焦耳定律电路中的能量转化

1、必修1北师大第1套 主编物理教科选修3-1第9期目标要求1.理解电功的概念,知道电功是电场力对自由电荷所做的功.2.知道电功率和热功率的区别与联系,能区分电功和电热.3.掌握电路中的能量转化焦耳定律 电路中的能量转化重点、难点1.电功概念和焦耳定律的理解.2.电功率和热功率的区别与联系.3.纯电阻电路和非纯电阻电路中能量的转化关系.1.电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两端的 与电路中的 和通电 三者的乘积.用公式可以表示为W= .2.单位时间内电流所做的功叫做 .用P表示电功率,有P=.进而得到P= .这表示电流在一段电路上的电功率P等于这段电路两端的 和电路中 的乘积.3.电流、电压和

2、通电时间的单位分别是安培(A)、伏特(V)和秒(s),电功和电功率的单位分别是 和 .4.电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成 ,跟电阻值成 ,跟通电时间成 ,这个规律最初是焦耳用实验直接得到的,通常称为 .电流通过电阻而产生的热量称为焦耳热,热量的表达式Q= .5.单位时间内电阻通电发热的功率称为 .其表达式P= .6.当电路中只有电阻时,电功率 热功率;当电路中有电动机、电解槽等用电器时,电能要分别转化为机械能、化学能等.还有一部分转化为电阻上发出的内能,这时电功率 热功率.一、电功电功率图1【知识回顾】图1表示一段很小的电路,电荷从左向右定向移动,它们从这段电路的左端移到右端所用的时间

3、记为t.在这段时间内通过这段电路的总电荷量为 q=It,如果这段电路左右两端的电势差是U,在电荷q从左端移到右端的过程中,电场力做的功是W=qU.把q=It代入,可以得到电流做的功W= .教师说明:电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U与电路中的电流I和通电时间t三者的乘积.即W=UIt.【情景1】电流I1在电风扇的电动机中通电半小时,做功72000 J;电流I2在洗衣机的电动机中通电2分钟,做功12000 J.问题1哪个电流做的功较多?答: .问题2哪个电流做功较快?物理学中我们用什么物理量来表示电流做功的快慢?答: .问题3 我们能利用电功的公式W=UIt计算电流做的功,在力学

4、中我们学到了功率的公式P=,请同学们据此推导得出计算电功率的公式.答: .问题4我们经常看到电动机铭牌上标有“10 kW”,灯泡上标有“220 V40 W”字样,它们分别表示什么意义?答: .教师说明:1.电流在一段电路上做功的功率P等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积.即P=IU.2.用电器正常工作时的电压叫额定电压,用电器在额定电压下工作的功率叫额定功率,用电器不能长时间在超过额定功率的条件下工作.用电器不在额定电压下工作时实际消耗的功率叫做实际功率.二、焦耳定律热功率阅读教材第64页“焦耳定律 热功率”的内容,回答下列问题.问题5正电荷仅在电场力的作用下从电势高处运动到电势低处,电荷的

5、电势能怎样变化?动能怎样变化?答: .问题6在通电的金属导体中,自由移动的电荷是自由电子,自由电子在电场力的作用下,动能会一直增大吗?为什么?答: .问题7正离子获得动能后,它的热运动加剧,金属导体的温度升高,内能增大,增加的内能是什么能转化来的?答: .问题8在一段只有电阻元件的电路中,电场力所做的功W与电流通过这段电路时产生的热量Q具有什么关系?再根据欧姆定律U=IR,推导得出电阻上产生的热量Q.答: .教师说明:1.电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比,跟电阻成正比,跟通电时间成正比.这个规律叫做焦耳定律.数学表达式是Q=I2Rt.2.在纯电阻电路中电功等于电热,纯电阻用电器有电饭

6、锅、电烙铁、电炉等.在非纯电阻电路中电功大于电热,非纯电阻用电器有电解槽、电动机等.3.公式W=UIt、Q=I2Rt和Q=t,在纯电阻电路中是通用的,在非纯电阻电路中计算总功一般用W=UIt,计算电热用Q=I2Rt或Q=t.问题9电热水壶甲用10分钟就可以把2升水烧开,而电热水壶乙需要用20分钟才能把2升水烧开,这个例子说明不同的电热水壶烧开2升水用的时间不同,物理学上用什么物理量来描述这种不同呢?答: .问题10由焦耳定律的表达式Q=I2Rt和P=.推导得出热功率P热的表达式.答: .教师说明:1.电阻通电时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.表达式为P热=I2R.2.P热=

