2020-2021學(xué)年高中物理 第3章 恒定電流 3 電功與電熱學(xué)案 魯科版必修3

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第3章 恒定電流 3 電功與電熱學(xué)案 魯科版必修32020-2021學(xué)年高中物理 第3章 恒定電流 3 電功與電熱學(xué)案 魯科版必修3年級(jí)：姓名：- 16 -第3節(jié)電功與電熱新 課 程 標(biāo) 準(zhǔn)學(xué) 業(yè) 質(zhì) 量 目 標(biāo)1.理解電功、電功率及焦耳定律。2.能用焦耳定律解釋生產(chǎn)生活中的電熱現(xiàn)象。合格性考試1.初步形成電功與電熱的概念。2.通過對(duì)焦耳定律內(nèi)容的理解,可以在熟悉的情景中分析解決問題。選擇性考試1.通過對(duì)電功與電功率、電熱與熱功率的綜合分析,可以解釋生活中的實(shí)際問題。2.通過生活實(shí)例,能將電氣設(shè)備耗能問題中的對(duì)象和過程轉(zhuǎn)化成電功與電熱問題。3.通過分析生活中的用

2、電現(xiàn)象,提出可探究的電功與電熱問題。必備知識(shí)自主學(xué)習(xí)一、電功和電功率當(dāng)家中只開一盞節(jié)能燈時(shí),電能表的表盤轉(zhuǎn)得很慢,而用電磁爐燒水時(shí),電能表的表盤轉(zhuǎn)得很快。這是為什么呢?提示:因?yàn)楣?jié)能燈的功率遠(yuǎn)小于電磁爐的功率,故在相同時(shí)間內(nèi)節(jié)能燈消耗的電能要遠(yuǎn)小于電磁爐。1.電能的轉(zhuǎn)化:電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程就是電流做功的過程,消耗了多少電能,電流就做了多少功。2.電功與電功率:電功電功率概念電場力對(duì)定向移動(dòng)的自由電荷所做的功單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功公式w=uitp=ui單位焦耳,符號(hào) j瓦特,簡稱瓦,符號(hào) 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、焦耳定律電爐絲和導(dǎo)線通過的電流相同

3、,為什么電爐絲熱得發(fā)紅,而導(dǎo)線幾乎不發(fā)熱?提示:電爐絲電阻較大,在通電時(shí)間一樣的時(shí)候,電爐絲產(chǎn)生的熱量更多一些。1.內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比,與導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。2.公式:q=i2rt。3.單位:焦耳,符號(hào):j。三、身邊的電熱1.電流熱效應(yīng)的應(yīng)用:如電熱水器、電飯鍋、電刻筆、電焊等都是利用電流的熱效應(yīng)工作的。2.電流熱效應(yīng)的危害:(1)插頭和插座之間接觸不良會(huì)迸出火花。(2)在輸電線路中由于電熱,降低了電能的輸送效率。(3)電線中由于電流過大或散熱不好會(huì)燒壞電線的絕緣層,引起漏電、觸電。(1)電功與能量的單位都是焦耳,電功就是電能。()(2)電功與電能不同,電

4、流做功的過程其實(shí)就是電能向其他形式的能轉(zhuǎn)化的過程。()(3)電功率越大,表示電流做功越多。()(4)為了不燒壞用電器,用電器的實(shí)際功率不能大于其額定功率。()(5)根據(jù)能量守恒定律,電流所做的功與產(chǎn)生的熱量一定相等。()關(guān)鍵能力合作學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)一電功和電功率1.對(duì)電功率的分析:(1)電功率p=ui對(duì)任何電路都適用。(2)額定功率和實(shí)際功率。額定功率:用電器正常工作所消耗的功率。實(shí)際功率:用電器在實(shí)際電壓下電流做功的功率。2.對(duì)電功、電功率的三點(diǎn)說明:(1)電功w=uit適用于任何電路。(2)在純電阻電路中,由于i=,所以在純電阻電路中的電功可表示為w=uit=i2rt=t。(3)p=ui適用于任

