2020-2021學(xué)年高中物理 第二章 直流電路 6 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化學(xué)案 教科版選修3-1

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第二章 直流電路 6 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化學(xué)案 教科版選修3-12020-2021學(xué)年高中物理 第二章 直流電路 6 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化學(xué)案 教科版選修3-1年級(jí)：姓名：- 15 -焦耳定律電路中的能量轉(zhuǎn)化必備知識(shí)自主學(xué)習(xí)一、探究決定導(dǎo)體電阻的因素比較項(xiàng)目電功電 功 率概念電場(chǎng)力移動(dòng)電荷所做的功電流所做的功與做這些功所用時(shí)間的比值公式w=iutp=iu單位焦耳,符號(hào)是j瓦特,簡(jiǎn)稱(chēng)瓦,符號(hào)是w物理意義描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少描述電流做功的快慢二、焦耳定律熱功率為什么電視機(jī)、電風(fēng)扇通電時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)發(fā)熱?提示:由于電視機(jī),電風(fēng)扇存在電阻,電流通過(guò)時(shí)

2、,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而發(fā)熱。1.焦耳定律:(1)內(nèi)容:電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比,跟電阻值成正比,跟通電時(shí)間成正比。(2)表達(dá)式:q=i2rt。2.焦耳熱和熱功率:(1)焦耳熱:電流通過(guò)電阻產(chǎn)生的熱量。(2)熱功率:定義:電阻通電所產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生這些熱量所用時(shí)間的比值,它在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)電阻通電所產(chǎn)生的熱量。公式: p熱=i2r。物理意義:表示電流發(fā)熱快慢的物理量。三、電路中的能量轉(zhuǎn)化閉合開(kāi)關(guān),物體上升,此過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化情況是怎樣的?提示:閉合開(kāi)關(guān),物體上升過(guò)程中,電源的電能轉(zhuǎn)化為物體的機(jī)械能和電動(dòng)機(jī)的內(nèi)能。1.在電源內(nèi)部,通過(guò)各種作用,其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。2.在外電路

3、上,電場(chǎng)力做功,將電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。(1)在純電阻元件中,電流使電阻發(fā)熱,電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,電功率等于熱功率,即p電=p熱。(2)在非純電阻元件中,電能要分別轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等,還有一部分轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能,這時(shí)p電=p熱+p其他,電功率大于熱功率。3.閉合電路歐姆定律實(shí)質(zhì)上是能量守恒定律在閉合電路中的具體體現(xiàn):ie=iu+i2r。4.當(dāng)外電路電阻r為零(短路)時(shí),路端電壓u=0,這時(shí)電流稱(chēng)為短路電流i0,有i0e=r。發(fā)生短路時(shí),電源釋放的能量全部在內(nèi)電路中轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。關(guān)鍵能力合作學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)一電功和電功率1.純電阻電路與非純電阻電路的比較:比較項(xiàng)目純電阻電路非純電阻電路元

4、件特點(diǎn)電路中只有電阻元件除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的元件歐姆定律服從歐姆定律,i=不服從歐姆定律,uir或iq(2)電功率與熱功率。比較項(xiàng)目純電阻電路非純電阻電路電功率p電=ui=i2r=p電=ui熱功率p熱=ui=i2r=p熱=i2r關(guān)系p電=p熱p電p熱情境:討論:(1)家用電器的銘牌是我們?cè)谫?gòu)買(mǎi)電器時(shí)的重要參考,電冰箱和電磁爐消耗的電能哪個(gè)更多?提示:雖然電磁爐的功率大于電冰箱的功率,但是工作時(shí)間不確定,所以無(wú)法比較消耗的電能大小。(2)電冰箱和電磁爐消耗的電能轉(zhuǎn)化方向是否相同?提示:電冰箱:電能一方面轉(zhuǎn)化為制冷消耗,一方面散熱消耗;電磁爐:電能轉(zhuǎn)化為熱能?！镜淅恳?guī)格為“2

