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文本内容:
电路中的能量转化与守恒【学习目标】了解电功的概念,掌握电功和电功率的计算公式
1.了解电功率和热功率的区别和联系
2.了解闭合电路中功率分配关系,并进行相应计算
3.【学习重点】了解电功的概念,掌握电功和电功率的计算公式【学习难点】了解电功率和热功率的区别和联系【学习过程】预习导学新知探究
一、电功与电热关系的分析电功和电功率的普遍表达式
1.)电功(1
①定义在导体两端加上电压导体就会产生电场,导体中的自由电荷在电场力作用下发生定向移动而形成电流在这一过程中,电场力对电荷做功,这个功叫做电功
②公式W=qU=UIt
③国际单位焦耳(符号J)()电功率2
①定义单位时间内电流所做的功叫做电功率w
②公式是计算电功率普遍适用的公式P=y=Ul,
③单位(符号亚)W电功与电热
2.()焦耳定律1
①内容电流通过导体产生的热量跟电流的壬左成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比W
②公式Q=I2Rt电动机是将电能转化为机械能的设备,下列使用了电动机的电器是()
1.电风扇电热毯A.B.日光灯家用电热水壶C.D.解析选在各电器中,使用了电动机将电能转化为机械能的电器有电风扇,电热毯、家A用电热水壶利用了电流的热效应,日光灯是将电能转化为光能和内能,故正确,、、错A B C D误如表为某电热水壶铭牌上的一部分内容,根据表中的信息,可计算出电热水壶在额定电压
2.下以额定功率工作时的电流约为()型号额定功率DF-938900W额定电压额定容量220V
1.2LA.
6.8A B.
4.1AC.
1.2A D.
0.24A解析选由铭牌读出电热水壶额定功率为额定电压为=由「=B P=900W,220V;p onn得,通过电热水壶额定电流为诉UI/=77=A^
4.1AO关于电功和焦耳热,下列说法错误的是()
3.在纯电阻电路中,计算电功可用公式放A.W=/2在非纯电阻电路中,计算电功可用公式放B.W=/2在非纯电阻电路中,计算焦耳热可以用=产放C.在纯电阻电路中,计算焦耳热可以用D.解析选计算电功时,公式适用于任何电路计算焦耳热时,公式=/心适用于任何电B路在纯电阻电路中在非纯电阻电路中所以、、正确,错误W=Q,WQ,A CD B把标有的灯和的灯串联起来,接入的电路中,
4.“220V,100W”4“220V,200W”8220V不计导线电阻,则下列判断中正确的是()两灯的电阻之比A.R=1:2BHA两灯的实际电压之比B.U:U=21BA两灯实际消耗的功率之比C.P P=12A B在相同时间内,两灯实际发热之比D.Q:Q=\2A BU2解析选由「=万求得私故心=错;两灯串联B=484Q,R B=242Q,21,AK接入电路,故通过的电流相等,由知,两端的电压之比即为电阻之比,故为U=/R21,B对;又由尸=/凡知错;由=/放得错C DPA PB=21,QAQB=21,如图所示为电动机提升重物的装置,电动机线圈的电阻为电动机两端的电压为
5.r=1Q,5V,电路中的电流为重物重不计摩擦力,求1A,A20N,)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少?
(1)电动机输入功率和输出功率各是多少?(2()内,可以把重物匀速提升多高?310s A)这台电动机的机械效率是多少?(4解析根据焦耳定律,热功率为
(1)尸热w=l Wo=/2R=12XI()输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积,即入=2P/U=lx5W=5W,输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率出入一月热P=5W-l W=4W()电动机输出的功率用来提升重物转化为机械功率,在内,310s P^t=Gh.的汩.尸、义410角牛h————20m——2moG()机械效率〃=『4X100%=80%答案)()()()(11W25W4W32m480%[课时作业]
一、单项选择题下列哪个用电器是利用电流的热效应工作的()
1.电风扇充电器A.B.电饭煲洗衣机C.D.解析选电风扇主要是把电能转化为机械能,是利用了电流的磁效应,故错误;充电C A器是要将电能储存起来,不是利用电流的热效应来工作的,故错误;电饭煲是利用了电流的热B效应,来给食物加热的,故正确;洗衣机是利用电动机带动工作的,应用了电流的磁效应,故C错误D对计算任何用电器的热功率都适用的公式是表用电器的热功率,表电流对用电器做
2.(P W的功,表用电器两端电压,/表通过用电器上电流)()A.P=PR B.P=IU解析选公式计算热功率适用于所有电器则正确,、、三项若求得热A P=/2R A BCD功率,则只能是纯电阻电路才可用的公式一个阻值为的电阻,通过它的电流强度为则下列说法正确的是()
3.1Q2A,内通过该电阻的电荷量为A.1s1C该电阻内的发热量为B.1s2J该电阻内的发热量为C.1s4J该电阻发热功率为D.2W解析选据电流定义/=/知,内通过该电阻的电荷量为错误,据=/心错C1s2C,A=4J,B误,正确;错误C DP=/2R=4W,凡和分别标有和将它们串联后接入电路中,如图所示,则此电路
4.“2Q,
1.0A”“4Q,
0.5A”,A.
