2024-2025学年高中物理第3章恒定电流第3节焦耳定律学案鲁科版选修3-1

PAGE7-第3节焦耳定律[学习目标]1．知道电功的概念，驾驭电功和电功率的计算。(物理观念)2．知道焦耳定律，会依据焦耳定律计算用电器产生的电热。(科学思维)3．知道纯电阻电路与非纯电阻电路的差别，会结合实际，区分电功和电热。(科学思维)一、电能电功和电功率电功电功率概念电场力对定向移动的自由电荷所做的功单位时间内电流所做的功公式W＝qU＝UItP＝eq\f(W,t)＝UI单位焦耳，符号J瓦特，简称瓦，符号W物理意义描述电能转化为其他形式的能的多少描述电流做功的快慢二、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，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。2．公式：Q＝I2Rt。3．适用：用于任何电路电热的计算。三、身边的电热1．电热水器、电饭锅等家用电器是利用了电流的热效应，其电阻丝都是由电阻率较大的材料制成的。2．电焊是在焊接的金属接触面上通过电流，利用接触电阻产生的热量得到适合焊接的高温，从而对接触面进行焊接的一种方法。3．插头和插座之间、电线连接处假如接触不良，都会产生大电阻，简单发热，甚至迸出火花。4．电视机和显示器的后盖有许多孔，计算机的CPU要安装散热片及风扇，都是为了散热。1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)千瓦时(kW·h)是电功的常用单位。1kW·h＝3.6×106J。 (√)(2)电流做功的过程中，电能转化为其他形式的能。 (√)(3)电功率越大，电流做功肯定越快。 (√)(4)任何电路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 (×)[提示]只有纯电阻电路中W＝Q。2．(多选)对电功及焦耳定律公式的理解正确的是()A．焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解B．电功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都适合于任何电路，因此W不肯定等于QC．非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热D．电功的另一表达式W＝eq\f(U2,R)t适用于任何电路AB[任何电路的热功以及焦耳热的求解都可用焦耳定律求解，A正确；B选项中的两个公式均适合于任何电路，但W不肯定等于Q，B正确；在非纯电阻电路中的电功肯定大于焦耳热，C错误；W＝eq\f(U2,R)t只适用于纯电阻电路，D错误。]3．在直流电路中，两个电阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通过的电流之比I1∶I2＝2∶1，则在相等时间内两个电阻产生的热量之比Q1∶Q2为()A．1∶1 B．2∶1C．4∶1 D．8∶1D[已知两个电阻的阻值之比是2∶1，通过的电流之比是2∶1，则相等时间内产生的热量之比eq\f(Q1,Q2)＝eq\f(I\o\al(2,1)R1t,I\o\al(2,2)R2t)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,1)))eq\s\up12(2)×eq\f(2,1)＝eq\f(8,1)，故D正确。]电功和电功率电热和热功率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，电功的大小量度了电能的削减量，标记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。2．对电功率的理解电功率描述电流做功的快慢，电功率大电流做功快，电功率小电流做功慢。(1)电功率P＝eq\f(W,t)＝UI对任何电路都适用。(2)额定功率和实际功率①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率。②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率。3．电热和热功率(1)电热的计算公式为Q＝I2Rt(焦耳定律)。(2)热功率的计算公式为P热＝I2R。4．电功和电热的比较电功电热实质电场力对自由电荷做的功由于电流的热效应，电流通过导体发热计算公式W＝qU＝UItQ＝I2Rt联系与区分纯电阻电路中，电功等于电热，即W＝Q在非纯电阻电路中，电功大于电热，即W>Q电功率与热功率纯电阻电路中，电功率等于热功率，即P＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R)非纯电阻电路中，电功率大于热功率，即UI>I2R【例1】(多选)有一内阻为4.4Ω的直流电动机和一盏标有“110V60W”的灯泡串联后接在电压为220V的直流电源两端，灯泡正常发光，则()A．直流电动机消耗的电功率为120WB．直流电动机的发热功率为60WC．直流电动机消耗的电功率为60WD．电路消耗的总功率为120W思路点拨：①流过电动机和灯泡的电流相等。②依据公式P＝UI和P＝I2r计算电功率和热功率。CD[“灯泡正常发光”说明灯泡的实际电压为110V，电流I＝eq\f(60,110)A＝eq\f(6,11)A，电动机两端的电压为110V，电动机消耗的电功率为110V×eq\f(6,11)A＝60W，选项A错误，C正确；直流电动机的发热功率为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(6,11)))eq\s\up12(2)×4.4W＝1.3W，选项B错误；电路消耗的总功率为eq\f(6,11)×220W＝120W，选项D正确。]