5、何電路,在純電阻電路中p=ui=i2r=。已知導(dǎo)線兩端的電壓為u,流過的電流為i,如圖所示。(1)在時(shí)間t內(nèi)通過某橫截面的電荷量是多少?(2)把這些電荷量從左端移到右端,電場力做的功是多少?提示:(1)通過某橫截面的電荷量q=it。(2)電場力做的功w=qu=uit?！镜淅恳桓娮杞z在通過2 c的電量時(shí),消耗電能是8 j。若在相同時(shí)間內(nèi)通過1 c的電量,則該電阻絲兩端所加電壓u和該電阻絲在這段時(shí)間內(nèi)消耗的電能w分別為()a.u=4 v,w=4 jb.u=4 v,w=2 jc.u=2 v,w=4 jd.u=2 v,w=2 j【解題探究】(1)電阻絲通過2 c的電量,消耗電能是8 j時(shí),其兩端的

6、電壓是多少?提示:根據(jù)w=qu,此時(shí)兩端的電壓u為4 v。(2)當(dāng)通過電阻絲的電量發(fā)生變化時(shí),電流將發(fā)生怎樣的變化?提示:根據(jù)i=,相同的時(shí)間內(nèi),電荷量變?yōu)樵瓉淼囊话霑r(shí),電流也變?yōu)樵瓉淼囊话搿！窘馕觥窟xd。因?yàn)殡娮杞z在通過2 c的電量時(shí),消耗的電能是8 j,由w=qu得:此時(shí)電壓為:u= v=4 v,當(dāng)在相同的時(shí)間內(nèi)通過電阻絲的電量是1 c時(shí),根據(jù)i=可知:i=,電阻不變,根據(jù)u=ir可知,此時(shí)電阻絲兩端電壓為:u= v=2 v,電阻絲在這段時(shí)間內(nèi)消耗的電能為:w=qu=12 j=2 j,故d正確,a、b、c錯(cuò)誤。電功公式的適用條件(1)電功w=qu=uit適用于任何電路。(2)電功w=i2r

7、t=t只適用于純電阻電路。1.下列關(guān)于電功和電功率的說法中,正確的是()a.電流做功就是電場力做功,把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能b.電流做功越多,則功率越大c.電功率越小,則電流做的功一定越少d.額定電壓相同的電阻a和b,額定功率papb,兩者串聯(lián)后接在電路中,持續(xù)一段時(shí)間后,實(shí)際消耗的電能wawb【解析】選a。電流做功的本質(zhì)就是電場力驅(qū)動(dòng)電荷定向移動(dòng)做功,把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。根據(jù)電功率的定義式:p=,可知電功率的大小與做功的多少無關(guān)。額定電壓相同的電阻a和b,額定功率papb,由p=可知:rawa。故a正確,b、c、d錯(cuò)誤。2.某個(gè)實(shí)驗(yàn)探究小組用一個(gè)標(biāo)有“12 v”,但額定功率模糊不清的燈

8、泡做實(shí)驗(yàn),測得燈絲電阻隨燈泡兩端電壓變化的關(guān)系圖像如圖所示。求:(1)燈泡的額定功率多大。(2)若將一定值電阻與燈泡串聯(lián)后接到20 v電壓上,要使燈泡能正常發(fā)光,串聯(lián)的電阻為多大?！窘馕觥?1)由題圖知,正常發(fā)光時(shí)r=8 ,故電功率為:p= w=18 w。(2)電阻的電壓為:u=20 v-12 v=8 v電阻的電流為:i= a=1.5 a串聯(lián)的電阻為:rx= 5.33 答案:(1)18 w(2)5.33 【加固訓(xùn)練】1.一臺(tái)國產(chǎn)xqb3013型自動(dòng)洗衣機(jī)說明書中所列的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表所示,試根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)計(jì)算:額定電壓220 v額定頻率50 hz額定洗衣、脫水功率360 w額定洗衣、脫水容