1.5W B.
3.0W中允许消耗的最大功率为()C.
5.0W D.
6.0W解析:选把和串联后,由于的最大电流较小,所以串联后的最大电流为串联后A R
0.5A,的总电阻为所以电路的最大功率为所以正确6Q,P=/2R=O.52X6W=
1.5W,A一辆电瓶车,车和人的总质量为由内阻不计的蓄电池组向直流电动机提供的
5.500kg,24V电压,当电瓶车在水平地面上以的速度匀速行驶时,通过电动机的电流为设车所受
0.8m/s5A,的阻力是车和人重的倍)则此电动机的内阻是()
0.02(g=10m/s2,A.
4.8Q B.
3.2C.
1.6Q D.
0.4Q解析选电动机总功率为电动机热功率为内=产「,电动机输出功率为:月出C P=UI,P=8,车匀速运动,故F=f,根据能量守恒定律有尸=尸内+出,联立得到UI=I2r+
0.02mgv,代入数据解得r=
1.6Qo如图为、两灯泡的图像,把它们串联接在的恒压电源上,根据图像,
6.48/—U220V计算、两灯泡的实际功率分别约为(AB、、A.
48.4W22W B.22W
48.4W、、C.50W170W D.5W17W解析选两灯泡串联接在的电压下,则可知两灯泡电流相等,且总电压为D220V220V,则由题图可知,电流约为的电压为的电压约为则由尸=/可知,的功
0.1A,A50V,8170V,4率为的功率为5W,317W
二、多项选择题一直流电动机正常工作时两端的电压为通过的电流为/,电动机线圈的电阻为厂该电
7.U,动机正常工作时,下列说法正确的是()电动机消耗的电功率为A./U电动机的输出功率为/一产厂
8.U2电动机的发热功率为(C./、、三个量间满足/=D.U rr解析选电动机正常工作时,电动机消耗的电功率电=/,故正确电动机的AB AU2发热功率尸热=产厂,由于欧姆定律不再成立,热根据能量守恒定律得到,电动机的输出P功率尸出=尸电一热=/一产-,故正确,错误电动机正常工作时,其电路是非纯电阻电路,P BC电能一部分转化为内能,则有〃/得到故错误2%D有一内电阻为的电解槽和一盏标为的灯泡串联后接在电压为的直
8.
4.4“H0V,60W”220V流电路两端,灯泡正常发光,则()电解槽输入功率为A.60W电解槽发热功率为B.60W电解槽消耗的总电功率为C.60W电路消耗总功率为D.60W解析选由于灯泡正常发光,所以电解槽的电压为由于电解槽和灯泡串AC220-110V=110V,联它们的电流相等,所以/=若=黑所以电解槽的输入功率为A,P=UI260黑所以正确电解槽的发热功率为热=「=110x W=60W,A P r=x
4.4W^l.3W,no所以错误电解槽消耗的总功率等于电解槽的输入功率为所以正确,电路B llOx—W=60W,C消耗总功率为总=黑所以错误P220x W=120W,D如图所示是一直流电动机提升重物的装置已知重物质量为加电源输出电压
9.=50kg,保持不变,电动机线圈电阻不计各处摩擦,当电动机以某一速度匀速向上提升重U=110V R=4Q,物时,电路中的电流/=5Ag=10m/s2,贝电源的输出功率为A.100W电动机线圈电阻的发热功率B.R550W提升重物的功率为C.450W电动机的效率约为D.
