第1節(jié)-電路中的能量轉化

1、第1節(jié)電路中的能量轉化核心素養(yǎng)物理觀念科學思維科學探究1.理解電功、電功率、電熱、熱功率的概念。2.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點和區(qū)別。1.弄清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯系，并能進行有關的計算。2.了解公式QI2Rt(PI2R)、Q(P)的適用條件。3.通過有關實例，讓學生理解非純電阻電路中的能量轉化關系。1.探究電功與電流、電壓、時間的關系。2.探究電功、電熱與其他形式的能在非純電阻電路中轉化的關系。知識點一電功和電功率觀圖助學電吹風工作時，將電能轉化為什么能？電風扇工作時，將電能轉化為什么能？電熨斗工作時，將電能轉化為什么能？1.電功(1)定義：電流在一段電路中所做的功等于

2、這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I和通電時間t三者的乘積。(2)公式：WIUt(3)單位：焦耳，符號為J。常用的單位：千瓦時(kWh)，也稱“度”，1 kWh3.6106 J。2.電功率(1)定義：單位時間內電流所做的功。(2)公式：PUI。(3)單位：瓦特，符號為W。(4)意義：表示電流做功的快慢。思考判斷(1)電流做功的過程中，電能轉化為其他形式的能。()(2)電功WUIt可以用來計算所有電路中電流所做的功。()(3)電流通過用電器時，電流做的功越多，說明用電器的電功率越大。()(4)電功率越大，電流做功一定越快。()知識點二焦耳定律觀圖助學用電爐燒水時，爐盤內的電爐絲被燒得通紅，產生大

3、量的熱，而連接電爐的導線卻不怎么熱，這是什么原因？1.焦耳定律(1)內容：電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻及通電時間成正比。(2)表達式：QI2Rt。2.熱功率(1)定義：單位時間內的發(fā)熱量稱為熱功率。(2)表達式：PI2R。(3)物理意義：表示電流發(fā)熱快慢的物理量。思考判斷(1)電熱QI2Rt可以用來計算所有含有電阻的電路中產生的焦耳熱。()(2)根據電功的公式和歐姆定律可以推導出電熱的公式，因此電功和電熱是完全相同的。()(3)QI2Rt適用于任何電路求熱量。()知識點三電路中的能量轉化觀圖助學標有“220 V40 W”的白熾燈泡和“220 V40 W”的電動機，把

4、它們并聯后接到220 V的照明電路中，二者都能正常工作，它們在相同的時間內產生的電熱相同嗎？1.兩種電路(1)純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時，電能全部轉化為導體的內能。(2)含有電動機或電解槽等的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中，電流做功將電能除了部分轉化為內能外，還轉化為機械能或化學能等其他形式的能。2.電動機的功率和效率(1)電動機的輸入功率是電動機消耗的總功率，P入UI。(2)電動機的熱功率是線圈上電阻的發(fā)熱功率，P熱I2r。(3)電動機的輸出功率是電動機將電能轉化為機械能的功率，P出IUI2r。(4)電動機的效率：100%100%。思考判斷(1)電動機是非純電阻用電器，所以

5、在任何情況下，都不能將電能全部轉化為內能。()(2)電動機消耗的電能，一部分轉化為機械能，一部分轉化為線圈內阻上的電熱。()電流做功的過程是電能轉化為其他形式的能的過程，電功的大小量度了電能的變化量，標志著電能轉化為其他形式能的多少。電流做功一方面與實際功率有關，另一方面還與通電時間有關，只有實際功率與時間乘積越大時，電流做功才越多，因此用電器額定功率越大接在電路中電流做的功不一定越多。電烤箱是焦耳定律的一個實際應用。電烤箱可以把電能轉化為內能，并且時間越長，產生的熱量越多，所以不小心的話面包就會被烤糊。含有電動機或電解槽等的電路稱為非純電阻電路。兩種電路的功、熱關系純電阻電路非純電阻電路電流

