新教材-人教版高中物理必修第三册-第12章-电能-能量守恒定律-知识点考点重点难点提炼汇总

第12章电能能量守恒定律1.电路中的能量转化 12.闭合电路的欧姆定律 53.实验：电池电动势和内阻的测量 114.能源与可持续发展 171.电路中的能量转化一、电功和电功率1．电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。2．电功(1)定义：电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压、电路中的电流、通电时间三者的乘积。(2)公式：W＝UIt。(3)单位：国际单位是焦耳，符号是J。3．电功率(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。(2)公式：P＝eq\f(W,t)＝UI。(3)单位：国际单位是瓦特，符号是W。二、焦耳定律1．内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。2．表达式：Q＝I2Rt。3．热功率三、电路中的能量转化1．电动机工作时的能量转化(1)能量关系：电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。(2)功率关系：电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和，即：P电＝P机＋P损，P电＝UI，P损＝I2R。2．电池充电时的能量转化电池从电源获得的能量一部分转化为化学能，还有一部分转化为内能。考点1：串、并联电路中电功率的计算1．串联电路功率关系(1)各部分电路电流I相同，根据P＝I2R，各电阻上的电功率与电阻成正比。(2)总功率P总＝UI＝(U1＋U2＋…＋Un)I＝P1＋P2＋…＋Pn。2．并联电路功率关系(1)各支路电压相同，根据P＝eq\f(U2,R)，各支路电阻上的电功率与电阻成反比。(2)总功率P总＝UI＝U(I1＋I2＋…＋In)＝P1＋P2＋…＋Pn。3．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各负载消耗的功率之和。【例1】有额定电压都是110V，额定功率PA＝100W，PB＝40W的电灯两盏，若接在电压是220V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()ABCD思路点拨：(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。C[若要两灯均正常发光，亦即每灯的电压均为110V，对A电路，因为RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110V，B灯将被烧坏；对B电路，UB＞U并，B灯将被烧坏；对C电路，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110V，两灯可能正常发光，且电路消耗总功率为200W；对D电路，变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻，可能有UA＝UB＝U并＝110V，两灯可能正常发光，且电路中消耗总功率为280W。综上可知，C正确。]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，要根据已知条件灵活选用公式，如用电器电流相同时，用P＝I2R比较，若电压相同时用P＝eq\f(U2,R)比较，若电阻相同时，可根据I或U的关系比较。(2)求解串、并联电路中的功率分配问题，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。考点2：纯电阻电路和非纯电阻电路1．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件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不服从欧姆定律能量转化电流做功全部转化为电热电流做功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、白炽灯等电动机、电解槽等2．电功与电热的区别与联系(1)纯电阻电路W＝Q＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t；P电＝P热＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R)。(2)非纯电阻电路电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，W＞Q；电功率P电＝UI，热功率P热＝I2R，P电＞P热。