81.8%解析选电源输出功率尸选项错误;电动机线圈电阻的发热功率CD=U/=550W,A R P热选项错误;提升重物的功率为机=选项W,B2550-100W=450W,A.450=/2R=100正确;电动机的效率为〃=£=百?选项正确C100%-
81.8%,DJL下表列出了某品牌电动自行车如图及所用电动机的主要技术参数,不计其自身机械损
10.耗若该车在额定状态下以最大运行速度行驶,则自重额定电压40kg48V载重额定电流75kg12A最大行驶速度额定输出功率20km/h350W电动机的输入功率为A.576W电动机的内电阻为B.4Q该车获得的牵引力为C.104N该车受到的阻力为D.63N解析选电动机的输入功率入故正确根据热入一「出=AD P=U/=48xl2W=576W,AP=2576-350根据热=内解得百故错误电动车速度最大时,牵引力尸与阻力W=226W,Pr=Q-l.6Q,B f大小相等,由产出得尸今=哪故=/Vmax N=63N,C UmaxNU错误,正确D
三、非选择题如图所示,两个小灯泡和七串联接在、两点间,和的铭牌上分别标有
11.L PL b“3V,6W”“6V,求间允许加的最大电压为多少?假定小灯泡电阻不变3W”,PQ解析由尸/得两灯泡的额定电流=UPi6/i=yy-=5A—2A713Pi3h=UT6A=05A电路中允许的最大电流为
0.5AJj2由=云得两灯泡的电阻U\32口Ri==~^-Q=1•5Q r\oUi6272——n-o£1=12Q产23允许加的最大电压为U=/2R+=o.5x
1.5+12V=
6.75Vo答案
6.75V如图所示的电路中,电炉电阻电动机线圈的电阻电路两端电压
12.R=10Q,r=1Q,U电流表的示数为问=100V,30A,通过电动机的电流强度为多少1通电一分钟,电动机做的有用功为多少2100VJ—=10AR10Q解析电炉电阻电压故电流:1R=10Q,U=100V,通过电动机的电流//=30A—10A=20A._/M=/电动机的总功率2P=t/Z=100x20W=2000WM电动机的发热功率/\=/^=22xiW=400W故电动机的机械功率是出=一热=则通电分钟后,输出的有用2222000-400W=1600W1功答案W=P^t=l600x60J=96000Jo120A296000J热功率2
①内容单位时间内电流通过导体发出的热量
②物理意义热功率是描述电流做功产生电热快慢程度的物理量
③公式=1P IR想一想在电动机等非纯电阻电路中欧姆定律适用吗?请你对自己的观点做出解释
1.提示欧姆定律的适用条件是金属导电和电解液导电,电动机是非纯电阻电路,正常工作时不适用,若电动机不转则可适用
二、闭合电路中的能量转化与守恒.时间/内,外电路中产生的内能为产放,2内电路中产生的内能为/〃2时间/内,电源内部非静电力做功为
3.根据能量守恒定律有E〃=/2R/+/2%电源的总功率为尸总=口,
4.电源的输出功率为月出=0,电源的效率〃=多<100%=9100%想一想在现代社会里,人们离不开电各种各样的用电器减轻了人们的劳动强度,提高了人们的
5.生活质量如图是日常生活中常见的用电器,你能说出它们的名称吗?电能转化为什么能了?提示电视机是将电能转化为内能和光能,洗衣机是将电能转化为机械能,空调是将电能转化为内能要点探究讲练互动要点对电功和电热的理解1学案导引电流做功的实质是什么?电功和电热一样吗?
1.如何计算电功和电热?
2.对电功的理解
1.从力的角度看,电流做功的实质是电场力对自由电荷做功1从能的角度看,电流做功过程是电能转化为其他形式能的过程,电功标志着电能转化为2其他形式的能的多少对电热的理解
2.从微观的角度看,电热是自由电荷在导体中定向移动时,由于导体中金属离子的存在,1自由电荷不断地与金属离子发生碰撞,使得金属离子运动的程度加剧,从而使导体温度升高,即产生电热从能的角度看,电热表示电流通过导体时消耗的电能中转化为内能的部分,即电热是电2能转化为内能的量度电功与电热的区别与联系
3.纯电阻电路1非纯电阻电路2电功率与热功率
4.区别1电功率决定于这段电路两端电压和通过的电流/的乘积热功率是指在这段电路上因发热而损耗的功率,其大小决定于通过这段导体中电流强度的平方和导体电阻的乘积联系2U2对于纯电阻电路,电功率等于热功率,计算时可用五中任一形式进行计算P=/U=/2R=对非纯电阻电路,电路消耗的电功率等于热功率与机械功率等其他形式的功率之和,即电功率大于热功率例多选下列关于电功、电功率和电热的说法,正确的是1电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多A.〃适用于任何电路,而皿=/放=号只适用于纯电阻电路B.W=U2KC.在非纯电阻电路中,2UI IR电热=产放适用于任何电路D.[思路点拨]本题考查的是电功、电功率和焦耳定律,关键是正确区分电功和电功率W[解析]电功率公式功率越大,表示电流做功越快对于一段电路,有p=iu,I/焦耳热(专)放,可见与夕、]、/都有关所以尸越大,不一定越大,错误0=21A是电功的定义式,适用于任何电路而/=称只适用于纯电阻电路,正确BK在非纯电阻电路中,电流做的功=电热+其他形式的能,所以即正确WQ,CU//2R,=/是电热的定义式,适用于任何电路中产生的电热,正确D[答案]BCD规律总结解决电功、电热问题要注意公式的适用条件,W=U〃和=尸尺/是定义式,普遍适用,U2・根据欧姆定律的变形公式卬=十只用于纯电阻电路,而且在纯电阻电路中电・3W=/2・R”K功、电热相等U2跟踪训练关于三个公式)()(),下列叙述正确
