2019-2020学年高中物理 第二章 恒定电流 第5节 焦耳定律课件 新人教版选修3-1

第5节焦耳定律自主学习课堂探究课堂达标自主学习学习目标1.知道电流做功的实质,知道电流做功对应的能量转化。2.会推导电功和电功率的表达式。3.知道在纯电阻电路中,电能全部转化为导体的内能。4.知道焦耳定律,会用焦耳定律推导导体热功率的表达式。5.会计算电路中的电功、电功率、电热、热功率。电功电功率概念静电力对定向移动的所做的功单位时间内所做的功公式W=P=Wt=单位,符号是,简称,符号是物理意义描述转化为其他形式的能的多少描述电流的快慢教材提炼一、电功和电功率自由电荷电流IUtIU焦耳J瓦特瓦W电能做功二、焦耳定律和热功率1.焦耳定律(1)内容:电流通过导体产生的热量跟电流的成正比,跟导体的.及成正比。(2)表达式:Q=I2Rt。2.热功率(1)意义:表示电流发热的物理量。二次方电阻通电时间快慢(2)定义:单位时间内的。发热量(3)公式:P=Qt=I2R。自我反馈1.(2018·浙江名校协作体联考)如图所示,在马蹄形磁铁中间放有金属导轨,一金属棒放在导轨上,通电后会运动,这一现象的实验原理跟下列家用电器主要原理一样的是()C解析:示意图中是通电电流在磁场中受到的安培力,答案中A,B是通电电流发热,D是微波使得水分子共振发热,C是通电后线圈在磁场中受力,所以答案为C。2.如图所示是某一用电器的铭牌。从铭牌上的信息可推断该铭牌对应的用电器可能是()A.电风扇B.电饭煲C.电熨斗D.电热水壶A解析:根据铭牌读出用电器的额定功率为24W,选项中电饭煲、电熨斗、电热水壶都是大功率用电器,只有电风扇的功率较小,故A正确。3.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12P1D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=IU,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=2243URR=2UR,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=2UR×3R2=3U,故A错误;两个电阻消耗的总功率P=U'I=4U·2UR=12P1,故D正确。4.(2018·浙江“超级全能生”联考)电动机是把电能转化成机械能的一种设备,在工农业、交通运输、国防及家电、医疗领域广泛应用。图示表格是某品牌电动机铭牌的部分参数,据此信息,下列说法中不正确的是()A.该电动机的发热功率为110WB.该电动机转化为机械能的功率为1100WC.该电动机的线圈电阻R为4.4ΩD.该电动机正常工作时每分钟对外做的功为5.94×104JB型号YE3-132S2-2编号521780额定功率1100W额定电压220V额定电流5.0A额定转速2900r/min效率90.0%频率50Hz解析:由铭牌信息知,电动机工作的额定功率P总=UI=1100W,热功率P热=10%P总=110W,输出功率P机=90%P总=990W,电动机每分钟对外所做的功W=P机t=5.94×104J,由P热=I2R解得电动机线圈电阻R=4.4Ω,故A,C,D正确,B错误。课堂探究要点突破【例1】如图所示,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?要点一电功、电功率的计算解析:(1)电动机和电阻串联,电流相等,电阻R两端电压UR=U-UV=50V通过电动机的电流I=RUR=5A。答案:(1)5A(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?向外输出的机械能是多少?解析:(2)输入到电动机的电功率P=UVI=550W。(3)电动机中发热的功率P热=I2r=15W(4)电动机工作1h所产生的热量Q=I2rt=5.4×104J输出的机械能E输=UVIt-I2rt=1.926×106J。答案:(2)550W(3)15W(4)5.4×104J1.926×106J规律方法电功(电功率)与电热(热功率)的关系电功是减少的电势能的量度,因此不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路,W=IUt(P=IU)都是成立的。电热是电流流经电路时,在电路中引起的发热现象,是被电功所转换的电势能中的一部分,计算电热的公式Q=I2Rt(P=I2R)。对于非纯电阻电路,消耗的电能一部分转化为内能,一部分转化为其他形式的能,即消耗的电能W=I2Rt(电热)+其他形式的能。因此电功率P=IU≠I2R≠2UR,只有在纯电阻电路中,才有P=IU=I2R=2UR和W=IUt=I2Rt=2URt。总之,用IUt来计算电功,在任何条件下都是可以的,用I2Rt来计算电热,在任何条件下都是可以的;只有在纯电阻电路中才有W=IUt=I2Rt=2URt。针对训练1:(2018·浙江嘉兴期末)如图所示为一台冬天房里取暖用的暖风机。其内部电路可简化为加热电阻丝与电动机串联,电动机带动风叶转动,将加热后的热空气吹出。设电动机的线圈电阻为R1,电阻丝的电阻为R2,将暖风机接到额定电压为U(有效值)的交流电源上,正常工作时,电路中的电流有效值为I,电动机、电阻丝、暖风机消耗的电功率分别为P1,P2,P,则下列关系式正确的是()A.P1=I2R1B.P2I2R2C.P=UID.P=I2(R1+R2)C解析:电吹风机消耗的电功率P是总的功率,总功率的大小为P=IU,故C正确;电动机两端的电压为U'=U-IR2,电动机消耗的电功率为P1=U'I=UI-I2R2,故A错误;电阻丝是纯电阻,所以消耗的电功率P2=I2R2,故B错误;因为电动机是非纯电阻,所以暖风机消耗的电功率PI2(R1+R2),故D错误。要点二【例2】(2018·浙江名校新高考研究联盟第一次联考)如图所示是某款锂电池电动自行车的铭牌。已知该车行驶时所受的阻力为总重力的0.1倍。根据铭牌信息,下列说法正确的是()A.充电电流大约为11.1AB.该电池储存的总能量为561.6JC.