9、量3 kg整機(jī)質(zhì)量33 kg外形尺寸(長寬高)(542550920) mm3(1)這臺(tái)洗衣機(jī)在額定電壓下洗衣或脫水時(shí),通過洗衣機(jī)的電流是多大?(2)如洗衣、脫水的累計(jì)時(shí)間為40 min,則洗衣機(jī)耗電多少?【解析】(1)由說明書可知p=360 w,又由p=ui可知i= a=1.64 a。(2)w=pt=3604060 j=8.64105 j故消耗的電能為8.64105 j。答案:(1)1.64 a(2)8.64105 j2.如圖為常見的led顯示屏?，F(xiàn)有一顯示屏是由某種型號(hào)的led燈組成的,每只燈在不同電壓下發(fā)出不同顏色的光,發(fā)光時(shí)的工作電流均為20 ma。當(dāng)電壓為1.4 v時(shí)發(fā)紅光;當(dāng)電壓為1

10、.8 v時(shí)發(fā)黃光;當(dāng)電壓為3.2 v時(shí)發(fā)藍(lán)光。已知該顯示屏面積為3 m2,1 m2燈的數(shù)量為1.0104個(gè),則當(dāng)整個(gè)顯示屏所有l(wèi)ed燈都發(fā)藍(lán)光時(shí),led燈的總功率最接近()a.1.0102 wb.1.0103 wc.1.0104 wd.1.0106 w【解析】選b。當(dāng)led燈發(fā)藍(lán)光時(shí),兩端的電壓u=3.2 v,通過的電流i=20 ma=0.02 a,則每個(gè)led燈的電功率p=ui=3.2 v0.02 a=0.064 w。1 m2燈的數(shù)量為1.0104個(gè),則總功率:p總=np=1.01040.064 w=640 w?？芍谒膫€(gè)選項(xiàng)中,最接近的是b選項(xiàng)。故b正確,a、c、d錯(cuò)誤。知識(shí)點(diǎn)二電功和電熱

11、的關(guān)系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元件特點(diǎn)電路中只有電阻元件除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的用電器電流、電壓、電阻三者的關(guān)系遵循歐姆定律i=不遵循歐姆定律,由w=uit=i2rt+w其他知uir或i能量轉(zhuǎn)化形式電流做功全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能:w=q=uit=i2rt=t電流做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和其他形式的能量:電功w=uit;電熱q=i2rt,w=q+w其他能量轉(zhuǎn)化示意圖元件舉例電阻、電爐絲、白熾燈電動(dòng)機(jī)、電解槽、電風(fēng)扇2.對(duì)純電阻電路和非純電阻電路的三點(diǎn)說明:(1)電能全部轉(zhuǎn)化成電熱為純電阻電路,電能轉(zhuǎn)化成電熱和其他形式能為非純電阻電路。(2)非純電阻電路只能用q=

12、i2rt計(jì)算電熱,電功w=uit大于q。(3)對(duì)于含有電動(dòng)機(jī)的電路,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是非純電阻電路,電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)是純電阻電路。3.電動(dòng)機(jī)的功率和效率:(1)輸入功率:電動(dòng)機(jī)的總功率。由電動(dòng)機(jī)電路的電流和電壓決定,計(jì)算:p總=ui。(2)輸出功率:電動(dòng)機(jī)做有用功的功率。(3)熱功率:電動(dòng)機(jī)線圈上有電阻,電流通過線圈時(shí)要發(fā)熱,熱功率p熱=i2r。(4)功率關(guān)系:p總=p出+p熱。(5)電動(dòng)機(jī)的效率:=。在現(xiàn)代化生產(chǎn)生活中,電動(dòng)機(jī)是我們的得力助手,能夠幫我們處理許多問題。(1)對(duì)于電動(dòng)機(jī)的電路,電流做功把電能轉(zhuǎn)化成什么能量?(2)流過電動(dòng)機(jī)的電流i、兩端的電壓u、電動(dòng)機(jī)本身的電阻r三者之間滿足怎樣的關(guān)系