7、I2R和P=UI都能计算功率,电路是纯电阻电路时,两公式都可用,在非纯电阻电路中,P=UI计算的常常是电路的总功率,P热=I2R计算的是电路中的发热功率.三、电路中的能量转化图2【情景2】在如图2所示的电路中,电源的电动势为E,内阻为r,定值电阻的为R,电动机的内阻为RM,电路中的电流为I.问题11电源是提供电能的,在这个电路中,电源产生的电能都转化成了什么能?答: .问题12电源内部非静电力所做的功与闭合电路中消耗的电能有什么关系?答: .【案例探究1】一根电阻丝通过2 C的电荷量时,所消耗的电能是8 J;若在相同的时间内通过4 C的电荷量时,该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是( )A.4

8、 V16 JB.8 V16 JC.4 V32 JD.8 V32 J解析:设通电时间为t,根据q=It和W=UIt,可得电压U=4 V;再根据欧姆定律U=IR,若在相等的时间内通过4 C的电荷量时,则电流变成原来的两倍,电压也变为原来的两倍,即8 V;功率变为原来的4倍,即32 J.本题正确答案为D.【案例探究2】理发用的电吹风由电动机和电热丝组成,电动机带动风叶转动,电热丝给空气加热,热风将头发吹干. 设电动机线圈的电阻为R1,它与电热丝的电阻R2相串联,接到直流电源上,电动机两端电压为U,通过的电流为I,消耗的电功率为P,则有( )A.IU P B.IUI2(R1+R2)解析:电吹风消耗的功

9、率P=UI,电动机线圈上的发热功率P1=I2R1,电热丝的发热功率P2=I2R2,由于电动机的转动对外输出的还有机械功率P机,消耗的功率P=P1+P2+P机,本题正确答案为D.1.下列用电器属于纯电阻用电器的是( )A.电风扇和电吹风B.白炽灯、电烙铁和电热毯C.洗衣机和电冰箱D.电解槽2.对于接入电路的不同灯泡而言,亮度大的灯泡是( )A.通过电流大的灯泡B.两端电压大的灯泡C.电阻大的灯泡D.消耗电功率大的灯泡3.在如图3所示的电路中,输入电压U恒为12 V, 灯泡L标有“6 V 12 W”字样,电动机线圈电阻RM=0.50 .电路接通后,灯泡恰能正常发光,求.(1)流过电动机线圈的电流.

10、(2)电动机线圈的电阻两端的电压.(3)电动机的发热功率和电功率.图34.图4为一款简易的iphone4充电器,其电池充电的电路图可简化为图5.充电电压U=5 V,假设电池组的内阻r=0.2 ,分压电阻R=0.8 ,电流表内阻不计,充电的电流I=1 A. 问:这时转化为电池组的电能的功率是多少?一、选择题1.在“测量电源的电动势和内阻”的实验中,为单元测试卷（三）了使实验效果明显且不会损害仪器,应选择( )A.内阻较大的普通干电池B.内阻较小的普通干电池C.小型交流发电机D.小型直流发电机2.关于电功和电热,下列说法正确的是( )A.电功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力所做的功B.电

11、功是电能转化为其他形式能的量度C.电流通过电路中的任何用电器,电流在用电器中所做的功等于用电器发出的热量D.电功的公式W=IUt和电热的公式Q=I2Rt在任何电路中都可以通用3.有三个用电器,分别为日光灯、电烙铁和电风扇,它们的额定电压和额定功率均为“220 V 60 W”.现让它们在额定电压下工作相同时间,则( )A.日光灯产生的热量最多B.电烙铁产生的热量最多C.电风扇产生的热量最多D.三个用电器产生的热量一样多4.如图1所示,虚线框内是一个未知电路,测得它a、b两端点之间的电阻是R,在a、b之间加上电压U,测得流过这个电路的电流为I,则未知电路的电功率一定是( )图1A.I2R B. C