若车轮被卡住不能转动,则该电机消耗的功率也为400WD.一体重为50kg的女生在平直公路上匀速骑行该车时的最大速率约为21km/h纯电阻电路与非纯电阻电路型号36V400W15.6Ah充电时间5～6小时续航40～50公里可否折叠是电压功率36V400W净重18.3kg电池容量15.6Ah车身材质铝合金电池寿命充电1000次/5年可载重200kgD解析:电池容量为15.6Ah,最短时间5h充好电,所以充电电流大约为3.1A,选项A错误;充好电之后,储存总能量W=QU=15.6×3600×36J=2.0×106J,选项B错误;如果车轮卡住不动,则电机能量完全转化为内能,其发热功率将会远远超过400W,所以选项C错误;50kg的女生的阻力约为f=0.1G=0.1×(50+18.3)×10N=68.3N,根据P=Fv可知,v=40068.3m/s≈5.86m/s≈21km/h,选项D正确。规律方法非纯电阻电路的解答思路(1)像有电动机这样的非纯电阻用电器的电路,要注意区分电功率和热功率,电功率用P总=IU计算,热功率P热=I2R,机械功率P机=P总-P热。(2)在非纯电阻电路中,一定要注重电路中电流的求解,特别是在纯电阻上寻找满足欧姆定律的关系。(3)注意搞清楚电路中的能量转化关系,用能量守恒定律来分析问题。针对训练2: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;当重新调节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。则有关这台电动机正常运转时的说法正确的是()A.电动机的内阻为7.5ΩB.电动机的内电阻发热功率为8.0WC.电动机的输出功率为30WD.电动机的效率约为27%B解析:当电流表和电压表的示数分别为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=11UI=1.00.5Ω=2.0Ω,选项A错误;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,则电动机的内电阻发热功率P热=21Ir=2.02×2W=8.0W,选项B正确;电动机的总功率P总=U2I2=15.0V×2.0A=30.0W,所以电动机的输出功率P输出=P总-P热=30.0W-8.0W=22.0W,选项C错误;电动机的效率η=PP输出总=22.0W30.0W×100%≈73.3%,选项D错误。教材探究教材P53电流通过白炽灯、电炉等电热元件做功时,电能全部转化为内能。额定电压相同的灯泡,额定功率越大,电阻越小,正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律,电阻越大,单位时间内产生的热量越多。二者似乎矛盾,这是怎么回事?答案:前者说电阻越小,正常工作时单位时间内产生的热量越多,前提条件是电压相同;而后者说,电阻越大,单位时间内产生的热量越多,前提条件是电流相同,两者并不矛盾。所以在应用公式时应该特别注意前提条件。课堂达标1.下列家用电器中,正常工作时电能几乎全部直接转化为内能(热能)的是()A.电风扇B.电饭煲C.吸尘器D.洗衣机B解析:电风扇、吸尘器、洗衣机为非纯电阻用电器,电饭煲为纯电阻用电器,消耗的电能直接转化为内能。2.下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中错误的是()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.电功W=IUt适用于任何电路,而W=t只适用于纯电阻电路C.在非纯电阻电路中,IUI2RD.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路A2UR解析:由于功率表示做功的快慢,在公式P=IU中功率越大,电流做功越快。对于一段电路,有P=IU,I=PU,焦耳热Q=(PU)2Rt,可见Q与P,U,t都有关,所以,P越大,Q不一定越大,选项A错误;W=IUt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,选项B正确;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IUI2R,选项C正确;Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路中产生的焦耳热,选项D正确。3.标有“6V6W”和“6V3W”的灯泡L1和L2串联接在某电源上,设灯丝电阻不变,则()A.通过灯L1,L2的电流之比为2∶1B.灯L1,L2的实际功率之比为2∶1C.电源电压为12V时,灯L1,L2均正常发光D.电源电压为9V时,灯L2正常发光D解析:L1和L2串联接在电路中,电流相等。L1的电阻R1=21UP额额=6Ω,L2的电阻R2=2UP额2额=12Ω。电阻之比R1∶R2=1∶2,所以分压关系U1∶U2=1∶2,通过两灯的电流相等,所以功率之比P1∶P2=(I2R1)∶(I2R2)=R1∶R2=1∶2。当电源电压为12V时,可得U1=4V,U2=8V。电压均不是额定电压,都不能正常发光。当电源电压为9V时,U1=3V,U2=6V,L2正常发光。所以正确选项应是D。4.(2018·浙江名校协作体高三开学考试)如图所示为某家庭使用的智能电饭煲的铭牌。假定该家庭用此电饭煲每天煮饭两次,每次在额定功率下工作30分钟,电价1kW·h为0.54元。则该电饭煲()A.工作时的额定电流为0.41AB.保温时的电流为0.2AC.每次煮饭需消耗电能4.5kW·hD.一年因煮饭而产生的电费约为177元D解析:正常工作时,工作电流I=PU≈4.1A,选项A错误;保温时功率为30W,即保温电流I'=PU≈0.14A,选项B错误;每次煮饭消耗电能W=0.9kW×12h=0.45kW·h,选项C错误。每年煮饭电费M=W×2×365×0.54≈177元,选项D正确。5.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。