2019-2020学年高中物理 第二章 直流电路 第6节 焦耳定律 电路中的能量转化课件 教科版选修

第二章直流电路第6节焦耳定律电路中的能量转化[课标解读]1.知道并理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系.3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别.4.明确闭合电路中的功率及能量转化．01课前自主梳理02课堂合作探究03核心素养提升04课后巩固提升课时作业一、电功和电功率1．电功(1)定义：电流在一段电路上所做的功，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______．(2)公式：W＝______．(3)单位：______，符号为______．(4)实质：电流通过一段电路所做的功，实质上是电场力在这段电路中所做的功．乘积UIt焦耳J2．电功率(1)定义：电流做的功与做这些功所用时间的比值．它在数值上等于单位时间内电流所做的功．(2)公式：P＝Wt＝______．(3)单位：______，符号为______．(4)物理意义：表示电流做功的快慢．UI瓦特W[判断](1)电功与能量的单位都是焦耳，电功就是电能．()(2)电功与电能不同，电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程．()(3)电功率越大，表示电流做功越多．()答案：(1)×(2)√(3)×二、焦耳定律和热功率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．(2)表达式：Q＝______．(3)适用范围：可求任何电路中产生的焦耳热．2．热功率(1)定义：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．(2)公式：P热＝_______＝______．I2RtI2RQt三、电路中的能量转化2．外电路上的能量转化：通过电流做功将电源输出的_____能转化为__________的能，即P外＝_____．3．两者之间的关系：由__________定律可知P＝P内＋P外，即EI＝I2r＋UI，进一步化简可得E＝U＋Ir，可见____________________实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体表现．电其他形式UI能量守恒闭合电路欧姆定律[判断](1)在非纯电阻的电路中UI＜I2R.()(2)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．()(3)在使用电源时，绝对不可以让电源短路，以免造成电源的损坏，甚至引起火灾．()答案：(1)×(2)×(3)√要点一电功与电热的比较1．两种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＝UR不服从欧姆定律UIR或IUR能量转化电流做功，电能全部转化为电热电流做功，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.电功与电热的计算公式比较纯电阻电路非纯电阻电路电功W＝IUt＝I2Rt＝U2RtW＝IUt电热Q＝IUt＝I2Rt＝U2RtQ＝I2Rt电功率P＝IU＝I2R＝U2RP＝IU热功率P＝IU＝I2R＝U2RP＝I2R[特别提醒]不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电功时都可以用W＝UIt，功率都可以用P＝UI，热量都可以用Q＝I2Rt，热功率都可以用P＝I2R，若用变形式时，需要考虑是否是纯电阻电路．[例1]规格为“220V36W”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，求电动机消耗的功率和发热的功率．[思路点拨]排气扇的发热功率P热＝I2R，机械功率P机＝P电－P热．[解析](1)排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为I＝PU＝36220A≈0.16A，发热功率为P热＝I2R＝(0.16)2×40W≈1W.转化为机械能的功率为P机＝P－P热＝36W－1W＝35W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为I′＝UR＝22040A＝5.5A，电动机消耗的功率即电功率等于发热功率P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5W＝1210W.[答案](1)35W1W(2)1210W1210W解答有关电动机问题时应注意(1)当电动机不转时可以看成纯电阻电路，P＝UI＝I2R＝U2R均成立．(2)当电动机正常工作时，是非纯电阻电路．P电＝UIP热＝I2R，U≠IR且UIR.(3)输入功率指电动机消耗的总功率．热功率是线圈上的电阻的发热功率．输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率．三者的关系UI＝I2R＋P机．1．将两个定值电阻R1、R2并联在电压为U的电源两端，R1消耗的功率为P1，R2消耗的功率为3P1，当把它们串联在电压为4U的电源两端时，下列说法正确的是()A．R1两端的电压为UB．R2消耗的功率变小C．通过R2的电流变小D．两个电阻消耗的总功率为12P1解析：当R1、R2并联在电压为U的电源两端时，两电阻两端的电压为U，根据P＝UI，功率之比等于电流之比，根据并联电路电流和电阻的关系，可知：R1＝3R2；当把它们串联在电压为4U的电源两端时，电路中的电流I＝4U3R2＋R2＝UR2，故通过R2的电流不变，电压不变，所以R2的电功率不变，仍为3P1，故B、C错误；R1两端的电压U1＝IR1＝UR2×3R2＝3U，故A错误；两个电阻消耗的总功率P＝U′I＝4U·UR2＝12P1，故D正确．答案：D2．一个电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220V的交流电源上(电源内阻忽略不计)，均正常工作．