12、.UI D.UI-I2R图25.在生活中会遇到这样的事,手电筒里的电池用旧了,舍不得扔掉,便装一节新电池配一节旧电池继续使用,测量可以发现新旧电池的电动势确实相差不大,而新旧电池的内阻相差较大,设数据如下:新电池E1=1.5 V,r1=1.0 ,旧电池的电动势仍近似认为E2=1.5 V,r2=5.0 (实际可能更大),手电筒小灯泡的型号为“3 V 3 W”,按照如图2方式连接(电池串联E总=E1+E2,r总=r1+r2)以后,下列说法正确的是( )A.新电池的总功率比旧电池的总功率大B.这种方式连接能更充分地利用旧电池的电能C.小灯泡的亮度比用两节新电池来供电稍有减弱D.旧电池变成了消耗电能的

13、用电器二、非选择题6. 在用电压表和电流表测量电池的电动势和内电阻的实验中,有下列器材可供选用:A.干电池1节B.滑动变阻器R1(最大阻值为20 )C.滑动变阻器R2(最大阻值为1 k)D.电压表(量程03 V)E.电流表(量程00.6 A)F.电流表(量程03 A)G.开关、导线若干(1)实验中滑动变阻器应选 ,电流表应选 .(填器材前的序号)(2)为了最大限度地减小实验误差,请设计最合理的实验电路并在下面的虚线框中画出该实验的电路图.(3)某同学记录的实验数据如下表所示,试根据这些数据在图3中画出U-I图线,根据图线得到被测电池的电动势E= V,内电阻r= . 123456I/A0.100

14、.150.200.250.300.40U/V1.321.261.181.131.040.93一、选择题1.下面给出了几种用伏安法测电池电动势和内阻的实验中的数据处理方法,其中既科学、直观,又能减小偶然误差的方法是( )A.测出两组I、U的数据,代入方程组E=U1+I1r和E=U2+I2r中,既可求出E和rB.多测几组I、U的数据,求出几组E和r,最后分别求出其平均值C.测出多组I、U的数据,画出U-I图像,再根据图像求E、rD.多测出几组I、U的数据,分别求出I和U的平均值,用电压表测出开路时的路端电压即为电动势E,再用闭合电路的欧姆定律求出内阻r图12.某学生用电流表和电压表测干电池的电动势

15、和内阻时,所用滑动变阻器的阻值范围为020 ,连接电路的实物图如图1所示.该学生接线中错误或不规范的做法是( )A.滑动变阻器不起变阻作用B.电流表接线有错C.电压表量程选用不当D.电压表接线不妥图23.用如图2所示的电路测量电池电动势和内阻时,若有两只量程相同的电压表、,内阻分别为RV1、RV2,且RV1RV2;两只量程相同的电流表、,内阻分别为RA1、RA2,且RA1RA2,在实验中,为了使E、r的测量值更精确一些,选择电表的组合方式可以是( ) A.与 B.与 C.与 D.与 图34.如图3所示,电源的电动势为E,内阻为r,R0为定值电阻,R为滑动变阻器,已知R0r.为使R0上消耗的电功

16、率最大,应将变阻器阻值调整到( )A.R0 B.R0+rC.R0-r D.0图45.如图4所示,有一内阻为4.4 的电解槽和一盏标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电源两端,若灯泡正常发光,则( )A.电解槽消耗的电功率为120 WB.电解槽的发热功率为60 WC.电解槽消耗的电功率为60 WD.电路消耗的总功率为60 W二、非选择题6.某同学利用电压表和电阻箱测定干电池的电动势和内阻,使用的器材还包括定值电阻(R0=5 )一个,开关两个,导线若干,实验原理图如图5所示.(1)在图6的实物图中,已正确连接了部分电路,请完成余下电路的连接.(用笔画线代替导线)(2)请完成下列主要实验步骤.图7A.检查并调节电压表指针指零;调节电阻箱,示数如图7所示,读得电阻值是 ;B.将开关S1闭合,开关S2断开,电压表的示数是1.49 V;C.将开关S2 ,电压表