第1节-电路中的能量转化

第1节电路中的能量转化核心素养物理观念科学思维科学探究1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念。2.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别。1.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系，并能进行有关的计算。2.了解公式Q＝I2Rt(P＝I2R)、Q＝U2tR(P＝U2R)的适用条件。3.通过有关实例，让学生理解非纯电阻电路中的能量转化关系。1.探究电功与电流、电压、时间的关系。2.探究电功、电热与其他形式的能在非纯电阻电路中转化的关系。知识点一电功和电功率[观图助学]电吹风工作时，将电能转化为什么能？电风扇工作时，将电能转化为什么能？电熨斗工作时，将电能转化为什么能？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U、电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。(2)公式：W＝IUt(3)单位：焦耳，符号为J。常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1kW·h＝3.6×106J。2.电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功。(2)公式：P＝Wt＝UI。(3)单位：瓦特，符号为W。(4)意义：表示电流做功的快慢。[思考判断](1)电流做功的过程中，电能转化为其他形式的能。(√)(2)电功W＝UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功。(√)(3)电流通过用电器时，电流做的功越多，说明用电器的电功率越大。(×)(4)电功率越大，电流做功一定越快。(√)知识点二焦耳定律[观图助学]用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？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)表达式：Q＝I2Rt。2.热功率(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率。(2)表达式：P＝I2R。(3)物理意义：表示电流发热快慢的物理量。[思考判断](1)电热Q＝I2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热。(√)(2)根据电功的公式和欧姆定律可以推导出电热的公式，因此电功和电热是完全相同的。(×)(3)Q＝I2Rt适用于任何电路求热量。(√)知识点三电路中的能量转化[观图助学]标有“220V40W”的白炽灯泡和“220V40W”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？1.两种电路(1)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。(2)含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能。2.电动机的功率和效率(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P入＝UI。(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2r。(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率，P出＝IU－I2r。(4)电动机的效率：η＝P出P入×100%＝IU－I2rIU×100%。[思考判断](1)电动机是非纯电阻用电器，所以在任何情况下，都不能将电能全部转化为内能。(×)(2)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热。(√)电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的变化量，标志着电能转化为其他形式能的多少。电流做功一方面与实际功率有关，另一方面还与通电时间有关，只有实际功率与时间乘积越大时，电流做功才越多，因此用电器额定功率越大接在电路中电流做的功不一定越多。电烤箱是焦耳定律的一个实际应用。电烤箱可以把电能转化为内能，并且时间越长，产生的热量越多，所以不小心的话面包就会被烤糊。含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。两种电路的功、热关系纯电阻电路非纯电阻电路电流、电压和电阻三者间的关系遵循欧姆定律，I＝UR不遵循欧姆定律，I＜UR能量转化规律电流做功将电能全部转化为内能，即W＝Q＝UIt＝I2Rt＝U2Rt电流做功将电能转化为内能和其他形式的能，电功W＝UIt，而电热Q＝I2Rt，即W＝Q＋W其他＞Q功率关系电功率等于热功率，即P电＝P热＝UI＝I2R＝U2R电功率P电＝UI，热功率P热＝I2R，P电＝P热＋P其他元件举例电阻、电炉丝、白炽灯等电动机、电解槽、电风扇等核心要点对电功、电功率的理解[观察探究](1)如图所示，电路中电流为I，通电时间为t，那么在这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量是多少？如果这段电路两端的电势差是U，静电力做的功是多少？(2)电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是否相同，两者间有何关系？答案(1)ItIUt(2)不相同。电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少。电流做功的快慢用电功率表示，电流做功的多少用电功表示。电流做功的多少与做功的时间和做功的快慢有关。[探究归纳]1.对电功的理解(1)从力的角度看，电流做功的实质是静电力对自由电荷做功。(2)从能的角度看，电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少。(3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用。2.对电功率的理解(1)电功率P＝Wt＝UI对任何电路都适用。