新教材高中物理第五章电能与能源的可持续发展第一节电路中的能量课件粤教必修第三册

1、第一节电路中的能量第五章2022内容索引0102课前篇 自主预习课堂篇 探究学习学习目标1.理解电功、电功率的概念.(物理观念)2.知道焦耳定律,知道电功率与热功率的区别和联系.(物理观念)3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的区别,会结合实际问题区分电功和电热.(科学思维)4.会分析闭合电路中的各种功率及进行相关运算.(科学思维)思维导图课前篇 自主预习【必备知识】一、电功和电功率1.电功(1)定义:电流通过一段电路时,自由电荷在电场力的推动下做定向移动,电场力对自由电荷做功,将电能转化为其他形式的能.我们把电场力所做的功称为电功.(2)公式:W= UIt .单位: 焦耳 .符号: J .(1)

2、定义:电流做功与完成这些功所用时间之比叫作电功率.(2)公式: =UI.单位:瓦特.符号:W.1 kW=103 W.想一想如以下图,电路两端的电势差为U,电路中的电流为I,电荷从左端到达右端所用的时间为t,那么在t时间内通过导体某截面的电荷量是多少?把这些电荷从左端移到右端,电场力做功是多少?提示 由电流的定义式可得通过某截面的电荷量q=It,根据静电力做功的公式W=qU,可得W=UIt.二、焦耳定律1.焦耳定律(1)内容:电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比,与导体的电阻及通电时间成正比.(2)公式:Q= I2Rt .2.热功率:一段电路因发热而消耗的功率,P= I2R .想一想如以下

3、图是电视机和电风扇,说明它们是纯电阻电路还是非纯电阻电路?电流做的电功是否全部转化为热量?提示 电视机和电风扇都是非纯电阻电路,电流做的电功并不是全部转化为热量.三、闭合电路中的能量1.电源的功率(1)公式:P=EI=P出+P内=U外I+U内I.(2)意义:EI表示电源提供的电功率.2.电源的输出功率(1)公式:P出=U外I.(2)意义:U外I表示外电路上消耗的电功率.3.电源的内耗功率(1)公式:P内=U内I.(2)意义:U内I表示内电路上消耗的电功率.【自我检测】1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因.(1)电功与电能的单位是相同的,因此,电功就是电能.()答案 解析 功是能量转化的

4、量度.(2)电流做的功越多,电功率越大.()解析 电流的功由功率和时间共同决定.答案 (3)W=UIt可以计算任何电路的电功.()答案 (4)Q=I2Rt可以计算任何电路的热量.()答案 (5)电流相同时,电源提供的电功率一定相同.()解析 电功率等于电压与电流的乘积.答案 (6)内电路消耗的功率就是整个电路的电功率.()解析 整个电路的电功率等于内外电路的电功率之和.答案 2.如以下图为电源和导线内移送电荷的情况.那么将单位正电荷沿闭合回路移动一周所释放的能量大小决定于()A.电源的电动势解析 移动电荷一周所释放的能量,就是电源提供给的电能,数值等于电源内部非静电力做功的数值,即W=Eq.故

5、A对,B、C、D错.答案 A3.关于电功和电热的计算,以下说法正确的选项是()A.如果是纯电阻电路,电功可用公式W=UIt计算,也可用公式W=I2Rt计算B.如果是纯电阻电路,电热可用公式W=I2Rt计算,但不能用公式W=UIt计算C.如果不是纯电阻电路,电功只能用公式W=I2Rt计算D.如果不是纯电阻电路,电热可用公式W=I2Rt计算,也可用公式W=UIt计算解析 纯电阻电路,电功可用公式W=UIt计算,也可用公式W=I2Rt计算,故A正确,B错误;非纯电阻电路,电功用公式W=UIt计算,故C错误;非纯电阻电路,电热用公式W=I2Rt计算,故D错误.答案 A课堂篇 探究学习探究一电功、电功率

6、的理解和计算【问题情境】在现代社会中,人们的生产、生活和科技实践活动都离不开电,各种各样的用电器减轻了人们的劳动强度,提高了工作效率,在享受电给我们带来方便的同时,你知道电能是如何转化为其他形式的能和电能在转化过程中满足怎样的规律吗?要点提示 通过电流做功,W=UIt.【知识归纳】1.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.(2)从能的角度看,电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程,电功的大小表示电能的减少量,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. 电功不一定等于电热2.串、并联电路中的功率关系 (1)用电器正常工作时