6、、電壓和電阻三者間的關系遵循歐姆定律，I不遵循歐姆定律，I能量轉化規(guī)律電流做功將電能全部轉化為內能，即WQUItI2Rtt電流做功將電能轉化為內能和其他形式的能，電功WUIt，而電熱QI2Rt，即WQW其他Q功率關系電功率等于熱功率，即P電P熱UII2R電功率P電UI，熱功率P熱I2R，P電P熱P其他元件舉例電阻、電爐絲、白熾燈等電動機、電解槽、電風扇等核心要點 對電功、電功率的理解觀察探究(1)如圖所示，電路中電流為I，通電時間為t，那么在這段時間內通過這段電路任一截面的電荷量是多少？如果這段電路兩端的電勢差是U，靜電力做的功是多少？(2)電流做功的“快慢”與電流做功的“多少”是否相同，兩者

7、間有何關系？答案(1)ItIUt(2)不相同。電流做功快，但做功不一定多；電流做功慢，但做功不一定少。電流做功的快慢用電功率表示，電流做功的多少用電功表示。電流做功的多少與做功的時間和做功的快慢有關。探究歸納1.對電功的理解(1)從力的角度看，電流做功的實質是靜電力對自由電荷做功。(2)從能的角度看，電流做功的過程是電能轉化為其他形式的能的過程，電功的大小量度了電能的減少量，標志著電能轉化為其他形式的能的多少。(3)電功WUItqU對任何電路都適用。2.對電功率的理解(1)電功率PUI對任何電路都適用。(2)額定功率和實際功率額定功率：用電器正常工作時所消耗的功率，也是用電器兩端電壓為額定電壓

8、(或通過的電流為額定電流)時消耗的電功率。用電器銘牌上所標的功率即為額定功率。實際功率：用電器實際工作時消耗的電功率。為了保證用電器不被損壞，要求實際功率不能大于其額定功率。試題案例例1 一根電阻絲在通過2 C的電荷量時電流所做的功為8 J，若在相同的時間內通過4 C的電荷量，求：(1)電阻絲上的電流所做的功；(2)電流做功的功率是原來的幾倍。解析(1)設電阻絲的電阻為R，由qIt得，由WI2Rt得，所以W24W132 J。(2)由電功率P得4(倍)。答案(1)32 J(2)4倍針對訓練1 一個電阻接入某電路后，消耗的功率為110 W，通過3 C的電荷量時，有330 J的電能轉化為內能，則下列

9、說法錯誤的是()A.電阻兩端所加電壓為330 VB.通過電阻的電流為1 AC.電阻通電時間為3 sD.這個電阻的阻值為110 解析由WqU知，電阻兩端所加電壓U110 V，A錯誤；由PIU得I1 A，B正確；由WPt得通電時間t3 s或t s3 s，C正確；由R，得R110 ，D正確。答案A核心要點 純電阻電路中的電功率的分析與計算觀察探究甲、乙兩只普通照明燈泡的銘牌如圖所示?，F將兩燈泡串聯接在電路中，兩燈泡均發(fā)光，則兩燈泡哪一個較亮？若將兩燈泡并聯接在電路中，兩燈泡均發(fā)光，哪一個較亮？答案兩燈泡串聯時甲燈較亮；兩燈泡并聯時，乙燈較亮。探究歸納1.在純電阻電路中，由于WQ，I，所以有UII2R

10、。2.串、并聯電路中的功率關系串聯電路并聯電路功率分配總功率PP1P2PnPP1P2Pn從能量轉化的角度看，無論是串聯電路還是并聯電路，無論是純電阻電路還是非純電阻電路，電路消耗的總功率均等于電路中各部分消耗的功率之和。3.額定功率和實際功率(1)用電器正常工作時所消耗的電功率叫作額定功率。當實際電壓達到額定電壓時，實際功率等于額定功率。(2)為了用電器不被燒毀，實際功率不能大于額定功率。特別提醒：(1)求解串、并聯電路中的功率分配問題，比例法求解會使問題簡化，但一定要確定是正比關系還是反比關系。(2)當分析用電器的功率問題時，一定要注意用電器的安全，即不要超過用電器的額定電壓、額定電流。試題