5、20 v36 w”的排氣扇,線圈電阻為40 ,求:(1)接上220 v的電壓后,排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率;(2)如果接上電源后,扇葉被卡住,不能轉(zhuǎn)動(dòng),求電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率?！窘馕觥?1)接上220 v 電壓后,排氣扇的功率為36 w。根據(jù)熱功率公式p熱=i2r=()240 w1 w所以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率p機(jī)=p-p熱=36 w-1 w=35 w(2)當(dāng)接上220 v電壓后,扇葉被卡住,不能轉(zhuǎn)動(dòng),此電路變?yōu)榧冸娮桦娐?消耗的功率全部轉(zhuǎn)化為熱功率, 所以p=p熱= w=1 210 w答案:(1)35 w1 w(2)1 210 w1 210 w1.隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高

6、,家庭中使用的電器越來(lái)越多,下列電器中主要利用電流的熱效應(yīng)工作的是()a.手機(jī)b.電視機(jī)c.電熱水壺d.空調(diào)【解析】選c。手機(jī)充電時(shí)是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,a錯(cuò)誤;電視機(jī)工作時(shí),將電能轉(zhuǎn)化為光能、電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能等,b錯(cuò)誤;電熱水壺是將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,c正確;空調(diào)取暖時(shí)是電熱器工作,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;制冷時(shí)是壓縮機(jī)工作,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,d錯(cuò)誤。故選c。2.(多選)(2020廣元高二檢測(cè))如圖所示是一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電路圖,其中電動(dòng)機(jī)內(nèi)電阻r=1 ,電路中另一電阻r=9 ,直流電壓u=180 v,理想電壓表示數(shù)uv=135 v,電動(dòng)機(jī)正以v=1 m/s勻速豎直向上提升某重物,g取10

7、m/s2,下列判斷正確的是()a.通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流是18 ab.輸入電動(dòng)機(jī)的電功率是675 wc.電動(dòng)機(jī)的輸出功率是25 wd.重物的質(zhì)量是65 kg【解析】選b、d。通過(guò)r的電流為:i= a=5 a,a錯(cuò)誤;電動(dòng)機(jī)的輸入功率為p1=uvi=1355 w=675 w,故b正確;電動(dòng)機(jī)內(nèi)電阻的發(fā)熱功率為p2=i2r=521 w=25 w,輸出的機(jī)械功率為:p3=p1-p2=(675-25) w=650 w, c錯(cuò)誤;p3=fv=mgv解得m= kg=65 kg,d正確;故選b、d?！炯庸逃?xùn)練】1.對(duì)計(jì)算任何用電器的熱功率都適用的公式是(p表示用電器的熱功率,w表示電流對(duì)用電器做的功,u表示用電器

8、兩端電壓,i表示通過(guò)用電器上的電流)()a.p=i2rb.p=iuc.p=d.p=【解析】選a。公式p=i2r計(jì)算熱功率適用于所有電器。則a正確,b、c、d三項(xiàng)若求得熱功率,則只能是純電阻電路才可用的公式。2.(多選)如圖所示的電路中,l1、l2是兩個(gè)不同的小燈泡,a、b間有恒定的電壓,它們都正常發(fā)光,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向右滑動(dòng)時(shí),發(fā)生的現(xiàn)象是()a.l1亮度不變,l2變暗b.l1變暗,l2變亮c.電路消耗的總功率變小d.流過(guò)滑動(dòng)變阻器的電流變小【解析】選b、c、d。當(dāng)變阻器滑片向右滑動(dòng)時(shí)阻值增大,并聯(lián)部分的電阻變大,分得電壓變大,所以l2兩端電壓增大,變亮。l1分得電壓變小,l1變暗,a錯(cuò)誤

9、,b正確;因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器電阻變大,總電阻變大,由p=可知,u一定,p減小,即電路總功率減小,c正確;又因?yàn)榭傠娮柙龃?總電流減小,而l2電壓變大,電流變大,所以流過(guò)變阻器的電流減小,d正確。知識(shí)點(diǎn)二閉合電路的功率1.電源總功率:電路消耗電能總功率,公式為p總= ei。2.電源的輸出功率:外電路消耗功率,公式為p出=iu=ie-i2r。3.電源的內(nèi)耗功率:電源的內(nèi)電路消耗的功率,公式為p內(nèi)= i2r。4.各部分功率間的關(guān)系:p總=p出+p內(nèi)或ie=i2r+i2r。5.純電阻電路中電源輸出功率的討論:p出=ui=i2r=。(1)電源的輸出功率隨外電阻的變化關(guān)系如圖所示。(2)當(dāng)r=r時(shí),p出max