3．电动机的功率和效率(1)电动机的总功率(输入功率)：P总＝UI。(2)电动机发热的功率：P热＝I2r。(3)电动机的输出功率(机械功率)：P机＝P总－P热＝UI－I2r。(4)电动机的效率：η＝eq\f(P机,P总)×100%。【例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；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。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。思路点拨：(1)电动机停止转动，电路为纯电阻电路。(2)电动机正常运转，电路为非纯电阻电路。[解析]当电流表和电压表的示数为0.5A和1.0V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r＝eq\f(U1,I1)＝eq\f(1.0,0.5)Ω＝2Ω当电动机正常工作时，电流表、电压表示数分别为2.0A和15.0V，则电动机的总功率P总＝U2I2＝15.0×2.0W＝30.0W线圈电阻的热功率P热＝Ieq\o\al(2,2)r＝2.02×2W＝8.0W所以电动机的输出功率P输出＝P总－P热＝30.0W－8.0W＝22.0W。[答案]22.0W2Ω上例中，若电动机以v＝1m/s匀速竖直向上提升重物，该重物的质量为多少？(g＝10m/s2)提示：P出＝mgv，则m＝eq\f(P出,gv)＝2.2kg。规律方法电动机电路的分析与计算2.闭合电路的欧姆定律一、电动势1．闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路。用电器和导线组成外电路，电源内部是内电路。2．非静电力：在电源内部把正电荷从负极搬运到正极的力。3．电源：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。4．电动势(1)物理意义：表征电源把其他形式的能转化为电势能的本领。(2)定义：非静电力所做的功与所移动的电荷量之比。(3)定义式：E＝eq\f(W,q)。(4)单位：伏特，符号是V。二、闭合电路欧姆定律及其能量分析1．部分电路欧姆定律：I＝eq\f(U,R)。2．内电阻：电源内电路中的电阻。3．闭合电路中的能量转化：如图所示，A为电源正极，B为电源负极，电路中电流为I，在时间t内，非静电力做功等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和，即EIt＝I2Rt＋I2rt。4．闭合电路的欧姆定律(1)内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。(2)表达式：I＝eq\f(E,R＋r)。(3)常见的变形公式：E＝U外＋U内。三、路端电压与负载的关系1．负载：外电路中的用电器。2．路端电压：外电路的电势降落。3．路端电压与电流的关系(1)公式：U＝E－Ir。(2)结论：①外电阻R减小→I增大→U减小。②外电路断路→I＝0→U＝E。③外电路短路→I＝eq\f(E,r)→U＝0。(3)电源的U­I图像考点1：对电动势的理解1．概念理解(1)电源的种类不同，电源提供的非静电力性质不同，一般有化学力、磁场力(洛伦兹力)、涡旋电场力等。(2)不同电源把其他形式的能转化为电能的本领是不同的。电动势在数值上等于非静电力将1C正电荷在电源内从负极搬运到正极所做的功，也就是1C的正电荷所增加的电势能。(3)电动势是标量，电源内部电流的方向，由电源负极指向正极。(4)公式E＝eq\f(W,q)是电动势的定义式而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的。电动势不同，表示将其他形式的能转化为电能的本领不同，例如，蓄电池的电动势为2V，表明在蓄电池内移送1C的电荷时，可以将2J的化学能转化为电能。2．电动势与电压的对比物理量电动势E电压U物理意义非静电力做功将其他形式的能转化为电能的本领，表征电源的性质表示电场力做功将电能转化为其他形式的能的本领，表征电场的性质定义式E＝eq\f(W,q)，W为非静电力做的功U＝eq\f(W,q)，W为电场力做的功单位伏特(V)伏特(V)联系电动势等于电源未接入电路时两极间的电压3.电源的连接(1)n个完全相同的电源串联：电源的总电动势E总＝nE，电源的总内阻r总＝nr。(2)n个完全相同的电源并联：电源的总电动势E总＝E，电源的总内阻r总＝eq\f(r,n)。【例1】铅蓄电池的电动势为2V，一节干电池的电动势为1.5V，将铅蓄电池和干电池分别接入电路，两个电路中的电流分别为0.1A和0.2A。试求两个电路都工作20s时间，电源所消耗的化学能分别为多少？