11、案例例2 把兩根電阻相同的電熱絲先串聯后并聯分別接在同一電源上，若要產生相等的熱量，則兩種方法所需的時間之比t串t并為()A.11 B.21C.41 D.14解析設每根電熱絲電阻為R0，則R串2R0，R并。由QWt得t串t并41。答案C例3 額定電壓都是110 V，額定功率PA100 W，PB40 W的電燈兩盞，若接在電壓是220 V的電路上，使兩盞電燈均能正常發(fā)光，且電路中消耗功率最小的電路是()思路點撥(1)兩電燈均正常發(fā)光時，其電壓必為額定電壓。(2)滑動變阻器消耗的功率最小時電路總功率就最小。解析對燈泡有PUI，可知RARB，對于A電路，由于RARB，所以UBUA，則有UB110 V，

12、B燈被燒毀，A錯誤；對于B電路，由于RBRA，A燈又并聯變阻器，并聯電阻更小于RB，所以UBU并，B燈被燒毀，B錯誤；對于C電路，B燈與變阻器并聯電阻可能等于RA，所以可能UAUB110 V，兩燈可以正常發(fā)光。對于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯電阻，則UAUB110 V，兩燈可以正常發(fā)光。比較C、D兩個電路，由于C電路中變阻器功率為(IAIB)110 V，而D電路中變阻器功率為(IAIB)110 V，所以C電路消耗電功率最小。答案C針對訓練2 把家用電爐的電熱絲剪去一小段后，繼續(xù)使用，則在同樣的時間內()A.由QI2Rt可知，電爐的發(fā)熱量減小B.由QUIt可知，電爐的發(fā)熱量不變C.

13、由Qt可知，電爐的發(fā)熱量增大D.無法確定解析將家用電爐的電熱絲剪去一小段后，其電阻R變小，由于加在電爐兩端的電壓U不變，因此由公式Qt可知，在相同時間t內，電爐的發(fā)熱量Q增大，選項C正確。答案C針對訓練3 (多選)如圖所示，L1、L2是兩個規(guī)格不同的燈泡，當它們如圖連接時，恰好都能正常發(fā)光，設電路兩端的電壓保持不變，在將滑動變阻器的滑片P向右移動的過程中，下列判斷正確的是()A.滑動變阻器兩端電壓變大B.通過滑動變阻器的電流變小C.L1變暗，L2變亮D.L1變亮，L2變暗解析當滑動變阻器的滑片P向右移動時，滑動變阻器連入電路的電阻增大，總電阻增大，總電流減小，L1燈兩端電壓減小，L1燈變暗，L

14、2和滑動變阻器兩端電壓增大，通過L2的電流增大，L2燈變亮，通過滑動變阻器的電流減小，故選項A、B、C正確，D錯誤。答案ABC核心要點 非純電阻電路中的電功率、熱功率的分析與計算觀察探究如圖所示為一正常工作的電動機，其工作電壓為220 V。(1)電動機消耗的電能會全部轉化為線圈產生的內能嗎？(2)其工作電壓是線圈兩端電壓嗎？答案(1)一部分轉化為內能。(2)不是。其工作電壓大于線圈兩端電壓。探究歸納1.純電阻電路和非純電阻電路的比較純電阻電路非純電阻電路舉例白熾燈、電爐、電熨斗、電飯鍋電動機、電解槽能量轉化情況電功和電熱的關系WQ即IUtI2RtWQE其他UItI2RtE其他電功率和熱功率的關