10、=。(3)一個(gè)輸出功率p(除最大功率外)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同的外電阻r1和r2,且r=。(4)當(dāng)rr時(shí),rp出。6.電源的效率:(1)電源的輸出功率與總功率的比值,即=100%=100%。(2)當(dāng)r=r時(shí),=50%。情境:電池說(shuō):我提供整個(gè)電路的能量,所以輸出功率的大小我說(shuō)了算。電阻說(shuō):我是用電器,消耗的電功率我說(shuō)了算。討論:(1)電源和電阻誰(shuí)說(shuō)的對(duì)?提示:電源的輸出功率取決于外電阻的大小。(2)何時(shí)電路消耗的總功率最大?提示:由p=ei可知,i越大,p越大,所以電路中的電阻越小,電路消耗的總功率越大。【典例】如圖所示,一直流電源與一保護(hù)電阻r0和一直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián),已知電源電動(dòng)勢(shì) e=24 v(電源

11、內(nèi)阻不計(jì)),保護(hù)電阻r0=4 ,電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻r=2 ,電動(dòng)機(jī)豎直向上勻速吊起一質(zhì)量為m=1 kg的重物時(shí),電流表的讀數(shù)i=2 a,不計(jì)一切阻力,g取10 m/s2。(1)電動(dòng)機(jī)的電功率及熱功率分別為多大?(2)重物勻速上升的速度v多大?(3)電動(dòng)機(jī)的效率是多少?【解析】(1)根據(jù)歐姆定律求出保護(hù)電阻兩端的電壓,再應(yīng)用串聯(lián)電路的特點(diǎn)求電動(dòng)機(jī)兩端的電壓,然后求出電動(dòng)機(jī)的電功率pm=umi及熱功率p熱=i2r;保護(hù)電阻兩端的電壓ur0=ir0=24 v=8 v電動(dòng)機(jī)兩端的電壓um=e-ur0=24 v-8 v=16 v電動(dòng)機(jī)的電功率pm=umi=162 w=32 w電動(dòng)機(jī)的熱功率p熱=i2r=222

12、w=8 w(2)求出電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率p機(jī),然后根據(jù)p機(jī)=mgv求出重物勻速上升的速度;電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率p機(jī)=pm-p熱=32 w-8 w=24 w重物勻速上升,則f=mgp機(jī)=fv=mgv,則重物勻速上升的速度v= m/s=2.4 m/s;(3)根據(jù)=求出電動(dòng)機(jī)的效率。電動(dòng)機(jī)的效率=100%=100%=75%答案:(1)32 w8 w(2)2.4 m/s(3)75%1.(多選)(2020樂(lè)山高二檢測(cè))一輛電動(dòng)觀光車(chē)蓄電池的電動(dòng)勢(shì)為e,內(nèi)阻為r,當(dāng)空載的電動(dòng)觀光車(chē)以速度v在平直公路上勻速行駛時(shí),流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為i,電動(dòng)機(jī)線圈電阻為r,司機(jī)與電動(dòng)觀光車(chē)總重力為mg,電動(dòng)觀光車(chē)受到的阻力是總重力的

13、k倍,忽略電動(dòng)觀光車(chē)內(nèi)部的摩擦,則()a.電源輸出功率為eib.電源效率為100%c.電動(dòng)機(jī)的輸出功率為kmgvd.電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率為ei-i2r【解析】選b、c。電源輸出功率為ei-i2r,選項(xiàng)a錯(cuò)誤;電源效率為=100%,選項(xiàng)b正確;電動(dòng)觀光車(chē)勻速運(yùn)動(dòng),牽引力等于阻力,即f=kmg,則電動(dòng)機(jī)的輸出功率為p出=kmgv,選項(xiàng)c正確;電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率為i2r,選項(xiàng)d錯(cuò)誤。故選b、c。2.(2020宜賓高二檢測(cè))如圖所示,電流表a視為理想電表,已知定值電阻r0=4 ,滑動(dòng)變阻器r的阻值范圍為010 ,電源的電動(dòng)勢(shì)e=6 v。閉合開(kāi)關(guān)s,當(dāng)r=3 時(shí),電流表的讀數(shù)i=0.5 a。(1)求電源的內(nèi)阻。(