哪一个把化学能转化为电能的本领更大？[解析]对铅蓄电池电路，20s内通过的电荷量q1＝I1t＝2C对干电池电路，20s内通过的电荷量q2＝I2t＝4C由电动势定义式E＝eq\f(W,q)得，电源消耗的化学能分别为W1＝q1E1＝4J，W2＝q2E2＝6J，因E1>E2，故铅蓄电池把化学能转化为电能的本领大。[答案]4J6J铅蓄电池规律方法(1)电源的电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量，即非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多，则电动势越大。(2)公式E＝eq\f(W,q)中W为非静电力做的功，而E的大小与W、q无关。(3)电源电动势的大小是由电源本身性质决定的，不同种类的电源电动势的大小不同。考点2：对闭合电路欧姆定律的理解1．闭合电路中的几个关系式几种形式说明(1)E＝U＋U内(1)I＝eq\f(E,R＋r)和U＝eq\f(R,R＋r)E只适用于外电路为纯电阻的闭合电路(2)I＝eq\f(E,R＋r)(3)U＝E－Ir(U、I间关系)(4)U＝eq\f(R,R＋r)E(U、R间关系)(2)由于电源的电动势E和内电阻r不受R变化的影响，从I＝eq\f(E,R＋r)不难看出，随着R的增加，电路中电流I减小(3)U＝E－Ir既适用于外电路为纯电阻的闭合电路，也适用于外电路为非纯电阻的闭合电路2．特别提醒(1)外电路短路时电路中电流较大，为防止将电源、电路烧坏或引发火灾事故，一般不允许这种情况发生。(2)外电路含有非纯电阻元件(如电动机、电解槽等)时，不能直接用欧姆定律解决电流问题，可以根据串、并联电路特点或能量守恒定律列式计算。【例2】如图所示的电路中，当S闭合时，电压表和电流表(均为理想电表)的示数各为1.6V和0.4A。当S断开时，它们的示数各改变0.1V和0.1A，求电源的电动势和内电阻。思路点拨：(1)两表读数增减的分析：①开关S断开后，外电阻的变化：由R1、R2并联变化为只有R1接入电路，电阻变大；②两表读数的变化：电流表读数减小，电压表读数变大。(2)电压表测量的是路端电压，电流表测量的是干路电流，它们之间的关系满足闭合电路欧姆定律，即U＝E－Ir。[解析]当S闭合时，R1、R2并联接入电路，当S断开时，只有R1接入电路，此时路端电压增大、干路电流减小。当S闭合时，由闭合电路欧姆定律得：U＝E－Ir，即1.6＝E－0.4r ①当S断开时，只有R1接入电路，由闭合电路欧姆定律得：U′＝E－I′r，即1.6＋0.1＝E－(0.4－0.1)r ②由①②得：E＝2V，r＝1Ω。[答案]2V1Ω规律方法闭合电路问题的求解方法(1)分析电路特点：认清各元件之间的串、并联关系，特别要注意电压表测量哪一部分的电压，电流表测量哪个用电器的电流。(2)求干路中的电流：若各电阻阻值和电动势都已知，可用闭合电路的欧姆定律直接求出，也可以利用各支路的电流之和来求。(3)应用闭合电路的欧姆定律解决问题时，应根据部分电路的欧姆定律和电路的串、并联特点求出部分电路的电压和电流。考点3：闭合电路的动态变化闭合电路中只要电路的某一部分发生变化，就会影响整个电路，使总电路和每一部分的电流、电压都发生变化。其分析的一般思路为：(1)明确电路结构，即电路各元件的连接方式。(2)明确局部电阻的变化和外电路总电阻R总的变化。(3)运用I总＝eq\f(E,R总＋r)判断I总的变化。(4)运用U内＝I总r判断U内的变化。(5)运用U外＝E－U内判断U外的变化。(6)运用电学公式定性分析各支路相关量变化。【例3】如图所示的电路中，电源内阻不可忽略。开关S闭合后，在变阻器R0的滑动端向下滑动的过程中()A．电压表与电流表的示数都减小B．电压表与电流表的示数都增大C．电压表的示数增大，电流表的示数减小D．电压表的示数减小，电流表的示数增大思路点拨：(1)滑动变阻器的滑动端向下滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，总电阻减小。(2)分析电路的动态变化的一般思路是“先局部后整体再局部”。A[滑动变阻器R0的滑片向下滑动的过程中，R0接入电路的电阻变小，电路的总电阻变小，总电流变大，电源的内电压变大，外电压变小，电压表的示数变小，R1两端的电压变大，R2两端的电压变小，电流表的示数变小，A正确。]规律方法直流电路的动态分析思路基本思路是“部分→整体→部分”，即从阻值变化入手，由串、并联规律判知R总的变化情况，再由欧姆定律判知I总和U端的变化情况，最后由部分电路欧姆定律及串联分压、并联分流等规律判知各部分的变化情况。3.