13、?提示:(1)電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和機(jī)械能。(2)在相同時(shí)間t內(nèi),根據(jù)uit=i2rt+w其他可得,iir,故quit;因?yàn)閜=ui,故qpt,故a、c錯(cuò)誤,b正確;又因?yàn)閕,所以熱量q=i2rtt,故d錯(cuò)誤。2.有一個(gè)直流電動(dòng)機(jī),把它接入0.2 v電壓的電路時(shí),電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn),測得流過電動(dòng)機(jī)的電流是0.4 a;若把它接入2 v 電壓的電路中,電動(dòng)機(jī)正常工作,工作電流是1 a。(1)求電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的輸出功率。(2)如在正常工作時(shí),轉(zhuǎn)子突然被卡住,此時(shí)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率為多大?【解析】電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí),說明電動(dòng)機(jī)無機(jī)械能輸出,它消耗的電能完全轉(zhuǎn)化為熱能,此時(shí)電動(dòng)機(jī)可看成純電阻,則r=0.5 。當(dāng)加電

14、壓為2 v、電流為1 a時(shí),電動(dòng)機(jī)正常工作,有機(jī)械能輸出,此時(shí)電動(dòng)機(jī)可看成非純電阻元件,消耗的電能等于轉(zhuǎn)化的機(jī)械能和熱能之和。轉(zhuǎn)化的熱功率為p熱=i2r=0.5 w總功率p總=ui=2 w,則輸出功率p出=p總-p熱=1.5 w。答案:(1)1.5 w(2)0.5 w【拓展例題】考查內(nèi)容:電動(dòng)機(jī)的功率與效率【典例】如圖所示,電源電壓恒為u=14 v,小燈泡l標(biāo)有“4 v8 w”,電動(dòng)機(jī)的線圈電阻rm=1.0 ,當(dāng)變阻器調(diào)到2 時(shí),小燈泡與電動(dòng)機(jī)均正常工作,求電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率?！窘馕觥啃襞菡９ぷ鱥=2 a電動(dòng)機(jī)的輸入功率p入=i(u-ul-ir)=12 w線圈電阻消耗的功率p內(nèi)=i2rm=4

15、 w所以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率=100%=100%66.7%。答案:66.7%情境模型素養(yǎng)由于電動(dòng)自行車是一種綠色環(huán)保型助力車,它沒有廢氣產(chǎn)生和噪聲污染,所以越來越受到人們的青睞。如圖所示,一電動(dòng)自行車動(dòng)力電源上的銘牌標(biāo)有“48 v12 ah”字樣。正常工作時(shí)電源輸出電壓為40 v,額定輸出功率為240 w。由于電動(dòng)機(jī)發(fā)熱損耗,其效率為80%,不考慮其他部件的摩擦損耗。已知人與車的總質(zhì)量為76.8 kg,電動(dòng)自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻力恒為38.4 n,電動(dòng)自行車保持額定功率從靜止開始啟動(dòng)加速到最大速度所前進(jìn)的距離為10 m。探究:(1)電動(dòng)自行車加速的時(shí)間為多少?(2)電動(dòng)自行車保持額定功率勻速行駛的最長

16、時(shí)間大約是多少?【解析】(1)電動(dòng)機(jī)的輸出功率為:p出=80%p=192 w,電動(dòng)自行車達(dá)到最大速度時(shí),牽引力等于阻力,f=f=38.4 n,則最大速度:v= m/s=5 m/s,根據(jù)動(dòng)能定理可知,p出t-fx=mv2-0解得電動(dòng)自行車加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間:t=7 s。(2)電源的輸出電流為i= a=6 a,電量:q=12 ah,則放電時(shí)間:t=2 h,忽略加速時(shí)間7 s,電動(dòng)自行車保持額定功率勻速行駛的最長時(shí)間約為2 h。答案:(1)7 s(2)2 h機(jī)械化生產(chǎn)逐漸代替手工勞動(dòng),不但可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,還可以減輕體力勞動(dòng)。某裝置通過直流電動(dòng)機(jī)提升重物,如圖所示,重物的質(zhì)量m=50 kg,電源的電壓