1.(1P=UI2P=FR3P=F A的是()公式)适用于任何电路的电热功率A.(1公式)适用于任何电路的电热功率B.(2公式)、)、()适用于任何电路的电热功率C.(1(23上述说法都不正确D.解析选尸=/是总电功率的计算式,适用于任何电路,但不一定是电热功率,故B AJj2错误;二产尺是计算放出电热的功率,适用于任何电路,故正确;匕只适用于纯电阻电B P=1\路中电阻放出热量的功率计算,错误;故选C B要点纯电阻电路与非纯电阻电路比较2学案导引如何区分电路是纯电阻电路还是非纯电阻电路?
1.在非纯电阻电路中如何计算电流和电压?
2.两种电路的比较
1.纯电阻电路非纯电阻电路除电阻外还有能把电电路中只有电阻元件元件特点能转化为其他形式能量的用来发热或者只能发执、、、用电器J不满足欧姆定律,但满足欧姆定律/=电流、电压、电是遵循能量守恒定律即阻的定量关系U/R所以UIt=FRt+W,UIR或KU/R电流做功将全部转电流做功除了部分转化为内能,即W=Q=I2Rt化为内能外,还有部分转能量转化形式U2化为其他形式的能量,gp一,RUlt,Q=I2Rt能量转化流程U2W=Q=UIt=-^t=基本计算公式其他W=Q+WI2Rt=qU计算电热的公只能用=产用来计算上述公式均可用式电热电阻、电灯、电热毯、电动机、电铃、电解元件举例电炉丝等槽、蓄电池等非纯电阻电路中电流、电压的计算
2.欧姆定律不适用于非纯电阻电路,因此在这样的电路中不能简单地用来进行处/=U/R/=U/R理,可用以下方法来处理将电阻与其他因素分离出来,区别对待如电动机两端的电压为其内阻为电流为
(1)U,R,/,为了方便处理,将电阻与电动机分离,画出等效电路图如图所示,很明显电压是加在电阻R U和电动机两端的总电压,加在两端的电压要比小,所以用计算电路的电流明显不对R R/=U/R若知道两端的电压,对使用欧姆定律是可行的R R/=U7R()通过电功(或电热)计算电流或电压2如在电动机两端加上电压电动机的内阻为每秒在电动机的内阻上产生热量首先将电U,R,Q,阻与电动机分离出来,因为=产用,所以/=、根,并由此还可算出电动机将电能转化为机械能的功率P=UI-I2R=Uy^-^t o例规格为的排气扇,线圈电阻为求2“220V,36W”40Q,接上的电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率;1220V如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,这时电动机消耗的功率和发热的功率2[思路点拨]审题时要把握以下两点发热功率为热=产心1机械能的功率为机=尸电一尸热22p36[解析]排气扇在的电压下正常工作时的电流为/==奇仁1220V A
0.16A,发热功率为P热
0.162X40W^l=/2R=WO转化为机械能的功率为机=尸一热P P=36W-l W=35Wo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2TJ220电动机中电流为万=二万电动机消耗的功率即电功率等于发热功率电7=A=
5.5A,P=P K4U热=UP=22Qx
5.5W=1210Wo[答案]135W1W21210W1210W方法指引解答有关电动机问题的技巧当电动机不转时可以看成纯电阻电路,1/=/宠=万均成立P=A当电动机正常工作时,是非纯电阻电路,2电热=而有〉〃P=UEP PR,UW/R U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3动机将电能转化为机械能的功率三者的关系尸机U/=/2R+跟踪训练如图所示,电源内阻为%此电源为线圈电阻是的直流电动机供电,当电动机正
2.R常工作时,电源两端的电压是通过电动机的电流是/,则U,电源的电动势为/()A.R+r电源的输出功率为B./U+/2R电动机内部发热功率为尸C.7电动机的机械功率为D./U+/2R解析选此电路是非纯电阻电路,由闭合电路欧姆定律得其中故错误;C E=U+,U/R,A电源的输出功率为故错误;电动机内部发热功率热=产艮故正确;电动机的机械功P=U/,B PC率为尸一尸热=〃/一产心故错误D要点闭合电路的功率问题3学案导引外电阻越大,电源的输出功率越大吗?