实验：电池电动势和内阻的测量一、实验原理和方法实验电路如图所示，根据闭合电路的欧姆定律，改变R的阻值，测出两组U、I的值，根据闭合电路欧姆定律可列出两个方程：eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋I1r,E＝U2＋I2r))⇒eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝\f(I1U2－I2U1,I1－I2),r＝\f(U2－U1,I1－I2)))二、实验器材待测电池一节，电流表(0～0.6A)、电压表(0～3V)各一块，滑动变阻器一只，开关一只，导线若干。三、实验步骤1．选定电流表、电压表的量程，按照电路图把器材连接好。2．把滑动变阻器滑片移到电阻最大的一端(图中左端)。3．闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显示数，读出电压表示数U和电流表示数I，并填入事先绘制好的表格(如下表)。实验序号123456I/AU/V4.多次改变滑片的位置，读出对应的多组数据，并一一填入表中。5．断开开关，整理好器材。四、数据处理1．公式法把测量的几组数据分别代入E＝U＋Ir中，然后两个方程为一组，解方程求出几组E、r的值，最后对E、r分别求平均值作为测量结果。2．图像法(1)以I为横坐标，U为纵坐标建立直角坐标系，根据几组I、U的测量数据在坐标系中描点。(2)用直尺画一条直线，使尽量多的点落在这条直线上，不在直线上的点，能大致均衡地分布在直线两侧。(3)如图所示：①图线与纵轴交点为E。②图线与横轴交点为I短＝eq\f(E,r)。③图线的斜率大小表示r＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))。五、误差分析1．偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作U­I图像时描点不准确。2．系统误差：主要原因是未考虑电压表的分流作用，使得电流表上读出的数值比实际的总电流(即流过电源的电流)要小一些。U越大，电流表的读数与总电流的偏差就越大。将测量结果与真实情况在U­I坐标系中表示出来，如图所示，可见E测<E真，r测<r真。六、注意事项1．器材和量程的选择(1)电池：为了使路端电压变化明显，电池的内阻宜大些，可选用已使用过一段时间的1号干电池。(2)电压表的量程：实验用的是一节干电池，因此电压表量程在大于1.5V的前提下，越小越好，实验室中一般采用量程为0～3V的电压表。(3)电流表的量程：对于电池来讲允许通过的电流最大为0.5A，故电流表的量程选0～0.6A的。(4)滑动变阻器：干电池的内阻较小，为了获得变化明显的路端电压，滑动变阻器选择阻值较小一点的。2．电路的选择：伏安法测电源电动势和内阻有两种接法，由于电流表内阻与干电池内阻接近，所以电流表应采用内接法，即一般选择误差较小的甲电路图。甲乙3．实验操作：电池在大电流放电时极化现象较严重，电动势E会明显下降，内阻r会明显增大，故长时间放电不宜超过0.3A，短时间放电不宜超过0.5A。因此，实验中不要将I调得过大，读电表示数要快，每次读完后应立即断电。4．数据处理(1)当路端电压变化不是很明显时，作图像时，纵轴单位可以取得小一些，且纵轴起点不从零开始，把纵坐标的比例放大。(2)画U­I图像时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均衡分布在直线的两侧，个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑。这样，就可使偶然误差得到部分抵消，从而提高精确度。【例1】为了测量一节干电池的电动势和内阻，某同学采用了伏安法，现备有下列器材：A．被测干电池一节；B．电流表1：量程0～0.6A，内阻r＝0.3Ω；C．电流表2：量程0～0.6A，内阻约为0.1Ω；D．电压表1：量程0～3V，内阻未知；E．电压表2：量程0～15V，内阻未知；F．滑动变阻器1：0～10Ω，2A;G．滑动变阻器2：0～100Ω，1A；H．开关、导线若干。利用伏安法测电池电动势和内阻的实验中，由于电流表和电压表内阻的影响，测量结果存在系统误差。在现有器材的条件下，要尽可能准确地测量电池的电动势和内阻。(1)在上述器材中请选择适当的器材：________。(填写选项前的字母)(2)实验电路图应选择图中的________(选填“甲”或“乙”)。甲乙丙(3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U­I图像，则干电池的电动势E＝________V，内电阻r＝________Ω。[解析](1)选择适当的器材：A.被测干电池一节必须选择；电流表1的内阻是已知的，故选B；电压表选择量程0～3V的D；滑动变阻器选择阻值较小的“0～10Ω，2A”的F；H.开关、导线若干必须选择。故选ABDFH。(2)因电流表的内阻已知，故实验电路图应选择图甲。