7、所消耗的功率叫作额定功率.当用电器两端电压到达额定电压U额时,电流到达额定电流I额,电功率也到达额定功率P额,且P额=U额I额.(2)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率.为了使用电器不被烧毁,要求实际功率不能大于其额定功率.要点笔记(1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和.(2)串联电路中,功率与电阻成正比;并联电路中,功率与电阻成反比.【典例剖析】例1有额定电压都是110 V,额定功率PA=100 W,PB=40 W的两盏电灯,假设接在电压是220 V的电路上,两盏电灯均能正常发光,那么电路中消耗功率最小的电路是()解析 要两灯均正常发光,即每灯的电压均为110 V,对A选

8、项,因为RARB,所以UA110 V,B灯将被烧坏;对B选项,UBU并,B灯将被烧坏;对C选项,RA可能等于B灯与变阻器并联后的电阻,所以UA可能等于UB,等于110 V,两灯可能都正常发光,且电路消耗的总功率为200 W;对D选项,滑动变阻器电阻可能等于两灯并联后的总电阻,可能有UA=UB=U并=110 V,两灯可能正常发光,且电路中消耗的总功率为280 W.综上可知,C正确.答案 C规律方法 功率求解的技巧(1)在纯电阻电路中,比较用电器的电功率时,要根据条件灵活选用公式,如用电器电流相同时,用P=I2R比较,假设电压相同时用 比较,假设电阻相同时,可根据I或U的关系比较.(2)求解串、并

9、联电路中的功率分配问题时,比例法求解会使问题简化,但一定要明确是正比还是反比关系.(3)当求解用电器的功率时,要明确求解的是什么功率.实际功率与额定功率不一定相等.变式训练 1某款锂离子多功能电池有两路电压输出设计,如以下图.一路为环状凹槽电极,该路经由电路输出电芯电压,额定电压为3.7 V;另一路为与干电池电极完全相同的中心柱状电极,经由变换电路输出,额定电压1.5 V,下表为该电池的各项参数.以下说法正确的选项是()型号5号标准容量810 mAh(3.7 V)2 000 mAh(1.5 V)电芯锂聚合物输出电流(最大)1 500 mA(3.7 V)2 000 mA(1.5 V)标准电压1.

10、5 V/3.7 V电池寿命大于500次完全充放电(根据使用情况而异)A.使用环状凹槽电极时,电池的能量是2 916 JB.使用环状凹槽电极时,在最大输出电流工作状态下能工作约2 hC.使用中心柱状电极时,电池的电荷量是10 800 CD.使用中心柱状电极时,在最大输出电流工作状态下能工作约1 h答案 D探究二电功与电热的比较【问题情境】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?要点提示 通电导线跟电炉丝是串联在一起的,通过它们的电流相等,而电炉丝的电阻比导线的电阻要大得多,由焦耳定律Q=I2Rt知在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热

11、量要少得多.【知识归纳】(1)一般情况下的电灯泡、电炉丝等为纯电阻电路;电动机、电解槽等为非纯电阻电路.(2)纯电阻电路遵循欧姆定律,而非纯电阻电路不完全遵循欧姆定律.(3)纯电阻电路电流做功时,电能全部转化为电热;而非纯电阻电路,电流做功将电能一局部转化为电热,一局部转化为机械能或其他形式的能.2.电功与电热 3.电功率与热功率 【典例剖析】例2规格为“220 V36 W的排气扇,电动机的内阻为40 .(1)接上220 V的电压后,求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率;(2)如果接上220 V的电压后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率.解析 (1)排气扇在220 V的电

12、压下正常工作时的电流为发热功率为P热=I2R=(0.16)240 W=1 W.转化为机械能的功率为P机=P-P热=36 W-1 W=35 W.(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,此时电动机中的电流为电动机消耗的功率即发热功率为P电=P热=UI=2205.5 W=1 210 W.答案 (1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W规律方法 电功、电热的计算方法(1)判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器.(2)分析各用电器之间的连接方式,对纯电阻电路,计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路的分流特点.(3)由所求问题选取适宜的公式,在