15、系PP熱即IUI2RPP熱P其他即IUI2RP其他歐姆定律是否成立UIR，I，歐姆定律成立UIR，I，歐姆定律不成立說明WUIt、P電UI適用于任何電路計算電功和電功率QI2Rt、P熱I2R適用于任意電路計算電熱和熱功率只有純電阻電路滿足WQ，P電P熱；非純電阻電路WQ，P電P熱2.電功率與熱功率的區(qū)別與聯系(1)區(qū)別：電功率是指某段電路的總功率，即這段電路上消耗的全部電功率，表示電流在一段電路中做的功等于這段電路兩端的電壓U和通過這段電路的電流I的乘積，P電UI。熱功率是指元件(導體)因發(fā)熱而消耗的功率，電流通過元件發(fā)熱的功率等于通過元件(導體)的電流的平方與電阻的乘積，P熱I2R。(2)聯

16、系：對純電阻電路，電功率等于熱功率；對非純電阻電路，電功率等于熱功率與轉化為除內能外其他形式的能的功率之和。試題案例例4 (多選)下列關于電功、電功率和焦耳定律的說法中正確的是()A.電功率越大，電流做功越快，電路中產生的焦耳熱一定越多B.WUIt適用于任何電路，而WI2Rtt只適用于純電阻電路C.在非純電阻電路中，UII2RD.焦耳熱QI2Rt適用于任何電路解析電功率公式P，表示電功率越大，電流做功越快。對于一段電路，有PIU，I，焦耳熱Q()2Rt，可見Q與P、U、t、R都有關，所以P越大，Q不一定越大，A錯誤；WUIt適用于任何電路，而I只適用于純電阻電路，B正確；在非純電阻電路中，電流

17、做的功焦耳熱其他形式的能，所以WQ，即UII2R，C正確；QI2Rt適用于任何電路，D正確。答案BCD例5 規(guī)格為“220 V36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 ，求：(1)接上220 V電壓后，排氣扇轉化為機械能的功率和發(fā)熱的功率；(2)如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉動，求電動機消耗的功率和發(fā)熱的功率。解析(1)排氣扇在220 V電壓下正常工作電流I A0.16 A，發(fā)熱功率P熱I2R0.16240 W1 W，轉化為機械能的功率P機PP熱(361)W35 W。(2)扇葉被卡住不能轉動后，電動機相當于純電阻，電能全部轉化為內能，此時通過排氣扇的電流I A5.5 A。電動機消耗的功率等于發(fā)熱

18、功率PP熱IU5.5220 W1 210 W。由于發(fā)熱量很大，將很快燒壞電動機線圈。答案(1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W方法總結電動機電路的分析方法(1)分清是純電阻電路還是非純電阻電路.電動機轉動時是非純電阻電路，電動機不轉動時是純電阻電路。(2)分清要求的是電功還是電熱(或熱功率)，對照公式的適用條件，合理選擇公式。(3)電動機的輸入功率即總功率P入IU，電動機的發(fā)熱功率P熱I2r，電動機的輸出功率P出P入P熱。針對訓練4 關于電功W和電熱Q的說法正確的是()A.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，且WQB.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，但W不一定等于QC.

19、WUIt、QI2Rt均只有在純電阻電路中才成立D.WUIt在任何電路中都成立，QI2Rt只在純電阻電路中才成立解析WUIt適用于任何電路，QI2Rt也適用于任何電路，如果是純電阻電路，則WQ，在非純電阻電路中WQ，B正確，A、C、D錯誤。答案B針對訓練5 小型直流電動機(其線圈內阻為r1 )與規(guī)格為“4 V4 W”的小燈泡并聯，再與阻值為R5 的電阻串聯，然后接至U12 V的電源上，如圖所示，小燈泡恰好正常發(fā)光，電動機正常工作，求：(1)通過電動機的電流；(2)電動機的輸出功率P出；(3)電動機的效率。解析(1)流經燈泡的電流IL A1 A流經電阻R的電流IR A1.6 A流經電動機的電流II

