B正确，A、C、D错误.B4.(闭合电路的功率和效率)电源的效率η定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率之比，如图所示，直线A为电源a的路端电压与电流的关系图线，直线B为电源b的路端电压与电流的关系图线．直线C为电阻R两端的电压与电流的关系图线，将这个电阻R分别接到a、b两电源上，那么()A．R接到电源a上，电源的效率较低B．R接到电源b上，电源的输出功率较大C．R接到电源a上，电源的输出功率较大，电源效率较高D．R接到电源b上，电源的输出功率较小，电源效率较高E相等交点：UA＞UBC知识储备学习探究自我检测学习目标