1.生活中的用电过程是否电源输出功率越大越好?
2.各部分功率关系分析由£〃=产放+/%知,其中为电源的总功率,冷为电源内
1.2E/E/=/2R+/2〃,耗功率,/氏为外电路消耗功率,也是电源的输出功率电源的输出功率
(1)£2E2R E2产出=()R—r2+47r/—r2PR=2R=R+4r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
2.E2由此可知当厂时,电源有最大输出功率出心R=P max=2出与外电阻的函数关系图像图像如图所示,从图看出当〃时,若增大,出增大;P RRV RP当〃时,若增大,出减小对一个确定的电源,除/=/外,外电阻有两个值对应的输出功率RP相等,即凡=元不力氏化简后得这两个阻值的关系为描=^12,
(3)电源的效率产*爷=泮/(黑)=舟=+可见’外电阻越大,R无1+电源的效率越高,当电源有最大输出功率时,此时电源的效率并不最高〃=50%,特别提醒)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(1阻消耗功率最大是当通过它的电流最大的时候()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2例如图所示,已知电源电阻定值电阻求3r=2Q,Ri=
0.5Q,当滑动变阻器的阻值多大时,电阻消耗的功率最大?
(1)R)当变阻器的阻值为多大时,变阻器消耗的功率最大?
(2)当变阻器的阻值多大时,电源的输出功率最大?(3[思路点拨]解此题的关键有三点)电路结构,阻值多大时内外电阻相等
(1)凡是定值电阻,最大消耗功率的条件
(2)是可变电阻消耗最大功率时,如何处理33RE2小工爪,、尺[解析]由闭合电路欧姆定律得电阻道消耗的功率尸,当滑
(1)P2动(尺1十十厂)F
2、变阻器阻值=时,及消耗的功率最大凡Pm=2()法一求极值法2变阻器消耗的功率£2£2[Ri+r一]2+4Ri+rRi=T^i+^+r272=[++/]2/22所以当时,变阻器消耗的功率最大R2=R+r=
2.5法二等效电源法把定值电阻看做电源的内阻,则等效电源的内阻R+r=
2.5Q,此时外电路中只有滑动变阻器一个元件,即滑动变阻器消耗的功率就是电源的输出功率,所以当时,变阻器消耗的功率最大==
2.5()原理同上一问,易得出当十尺=八即时,电源的输出功率最大31=r—Ri=
1.5Q[答案]()()()
1022.5Q
31.5Q方法指引本题涉及闭合电路欧姆定律和电功率的知识数学极值法是处理物理极值问题的基本方法跟踪训练如图所示,直线为电源的图线,直线为电阻的图线,用
3.A U—/5R U—/该电源和电阻组成闭合电路时,电源的输出功率和电路的总功率分别是()、、A.4W8W B.2W4W、、C.4W6W D.2W3W解析选如图两(直)线交点为此电源与相连时的状态,由图知C.R E=3V,U=2V,1=2A.则出总=/正确P=/U=2x2W=4W,P£=2x3W=6W C疑难突破思维升华典型问题——电动机的功率与力学综合问题范例(分)某一用直流电动机提升重物的装置,如图所示,重物质量电源的电8m=50kg,压为不计电源内阻及各处摩擦,闭合电键当电动机以的恒定速度向上提升U=UOV,S,u=
0.90m/s重物时,电路中的电流(取)由此可知电动机线圈的电阻为多少?/=5A g10mH,R[思路点拨]电动机的输出功率和物体匀速上升过程中速度的关系为出=根列,用此公式求解出P[解析]电动机消耗的总能量一部分转化为重物的机械能,一部分转化为内能,故电=机P热分)+P(2其中「电=/,机=热(分)2mgu,P=PR2所以有(分)/U=mgu+/2R2所以产分)H=—4=
4.0Q(2[答案]
4.0Q易错警示电动机的电流求解的易错点是用/=/求解,但电动机是非纯电阻元件,欧姆定律不适用随堂演练巩固提升[随堂检测]。