20、RIL0.6 A。(2)電動機消耗的總功率PULI40.6 W2.4 W電動機的熱功率P熱I2r(0.6)21 W0.36 W電動機的輸出功率P出PP熱2.4 W0.36 W2.04 W。(3)電動機的效率100%100%85%。答案(1)0.6 A(2)2.04 W(3)85%1.(對電功的理解)(多選)關于電功，下列說法中正確的有()A.電功的實質是靜電力所做的功B.電功是電能轉化為其他形式能的量度C.靜電力做功使金屬導體內的自由電子運動的速率越來越大D.電流通過電動機時的電功率和熱功率相等答案AB2.(焦耳定律的應用)通過電阻R的電流為I時，在t時間內產生的熱量為Q，若電阻為2R，電流為

21、，則在時間t內產生的熱量為()A.4Q B.2Q C. D.解析根據QI2Rt得，電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，電流變?yōu)樵瓉淼?，時間不變，則熱量變?yōu)樵瓉淼?，C正確。答案C3.(熱功率的計算)一臺電動機，額定電壓為100 V，電阻為1 。正常工作時，通過的電流為5 A，則電動機因發(fā)熱損失的功率為()A.500 W B.25 WC.1 000 W D.475 W解析電動機的熱功率PI2r521 W25 W，B正確，A、C、D錯誤。答案B4.(對純電阻電路和非純電阻電路的理解)有一個直流電動機，把它接入0.2 V電壓的電路時，電動機不轉，測得流過電動機的電流是0.4 A；把它接入2 V電壓的電路中，電動機正常

22、工作，工作電流是1 A。(1)求這臺電動機的內阻；(2)求電動機正常工作時的輸出功率；(3)如在正常工作時，轉子突然被卡住，此時電動機的發(fā)熱功率為多大？解析(1)電動機不轉時電路為純電阻電路，由歐姆定律可知電動機線圈的內阻r 0.5 。(2)電動機正常工作時電路為非純電阻電路，消耗的總功率P總UI21 W2 W線圈內阻的熱功率P熱I2r120.5 W0.5 W則電動機正常工作時的輸出功率P出P總P熱2 W0.5 W1.5 W。(3)電動機的轉子突然被卡住時，此時電路為純電阻電路，發(fā)熱功率P W8 W。答案(1)0.5 (2)1.5 W(3)8 W基礎過關1.室內有幾種用電器：1.5 kW的電飯

23、煲、200 W的電冰箱、750 W的取暖器、250 W的電視機和2 kW的空調器。如果進線處有13 A的保險絲，供電電壓為220 V，下列情況下不能同時使用的是()A.電飯煲和電冰箱B.取暖器和空調器C.電飯煲和空調器D.電冰箱、電視機和空調器解析電路中允許的最大功率為PmUI2 860 W。用電器的功率之和大于Pm時，用電器就不可以同時使用，故C正確。答案C2.額定電壓、額定功率均相同的電風扇、電烙鐵和日光燈，各自在額定電壓下正常工作了相同的時間。比較它們產生的熱量，結果是()A.電風扇最多 B.電烙鐵最多C.日光燈最多 D.一樣多解析在三種用電器中，只有電烙鐵是純電阻用電器，將電能全部轉化

24、為內能，故選項B正確。答案B3.(多選)一臺電動機線圈的電阻與一只電爐的電阻相同，都通過相同的電流，在相同時間內()A.電爐放熱與電動機放熱相等B.電爐兩端電壓小于電動機兩端電壓C.電爐兩端電壓等于電動機兩端電壓D.電動機消耗的功率大于電爐的功率解析電爐屬于純電阻，電動機屬于非純電阻，對于電爐有：UIR，放熱QI2Rt，消耗功率PI2R，對于電動機有：UIR，放熱QI2Rt，消耗功率PUII2R。答案ABD4.(多選)理發(fā)用的電吹風機中有電動機和電熱絲，電動機帶動風葉轉動，電熱絲給空氣加熱，得到熱風將頭發(fā)吹干，設電動機的線圈電阻為R1，它與電熱絲的電阻R2串聯，接到直流電源上，電吹風機兩端電壓