13、非纯电阻电路中计算电功只能用W=UIt,计算电热只能用Q=I2Rt,欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用.(4)对于含电动机的电路,电动机转动时是非纯电阻用电器,电动机不转动时是纯电阻用电器.变式训练 2在研究微型电动机的性能时,可采用如以下图的实验电路.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0.5 A和1.0 V;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2.0 A和15.0 V.求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻.解析 当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时,电动机停止工作,电动机中只有电动机的内阻消耗电能,其阻值当电

14、动机正常工作时,电流表、电压表示数分别为2.0 A和15.0 V,那么电动机的总功率P总=U2I2=15.02.0 W=30.0 W线圈电阻的热功率P热= =2.022.0 W=8.0 W所以电动机的输出功率P输出=P总-P热=30.0 W-8.0 W=22.0 W.答案 22.0 W2.0 探究三电源的功率和效率【问题情境】闭合电路中,电源电动势为E,内、外电路的电阻分别是r和R,电路中的电流为I,t时间内电源把多少其他形式的能转化为电能?外电路产生的热量是多少?内电路产生的热量是多少?三者之间有何关系?要点提示 EItI2RtI2rtEIt=I2Rt+I2rt【知识归纳】1.电源的输出功率

15、只有纯电阻电路才成立 2.输出功率的图像 3.电源的效率 【典例剖析】例3如以下图电路中,电池的电动势E=5 V,内阻r=10 ,固定电阻R=90 ,R0是可变电阻,在R0由0增加到400 的过程中,求:(1)可变电阻R0上消耗功率最大的条件和最大热功率.(2)电池的内阻r和固定电阻R上消耗的最小热功率之和.规律方法 闭合电路中功率问题的三点提醒(1)电源输出功率越大,效率不一定越高,如电源输出功率最大时,效率只有50%.(2)判断可变电阻功率变化时,可将可变电阻以外的其他电阻看成电源的一局部内阻.(3)当P输出Pm时,每个输出功率对应两个可能的外电阻R1、R2,且R1R2=r2.变式训练 3

16、将一个电源与一电阻箱连接构成闭合回路,测得的电阻箱所消耗的功率P与电阻箱的读数R的关系如以下图,以下说法正确的选项是()A.电源最大输出功率可能大于45 WB.电源的内阻为5 C.电源的电动势为45 VD.电阻箱消耗的功率为最大值时,电源的效率大于50%答案 B 随堂训练1.如以下图,一个电阻R和一个灯泡L串联接在电压恒为U的电源上,电路中的电流为I.电阻两端的电压为U1,电功率为P1;灯泡两端的电压为U2,电功率为P2.那么以下关系式正确的选项是()A.P1=UIB.P2=U2RC.U2=U-IRD.U1=U-IR解析 电阻的电功率P1=U1I,A错误;灯泡的电功率P2=U2I,B错误; U

17、2=U-U1=U-IR,C正确,D错误.答案 C2.如以下图的电路中,输入电压U恒为12 V,灯泡L标有“6 V12 W字样,电动机线圈的电阻RM=0.5 ,假设灯泡恰能正常发光,那么以下说法中正确的选项是()A.电动机的总功率是72 WB.电动机的热功率是1 WC.电动机的输出功率是10 WD.整个电路消耗的电功率是22 W解析 电动机两端的电压为U1=U-UL=(12-6)V=6 V,整个电路中的电流为 =2 A,所以电动机消耗功率为P=U1I=62 W=12 W,故A错误;电动机的热功率为P热=I2RM=220.5 W=2 W,故B错误;电动机的输出功率为 P出=P-P热=(12-2)W

18、=10 W,故C正确;整个电路消耗的电功率为P总=UI=122 W=24 W,故D答案 C 3.如以下图,把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中,甲电路两端的电压为8 V,乙电路两端的电压为16 V.调节滑动变阻器R1和R2使两灯都正常发光,此时滑动变阻器消耗的功率分别为P1和P2,两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙,那么以下关系中正确的选项是()A.P甲P乙C.P1P2D.P1=P2解析 由灯都正常发光可知,R1中电流是R2中电流的二倍,R1两端电压是R2两端电压的二分之一,两滑动变阻器消耗的功率相等,两电路中消耗的总功率相等,D正确,A、B、C错误.答案 D4.如以下图,有一内电阻为4.4