四个电学公式的适用范围(1)电功W＝UIt＝qU普遍适用。(2)I＝eq\f(q,t)为电流的定义式，普遍适用。(3)I＝eq\f(U,R)只适用于纯电阻电路。(4)电热Q＝I2Rt普遍适用。[跟进训练]1．在现代生活中，充电宝是手机一族出行的必备品。当充电宝电量不足时，须要给充电宝充电，此时充电宝相当于可充电的电池，充电过程可简化为如图所示电路。先给一充电宝充电，充电电压为5V，充电电流为1000mA，充电宝的内阻为0.2Ω。试求：(1)充电宝的输入功率；(2)充电宝内阻消耗的热功率；(3)一分钟内充电宝储存的电能。[解析](1)充电宝的输入功率为P入＝UI＝5×1000×10－3W＝5W。(2)充电宝内阻消耗的热功率为P热＝I2r＝12×0.2W＝0.2W。(3)一分钟内充电宝储存的电能为Q＝P入t－P热t＝5×60J－0.2×60J＝288J。[答案](1)5W(2)0.2W(3)288J纯电阻电路和非纯电阻电路1．纯电阻电路与非纯电阻电路(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能。(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为机械能或化学能。2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较项目纯电阻电路非纯电阻电路能量转化状况电功和电热的关系W＝Q即IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝Q＋E其他UIt＝I2Rt＋E其他电功率和热功率的关系P＝P热即IU＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他欧姆定律是否成立U＝IR，I＝eq\f(U,R)成立U＞IR，I＜eq\f(U,R)不成立【例2】小明打算参与玩具赛车竞赛，他想通过试验选择一只能量转换效率较高的电动机，试验时他先用手捏住电动机的转轴，使其不转动，然后放手，让电动机正常转动，分别将2次试验的有关数据记录在表格中。请问：电动机的电压/V电动机工作状态通过电动机的电流/A0.2不转动0.42.0正常转动1.0(1)这只电动机线圈的电阻为多少？(2)当电动机正常工作时，转化为机械能的功率是多少？(3)当电动机正常工作1min时，电动机消耗的电能是多少？(4)该玩具电动机正常工作时电能转化为机械能的效率是多少？思路点拨：[解析](1)电动机不转动时，是纯电阻电路，依据欧姆定律得：r＝eq\f(Ur,Ir)＝eq\f(0.2,0.4)Ω＝0.5Ω。(2)当电动机正常工作时，P机＝UI－I2r＝(2×1－12×0.5)W＝1.5W。(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能E＝UIt＝2×1×60J＝120J。(4)电能转化为机械能的效率η＝eq\f(P机,P总)×100%＝eq\f(1.5,2)×100%＝75%。[答案](1)0.5Ω(2)1.5W(3)120J(4)75%若上例中用此电机竖直吊起质量为m＝0.1kg的物体，则其正常工作时物体匀速上升的速度是多大？(取g＝10m/s2)[解析]由例题可知，该电机正常工作时，输出功率P机＝1.5W。由P机＝mg·v可知v＝eq\f(P机,mg)＝eq\f(1.5,1)m/s＝1.5m/s。[答案]1.5m/s电动机电路的分析与计算[跟进训练]2．某一电动机，当电压U1＝10V时带不动负载，因此不转动，这时电流为I1＝2A。当电压为U2＝36V时能带动负载正常运转，这时电流为I2＝1A。则这时电动机的机械功率是多少瓦？[解析]当电压U1＝10V时电动机不转动，这时电流为I1＝2A，依据欧姆定律，有：R＝eq\f(U1,I1)＝eq\f(10,2)Ω＝5Ω，当电压为U2＝36V时能带动负载正常运转，这时电流为：I2＝1A，这时电动机的机械功率是：P＝U2I2－Ieq\o\al(2,2)R＝36×1W－12×5W＝31W。[答案]31课堂小结知识脉络4个概念－－电功、电功率、电热、热功率4个公式－－W＝IUt、P＝IU、Q＝I2Rt、P热＝I2R2个电路－－纯电阻电路和非纯电阻电路1．下列家用电器在工作时，主要利用电流热效应的是()A．电熨斗 B．电冰箱C．吸尘器 D．电风扇A[电熨斗是利用了电流的热效应来产生热量的，故A正确。电冰箱利用电动机带动工作，利用了电流的磁效应，故B错误。吸尘器工作时，主要将电能转化为机械能，不是利用电流的热效应，选项C错误。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D错误。]2．(多选)甲、乙两只一般照明灯泡的铭牌如图所示，下列说法正确的是()A．甲灯的实际功率肯定总是40WB．将乙灯接入110V电路中，它的额定功率仍为60WC．两灯均正常发光时，甲灯灯丝电阻较大D．两灯均正常发光时，甲灯消耗的电能较少BCD[灯泡的铭牌上标记的是额定电压和额定功率，当工作电压不是220V时，灯泡的实际功率不再是额定功率，但额定功率不会随电压改变而改变，A错误，B、D正确；由R＝eq\f(U2,P)可知C正确。]3．下列说法正确的是()A．家庭生活中，常说的“1度”电，指的是电功率的单位B．功率是1千瓦的空调正常工作1个小时所消耗的电功是1度C．1度等于1000焦耳D．1度等于3.6×106瓦B[“度”是电功单位，1度＝1kW·h＝1×103W×3600s＝3.6×106J，故A、C、D错误；功率为1千瓦的空调正常工作1个小时消耗的电功为W＝Pt＝1kW·h＝1度，B正确。]4．某商场安装了一台倾角为30°的自动扶梯，该扶梯在电压为380V的电动机带动下以0.4m/s的恒定速度向斜上方移动，电动机的最大输出功率为4.9kW。不载人时测得电动机中的电流为5A，若载人时扶梯的移动速度和不载人时的移动速度相同，则这台自动扶梯可同