14、2)當(dāng)滑動(dòng)變阻器r為多大時(shí),電源的總功率最大?最大值pm是多少?【解析】(1)電源的電動(dòng)勢(shì)e=6 v。閉合開(kāi)關(guān)s,當(dāng)r=3 時(shí),電流表的讀數(shù)i=0.5 a,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知i=解得:r=5 (2)電源的總功率p=ie解得:p=當(dāng)r=0 ,p最大,最大值pm=4 w答案:(1)5 (2)04 w【加固訓(xùn)練】1.用電器離電源l m,線路上的電流為i,為使在線路上的電壓降不超過(guò)u,已知輸電線的電阻率為。那么,輸電線的橫截面積的最小值為()a.b.c.d.【解析】選b。自用電器到電源需兩根導(dǎo)線,故導(dǎo)線總長(zhǎng)為2l,由r=及r=解得:s最小=,b正確。2.(多選)在如圖所示的電路中,燈泡l的電阻大

15、于電源的內(nèi)阻r,閉合開(kāi)關(guān)s,將滑動(dòng)變阻器滑片p向左移動(dòng)一段距離后,下列結(jié)論正確的是()a.燈泡l變亮b.電源的輸出功率變小c.電容器c上電荷量減少d.電流表示數(shù)變小,電壓表示數(shù)變大【解析】選b、d。將滑動(dòng)變阻器滑片p向左移動(dòng)一段距離后,r的阻值變大,電路中電流變小,燈泡變暗,a選項(xiàng)錯(cuò)誤;路端電壓變大,電阻r兩端電壓變大,電容器c兩端電壓變大,電容器c上電荷量增加,c選項(xiàng)錯(cuò)誤,d選項(xiàng)正確;當(dāng)外電路電阻等于電源的內(nèi)阻時(shí)電源的輸出功率最大,燈泡l的電阻大于電源的內(nèi)阻r,r增大,則外電路電阻比r大得越多,電源輸出功率越小,即電源輸出功率變小,b選項(xiàng)正確。3.如圖所示,電源的電動(dòng)勢(shì)是6 v,內(nèi)電阻是0.

16、5 ,電動(dòng)機(jī)m的線圈電阻為0.5 ,限流電阻r0為3 ,若電壓表的示數(shù)為3 v,試求:(1)電源的總功率和電源的輸出功率。(2)電動(dòng)機(jī)消耗的功率和電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率?！窘馕觥?1)在串聯(lián)電路中,電壓表測(cè)r0兩端的電壓,由歐姆定律得i= a=1 a電源的總功率:p總=ei=61 w=6 w由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得:p輸出=p總-i2r源=6 w-120.5 w=5.5 w(2)電源的輸出功率為電動(dòng)機(jī)和限流電阻獲得功率之和,即p輸出=pm+p0,故pm=p輸出-p0=p輸出-i2r0=5.5 w-3 w=2.5 w由pm=p機(jī)+pmr得p機(jī)=pm-pmr=2.5 w-i2r機(jī)=2.5 w-1 20

17、.5 w=2 w答案:(1)6 w5.5 w(2)2.5 w2 w【拓展例題】考查內(nèi)容:電功率、力的綜合應(yīng)用【典例】一輛電動(dòng)自行車(chē)的銘牌上給出了如表的技術(shù)參數(shù):規(guī)格后輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)車(chē)型26電動(dòng)自行車(chē)額定輸出功率120 w整車(chē)質(zhì)量30 kg額定電壓40 v最大載量120 kg額定電流3.5 a質(zhì)量為m=70 kg的人騎此電動(dòng)自行車(chē)沿平直公路行駛,所受阻力f阻恒為車(chē)和人總重的k=0.02倍。g取10 m/s2,求:(1)此車(chē)電機(jī)的內(nèi)阻。(2)在電機(jī)正常工作時(shí),人騎車(chē)行駛的最大速度?！窘馕觥?1)由表可知,電機(jī)的輸出功率為p出=120 w,額定電壓為u0=40 v,額定電流為i0=3.5 a電機(jī)正常