17、為120 v,不計(jì)電源內(nèi)阻。當(dāng)電源通電時(shí),該裝置以a=2 m/s2的加速度向上提升重物,當(dāng)重物的速度為v=0.5 m/s時(shí),電路中的電流強(qiáng)度i=5 a(g取10 m/s2)。探究:(1)電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為多少?此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率為多少?(2)若因故障電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng),電動(dòng)機(jī)消耗的電功率是多少?【解析】(1)對(duì)重物:f-mg=ma,解得f=mg+ma=500 n+502 n=600 n設(shè)電動(dòng)機(jī)輸入功率為p,輸出功率為p機(jī),熱功率為pr,則有:p機(jī)=fv=6000.5 w=300 wp=ui=1205 w=600 w代入公式p=p機(jī)+i2r解得r=12 。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率=100%=100%=

18、50%(2)因電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)電路中電流最大,最大電流為:i= a=10 a電動(dòng)機(jī)消耗的功率也最大:p=ui=12010 w=1 200 w答案:(1)12 50%(2)1 200 w課堂檢測素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(教材二次開發(fā)p76【節(jié)練習(xí)】t3變式)我市部分道路將高壓鈉燈換成led燈,已知高壓鈉燈功率為400 w,led燈功率為180 w,若更換2 000盞,則一個(gè)月可節(jié)約的電能約為()a.9102 kwhb.1.5105 kwhc.6105 kwhd.11012 kwh【解析】選b。每盞高壓鈉燈換成led燈時(shí),節(jié)約的功率p=(400-180) w=220 w=0.22 kw;路燈一般工作時(shí)間一

19、天約為12小時(shí),故一個(gè)月可節(jié)約的電能約為:w=npt=2 0000.223012 kwh1.58105 kwh;故b正確,a、c、d錯(cuò)誤。2.電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用加快了人類社會(huì)進(jìn)步,下列家用電器利用了電動(dòng)機(jī)工作的是()a.日光燈b.電熨斗c.電風(fēng)扇d.電蚊拍【解析】選c。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)有機(jī)械能的輸出。日光燈是將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能,故a錯(cuò)誤;電熨斗是將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故b錯(cuò)誤;電風(fēng)扇是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,應(yīng)用了電動(dòng)機(jī),故c正確;電蚊拍是將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故d錯(cuò)誤。3.某型號(hào)無人機(jī)的飛行器由四個(gè)多旋翼電機(jī)并聯(lián)組成,設(shè)每個(gè)電機(jī)內(nèi)阻為r、正常工作時(shí)工作電流為i、電壓為u,以下關(guān)于飛行器的輸出功率正確的是()

20、a.4uib.4c.4i2rd.4ui-4i2r【解析】選d。無人機(jī)的飛行器正常工作時(shí),其電路是非純電阻電路,正常工作時(shí)工作電流為i、電壓為u,所以飛行器消耗的總功率p=4ui,每個(gè)電機(jī)內(nèi)阻為r、所以熱功率p熱=4i2r,則飛行器的輸出功率p出=4ui-4i2r,故d正確,a、b、c錯(cuò)誤?！炯庸逃?xùn)練】如圖所示,理發(fā)用的電吹風(fēng)機(jī)中有電動(dòng)機(jī)和電熱絲,電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng),電熱絲給空氣加熱,得到熱風(fēng)將頭發(fā)吹干,設(shè)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻為r1,它與電熱絲的電阻r2串聯(lián),接到直流電源上,電路中電流為i,電動(dòng)機(jī)電壓為u1,消耗的電功率為p1,電熱絲兩端電壓為u2,消耗的電功率為p2,則下列式子不正確的是()a.p1=u1ib.u1=ir1c.p2=i2r2d.u2=ir2【解析】選b。由于