用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0A，通过洗衣机电动机的电流是0.50A，则下列说法中正确的是()A．电饭煲的电阻为44Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440ΩB．电饭煲消耗的电功率为1555W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5WC．1min内电饭煲消耗的电能为6.6×104J，洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103JD．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍解析：由于电饭煲是纯电阻用电器，所以R1＝UI1＝44Ω，P1＝UI1＝1100W，其在1min内消耗的电能W1＝UI1t＝6.6×104J，洗衣机为非纯电阻用电器，所以R2≠UI2＝440Ω，P2＝UI2＝110W，其在1min内消耗的电能W2＝UI2t＝6.6×103J，其热功率P热≠P2，而P1＝10P2，所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍，只有选项C正确．答案：C(1)W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路．而I＝UR只适用于纯电阻电路；(2)在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以WQ，即UII2R，Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热．要点二有关电源的功率和效率1．各部分功率关系分析由EIt＝I2Rt＋I2rt知，EI＝I2R＋I2r其中EI为电源的总功率，I2r为电源内耗功率，I2R为外电路消耗功率，也是电源的输出功率．2．电源的最大输出功率讨论当外电路为纯电阻电路时讨论如下：(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.(2)P出对外电阻R的函数关系图像图像如图所示，从图看出当Rr时，若R增大，P出增大；当Rr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.(3)P出对电流I的函数关系及图像P出＝EI－I2r＝－r(I－E2r)2＋E24r，图像如图所示，由图像可知对于同一电源，当输出电流增大(或减小)时，电源的输出功率不一定增大(或减小)．(4)电源的效率η＝P外P＝IU外IE＝U外E＝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，η＝50%，此时电源的效率并不最高．[特别提醒](1)要注意电源的最大输出功率与某一个定值电阻消耗功率最大的区别，定值电阻消耗功率最大是当通过它的电流最大的时候．(2)判断可变电阻的功率变化时，可将可变电阻以外的其他电阻均看做内阻．[例2]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？[思路点拨]求解本题应把握以下三点：(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．(3)利用电源有最大输出功率的条件，求电源的最大输出功率．[解析](1)由题干乙图知电源的电动势和内阻为E＝20V，r＝7.5Ω.由题图甲分析知道，当R＝0时，R0消耗的功率最大，最大为P＝(ER0＋r)2R0＝(203＋7.5)2×3W≈10.9W.(2)当r＝R＋R0，即R＝4.5Ω时，电源的输出功率最大，最大值为P＝(ER0＋R＋r)2(R0＋R)＝(203＋4.5＋7.5)2(3＋4.5)W≈13.3W.[答案](1)010.9W(2)4.5Ω13.3W(1)定值电阻消耗功率最大时通过的电流一定最大．(2)求可变电阻消耗的最大功率时，可将固定电阻等效为电源内阻处理．(3)不要死记电路中内、外电阻相等时电源有最大输出功率的条件，由于题目条件的限制，不一定存在这个状态，由电源的输出功率随R的变化图线可知，外电路阻值越接近内电阻时，电源的输出功率越大．1．电源的效率η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，电源效率较高解析：电源的效率η＝UIEI＝UE，由题中图像可知两电源的电动势相同，A与C交点处电压大于B与C交点处电压，则R接到电源a上效率较高；电源输出功率P＝UI，由题中图像易得R接到电源a上输出功率较大，A、B、D错误，C正确．答案：C2．如图所示是一直流电动机工作时的电路图．电动机内阻r＝0.8Ω，电路中另一电阻R＝10Ω，直流电压U＝160V，电压表示数UV＝110V．试求：(1)通过电动机的电流；(2)输入电动机的电功率；(3)电动机输出的机械功率．解析：(1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压UR＝U－UV＝(160－110)V＝50V通过电阻R的电流IR＝URR＝5010A＝5A即通过电动机的电流IM＝IR＝5A.(2)电动机的分压UM＝UV＝110V输入电动机的功率P入＝IM·UM＝550W.(3)电动机的发热功率P热＝I2Mr＝20W电动机输出的机械功率P出＝P入－P热＝530W.答案：(1)5A(2)550W(3)530W电动机的功率电动机的总功率(输入功率)：P入＝UI电动机的热功率：P热＝I2r.电动机的输出功率(机械功率)：P出＝UI－I2r电动机的效率：η＝P出P入＝UI－I2rUI＝1－IrU.说明：注意区分电动机的几种功率，从能量守恒角度去分析和考虑电动机问题．串、并联电路中电功率的分析与计算对于由纯电阻组成的串联和并联电路，相关电功率的分析如下：串联电路并联电路功率与电阻的关系通过各电阻的电流I相同，根据P＝I2R，P与R成正比各电阻两端的电压U相同，根据P＝U2R，P与R成反比总功率P总＝U总I＝(U1＋U2＋U3…)I＝P1＋P2＋P3…P总＝UI总＝U(I1＋I2＋I3…)＝P1＋P2＋P3…结论无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于电路中各电阻消耗的功率之和[特别提醒]求解串、并联电路中的