18、工作時(shí)輸入功率:p入=u0i0=403.5 w=140 w設(shè)電機(jī)的內(nèi)阻為r,則由歐姆定律知:p入-p出=r解得r=1.63 (2)設(shè)車(chē)的質(zhì)量為m,由題意知,行駛時(shí)所受阻力:f阻=k(m+m)g當(dāng)達(dá)到最大速度vm時(shí),有p出=f阻vm解得vm=6 m/s答案:(1)1.63 (2)6 m/s課堂檢測(cè)素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(多選)(2020廣元高二檢測(cè))如圖所示,電源的電動(dòng)勢(shì)e=12 v,內(nèi)阻r=2 ,直流電動(dòng)機(jī)額定功率為6 w,額定電壓為3 v,內(nèi)阻r0=0.5 ,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器r,使電動(dòng)機(jī)剛好正常工作,則此時(shí)滑動(dòng)變阻器通以電流部分的阻值r和電動(dòng)機(jī)的輸出功率p分別為()a.r=2.5 b.r=3.5 c.p

19、=2 wd.p=4 w【解析】選a、d。根據(jù)p=ui可知電動(dòng)機(jī)中的電流為:i= a=2 a,滑動(dòng)變阻器兩端的電壓為ur=e-um-ir=12 v-3 v-4 v=5 v,故滑動(dòng)變阻器連入電路的電阻為:r= =2.5 ,a正確,b錯(cuò)誤;電動(dòng)機(jī)的輸出功率為:p輸出=p-i2r0=(6-220.5) w=4 w,c錯(cuò)誤,d正確。故選a、d。2.(多選)關(guān)于三個(gè)公式p=ui,p=i2r,p=的適用范圍,以下說(shuō)法正確的是()a.第一個(gè)公式普遍適用于求電功率,后兩式普遍適用于求熱功率b.在純電阻電路中,三個(gè)公式既可適用于求電功率,又可適用于求熱功率c.在非純電阻電路中,第一個(gè)公式可適用于求電功率,第二個(gè)公

20、式可適用于求熱功率,第三個(gè)公式?jīng)]有意義d.由u=ir可知,三個(gè)公式?jīng)]有任何區(qū)別,它們表達(dá)相同的意義,所求p既是電功率,也是熱功率【解析】選b、c。首先要明確,歐姆定律u=ir只適用于純電阻電路,因此三個(gè)公式在純電阻電路中沒(méi)有區(qū)別,但在非純電阻電路中它們互不相同。其次,p=ui表示電功率,而p=i2r表示熱功率。因此,在純電阻電路中,ui=i2r,消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;而在非純電阻電路中,uii2r,即消耗的電能只有部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。3.r1和r2分別標(biāo)有“2 ,1.0 a”和“4 ,0.5 a”,將它們串聯(lián)后接入電路中,如圖所示,則此電路中允許消耗的最大功率為()a.1.5 wb.3.0 w

21、c.5.0 w d.6.0 w【解析】選a。把r1和r2串聯(lián)后,由于r2的最大電流較小,所以串聯(lián)后的最大電流為0.5 a,串聯(lián)后的總電阻為6 ,所以電路的最大功率為p=i2r=0.526 w=1.5 w,所以a正確。4.(多選)(2020綿陽(yáng)高二檢測(cè))在如圖所示電路中,p為滑動(dòng)變阻器的滑片,電表均為理想電表。下列說(shuō)法正確的是()a.在p向右移動(dòng)的過(guò)程中,電流表的示數(shù)變大b.在p向右移動(dòng)的過(guò)程中,電壓表的示數(shù)變大c.當(dāng)p移到滑動(dòng)變阻器的右端時(shí),電源內(nèi)部消耗的電功率最大d.當(dāng)p移到滑動(dòng)變阻器的右端時(shí),電源的效率最高【解析】選a、c?；瑒?dòng)變阻器滑片p向右移動(dòng),電路總電阻減小,根據(jù)i=可知,電流表的示數(shù)變大,根據(jù)e=u+ir可知電壓表的示數(shù)減小,故a正確,b錯(cuò)誤;當(dāng)p移到滑動(dòng)變阻器的右端時(shí),外電阻r最小,根據(jù)i=,可知,電路中的電流最大;根據(jù)p內(nèi)=i2r可知此時(shí)電源內(nèi)部消耗的電功率最大,故c正確;根據(jù)效率=100%可知,此時(shí)的電源的效率最低,故d錯(cuò)誤。5.(多選)如圖所示的電路中,電源電動(dòng)勢(shì)為12 v,內(nèi)阻為2 ,四個(gè)電阻的阻值已在圖中標(biāo)出。閉合開(kāi)關(guān)s,下列說(shuō)法