25、為U，電流為I，消耗的電功率為P，則有()A.PUI B.PI2(R1R2)C.PUI D.PI2(R1R2)解析電動機正常轉動時，電動機消耗的功率PUI，且大于發(fā)熱功率，選項C、D正確。答案CD5.三只電阻R1、R2和R3按如圖所示連接，在電路的A、B端加上恒定電壓后，電阻R1消耗的功率最大，則三只電阻的阻值大小關系為()A.R1R2R3 B.R2R1R3C.R3R2R1 D.R1R3R2解析電阻R1、R2并聯，二者兩端的電壓相等，因為電阻R1消耗的功率最大，由功率公式P，可判斷R2R1，由串、并聯電路的特點可知，通過電阻R1的電流小于通過電阻R3的電流，根據功率公式PI2R，可判斷R1R3

26、，故選項B正確。答案B6.加在某電動機上的電壓是U(V)，電動機消耗的電功率為P(W)，電動機線圈的電阻為r()，則電動機線圈上消耗的電熱功率為()A.P B.C. D.P解析因為PIU，I，所以P熱()2r，故C正確。答案C7.(多選)如圖所示，把四個相同的燈泡接成甲、乙兩種電路后，燈泡都正常發(fā)光，且兩個電路的總功率相等。則下列對這兩個電路中的U甲、U乙、R甲、R乙之間的關系的說法，正確的是()A.U甲2U乙 B.U甲2U乙C.R甲4R乙 D.R甲2R乙解析設燈泡的電阻為R，正常發(fā)光時電流為I，電壓為U，由于兩個電路的總功率相等，PU甲IU乙2I，得U甲2U乙；又由U甲2UIR甲，U乙U2I

27、R乙，得R甲4R乙，故選項B、C正確。答案BC8.圖為甲、乙兩燈泡的IU圖像，根據圖像，計算甲、乙兩燈泡并聯在電壓為220 V的電路中時實際發(fā)光的功率約為()A.15 W，30 W B.30 W，40 WC.40 W，60 W D.60 W，100 W解析從圖像的橫坐標(U)為220 V的刻度可找出對應的縱坐標(I)的值分別為I甲0.18 A，I乙0.27 A。則P甲UI甲40 W，P乙UI乙60 W，C正確。答案C9.如圖所示，電源電壓8 V(內阻不計)，閉合開關后，電流表的示數為0.2 A，電流表的示數為0.3 A。電流表均可視為理想電表。試求：(1)R1的電功率；(2)1 min內R2消

28、耗的電能。解析由電路圖可知I2II10.3 A0.2 A0.1 A(1)P1UI180.2 W1.6 W。(2)QWUI2t80.160 J48 J。答案(1)1.6 W(2)48 J能力提升10.如圖為一種服務型機器人，其額定功率為48 W，額定工作電壓為24 V，機器人的鋰電池容量為20 Ah。則機器人()A.額定工作電流為20 AB.充滿電后最長工作時間為2 hC.電池充滿電后總電荷量為7.2104 CD.以額定電流工作時每秒消耗能量為20 J解析由PIU知額定電流I2 A，選項A錯誤；充滿電后，鋰電池容量為20 Ah，最長工作時間t10 h，選項B錯誤；電池充滿電后總電荷量QIt203 600 C7.2104 C，選項C正確；以額定電流工作時每秒消耗能量WIUt48 J，選項D錯誤。答案C11.A、B為“220 V100 W”的兩盞相同的燈泡，C、D為“220 V40 W”的兩盞相同的燈泡