(3)根据图丙所示的U­I图像，可知干电池的电动势E＝1.5V，内电阻r′＝|k|－r＝eq\f(1.5－1.0,0.5)Ω－0.3Ω＝0.7Ω。[答案](1)ABDFH(2)甲(3)1.50.7【例2】小明利用如图所示的实验装置测量一干电池的电动势和内阻。(1)图中电流表的示数为________A。(2)调节滑动变阻器，电压表和电流表的示数记录如下：U/V1.451.361.271.161.06I/A0.120.200.280.360.44请根据表中的数据，在坐标纸上作出U­I图线。由图线求得：电动势E＝________V，内阻r＝________Ω。(3)实验时，小明进行了多次测量，花费了较长时间，测量期间一直保持电路闭合。其实，从实验误差考虑，这样的操作不妥，因为_________________________________。[解析](1)电流表选用量程为0～0.6A，分度值为0.02A，则其读数为0.44A。(2)坐标系选择合适的标度，根据表中数据描点作出的U­I图线如图所示。图线与纵轴交点为“1.60V”，故E＝1.60V，由图线的斜率eq\f(ΔU,ΔI)＝－1.20知，电池内阻为1.20Ω。注意此处不要用图像与纵轴交点值除以与横轴交点值。(3)长时间保持电路闭合，电池会发热，电池内阻会发生变化，干电池长时间放电，也会引起电动势变化，导致实验误差增大。[答案](1)0.44(2)U­I图线见解析1.60(1.59～1.62均可)1.20(1.18～1.24均可)(3)干电池长时间使用后，电动势和内阻会发生变化，导致实验误差增大规律方法(1)画图线时应使多数点落在直线上，并且分布在直线两侧的数据点的个数要大致相等，这样，可使偶然误差得到部分抵消，从而提高精确度。(2)干电池内阻较小时U的变化较小，坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况，下面大面积空间得不到利用，为此可使纵轴坐标不从零开始，如图乙所示，把坐标的比例放大，可使结果的误差减小。此时图线横截距不表示短路电流，计算内阻要在直线上任取两个相距较远的点，用r＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))计算出电池的内阻r。甲乙4.能源与可持续发展一、能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。二、能量转移或转化的方向性1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。2．能量耗散：在能量转化过程中流散到周围环境中的内能很难再收集起来重新利用的现象。3．节约能源的根本原因：在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，即从便于利用的能源变为不便于利用的能源。4．自然界中的宏观过程具有方向性。三、能源的分类与应用1．能源的分类(1)不可再生能源：像煤炭、石油和天然气这类无法在短时间内再生的能源，也叫化石能源。(2)可再生能源：像水能、风能、潮汐能这类在自然界可以再生的能源。2．我国可再生能源的开发(1)太阳能发电；(2)水力发电；(3)风能发电；(4)核能发电。四、能源与社会发展1．人类利用能源的三个时期：柴薪时期、煤炭时期、石油时期。2．利用不可再生能源带来的危害(1)改变大气的成分，加剧气候的变化，如温室效应。(2)形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化土壤。(3)产生光化学烟雾，产生浮尘。考点1：能量守恒定律的理解和应用1．能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。2．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。3．应用能量转化与守恒解题的步骤(1)首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式。(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。(3)依据ΔE减＝ΔE增列式求解。【例1】如图所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4h，先拿去盖板，液体开始运动。由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为()A．eq\f(1,16)mgh B．eq\f(1,8)mghC．eq\f(1,4)mgh D．eq\f(1,2)mghA[去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势