(2)额定功率和实际功率①额定功率：用电器正常工作时所消耗的功率，也是用电器两端电压为额定电压(或通过的电流为额定电流)时消耗的电功率。用电器铭牌上所标的功率即为额定功率。②实际功率：用电器实际工作时消耗的电功率。为了保证用电器不被损坏，要求实际功率不能大于其额定功率。[试题案例][例1]一根电阻丝在通过2C的电荷量时电流所做的功为8J，若在相同的时间内通过4C的电荷量，求：(1)电阻丝上的电流所做的功；(2)电流做功的功率是原来的几倍。解析(1)设电阻丝的电阻为R，由q＝It得I2I1＝q2q1，由W＝I2Rt得W2W1＝I22I21＝q22q21，所以W2＝4W1＝32J。(2)由电功率P＝Wt得P2P1＝W2W1＝4(倍)。答案(1)32J(2)4倍[针对训练1]一个电阻接入某电路后，消耗的功率为110W，通过3C的电荷量时，有330J的电能转化为内能，则下列说法错误的是()A.电阻两端所加电压为330VB.通过电阻的电流为1AC.电阻通电时间为3sD.这个电阻的阻值为110Ω解析由W＝qU知，电阻两端所加电压U＝Wq＝110V，A错误；由P＝IU得I＝PU＝1A，B正确；由W＝Pt得通电时间t＝WP＝3s或t＝qI＝31s＝3s，C正确；由R＝UI，得R＝110Ω，D正确。答案A核心要点纯电阻电路中的电功率的分析与计算[观察探究]甲、乙两只普通照明灯泡的铭牌如图所示。现将两灯泡串联接在电路中，两灯泡均发光，则两灯泡哪一个较亮？若将两灯泡并联接在电路中，两灯泡均发光，哪一个较亮？答案两灯泡串联时甲灯较亮；两灯泡并联时，乙灯较亮。[探究归纳]1.在纯电阻电路中，由于W＝Q，I＝UR，所以有UI＝I2R＝U2R。2.串、并联电路中的功率关系串联电路并联电路功率分配P1P2＝R1R2P1P2＝R2R1总功率P＝P1＋P2＋…＋PnP＝P1＋P2＋…＋Pn从能量转化的角度看，无论是串联电路还是并联电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电路消耗的总功率均等于电路中各部分消耗的功率之和。3.额定功率和实际功率(1)用电器正常工作时所消耗的电功率叫作额定功率。当实际电压达到额定电压时，实际功率等于额定功率。(2)为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率。特别提醒：(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关系还是反比关系。(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。[试题案例][例2]把两根电阻相同的电热丝先串联后并联分别接在同一电源上，若要产生相等的热量，则两种方法所需的时间之比t串∶t并为()A.1∶1B.2∶1C.4∶1D.1∶4解析设每根电热丝电阻为R0，则R串＝2R0，R并＝R02。由Q＝W＝U2Rt得t串∶t并＝4∶1。答案C[例3]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(1)两电灯均正常发光时，其电压必为额定电压。(2)滑动变阻器消耗的功率最小时电路总功率就最小。解析对灯泡有P＝UI＝U2R，可知RA＜RB，对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，则有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)×110V，而D电路中变阻器功率为(IA＋IB)×110V，所以C电路消耗电功率最小。答案C[针对训练2]把家用电炉的电热丝剪去一小段后，继续使用，则在同样的时间内()A.由Q＝I2Rt可知，电炉的发热量减小B.由Q＝UIt可知，电炉的发热量不变C.由Q＝U2Rt可知，电炉的发热量增大D.无法确定解析将家用电炉的电热丝剪去一小段后，其电阻R变小，由于加在电炉两端的电压U不变，因此由公式Q＝U2Rt可知，在相同时间t内，电炉的发热量Q增大，选项C正确。答案C[针对训练3](多选)如图所示，L1、L2是两个规格不同的灯泡，当它们如图连接时，恰好都能正常发光，设电路两端的电压保持不变，在将滑动变阻器的滑片P向右移动的过程中，下列判断正确的是()A.滑动变阻器两端电压变大B.通过滑动变阻器的电流变小C.L1变暗，L2变亮D.L1变亮，L2变暗解析当滑动变阻器的滑片P向右移动时，滑动变阻器连入电路的电阻增大，总电阻增大，总电流减小，L1灯两端电压减小，L1灯变暗，L2和滑动变阻器两端电压增大，通过L2的电流增大，L2灯变亮，通过滑动变阻器的电流减小，故选项A、B、C正确，D错误。答案ABC核心要点非纯电阻电路中的电功率、热功率的分析与计算[观察探究]如图所示为一正常工作的电动机，其工作电压为220V。(1)电动机消耗的电能会全部转化为线圈产生的内能吗？(2)其工作电压是线圈两端电压吗？答案(1)一部分转化为内能。(2)不是。其工作电压大于线圈两端电压。[探究归纳]1.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路举例白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅电动机、电解槽能量转化情况电功和电热W＝Q即W＝Q＋E其他的关系IUt＝I2RtUIt＝I2Rt＋E其他电功率和热功率的关系P＝P热即IU＝I2RP＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他欧姆定律是否成立U＝IR，I＝UR，欧姆定律成立U＞IR，I＜UR，欧姆定律不成立说明W＝UIt、P电＝UI适用于任何电路计算电功和电功率Q＝I2Rt、P热＝I2R适用于任意电路计算电热和热功率只有纯电阻电路满足W＝Q，P电＝P热；非纯电阻电路WQ，P电P热2.电功率与热功率的区别与联系(1)区别：电功率是指某段电路的总功率，即这段电路上消耗的全部电功率，表示电流在一段电路中做的功等于这段电路两端的电压U和通过这段电路的电流I的乘积，P电＝UI。热功率是指元件(导体)因发热而消耗的功率，电流通过元件发热的功率等于通过元件(导体)的电流的平方与电阻的乘积，P热＝I2R。(2)联系：对纯电阻电路，电功率等于热功率；对非纯电阻电路，电功率等于热功率与转化为除内能外其他形式的能的功率之和。[试题案例][例4](多选)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适用于任何电路解析电功率公式P＝Wt，表示电功率越大，电流做功越快。对于一段电路，