電路中的能量轉(zhuǎn)化 課件 【教材精講精研】 人教版新教材高中物理必修第三冊

12.1電路中的能量轉(zhuǎn)化

現(xiàn)代生活中隨處都可以見到用電設(shè)備和用電器，例如電燈、電視、電熱水壺、電動汽車等。那么，你知道這些用電器中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的嗎？一、電功和電功率1、電功

初中我們就知道，電熱水壺通電時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電動機通電時，電能轉(zhuǎn)化為機械能；蓄電池充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，是通過電流做功來實現(xiàn)的。

電流做功的實質(zhì)是，導(dǎo)體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。自由電荷在靜電力的作用下做定向移動，結(jié)果電荷的電勢能減少，其他形式的能增加。

圖12.1-1表示一段電路，電荷從左向右定向移動，它們經(jīng)過這段電路所用的時間記為t。根據(jù)已學(xué)的知識，在這段時間內(nèi)通過這段電路任一截面的電荷量為:q＝It

如果這段電路兩端的電勢差是U，靜電力做的功就是W＝Uq＝UIt

上式表示電流在一段電路中所做的功，等于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I、通電時間t三者的乘積。

2、電功率二、焦耳定律

初中我們就學(xué)過，能量在相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中是守恒的，下面我們應(yīng)用能量守恒定律分析電路中的能量轉(zhuǎn)化問題。電流做功，究竟電能會轉(zhuǎn)化為哪種形式的能量，要看電路中具有哪種類型的用器.電流通過電熱水器中的電熱元件做功時，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。實驗表明，在電流相同、通電時間相同的情況下，電阻越大，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多。實驗表明，在電阻相同、通電時間相同的情況下，通過一個電阻的電流越大，這個電阻產(chǎn)生的熱量越多。（1）電流在這段電路中做的功W等于這段電路產(chǎn)生的熱量Q,即

Q＝W＝UIt（2）由歐姆定律U＝IR，可以得到熱量Q的表達式Q＝I2

Rt。

英國物理學(xué)家焦耳做了大量實驗，于1840年最先精確地確定了電流產(chǎn)生的熱量跟電流、電阻和通電時間的關(guān)系：

電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時間成正比。這個關(guān)系式最初是由焦耳通過實驗直接得到的，物理學(xué)中就把它叫作焦耳定律（Joule’slaw）1、焦耳定律

由于W＝Q，所以此時電功率P＝W/t＝Q/t就是電流發(fā)熱的功率P熱＝I2R

在推導(dǎo)P＝UI的過程中，沒有對電路的性質(zhì)作任何限制，其中的電功率P是指電流做功的功率。在推導(dǎo)P熱＝I2R的過程中，我們用到了W＝Q這個條件，它要求電流做的功“全部變成熱”，其中的電功率P熱是指電流發(fā)熱的功率。2、熱功率三、電路中的能量轉(zhuǎn)化

焦耳定律討論了電路中電能完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的情況，但是實際中有些電路除含有電阻外還含有其他負載，如電動機。下面我們以電動機為例，討論一下電路中的能量轉(zhuǎn)化。

從能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度看，電動機從電源獲得能量，一部分轉(zhuǎn)化為機械能，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。設(shè)電動機消耗的功率為P電，電動機對外做功，輸出的功率為P機，另外,電動機工作時自身也有能量損失,對應(yīng)的功率為P損,它們之間滿足P電＝P機＋P損

設(shè)電動機兩端的電壓為U，通過電動機線圈的電流為I，可知P電＝UI電動機剛停止工作時，我們發(fā)現(xiàn)外殼是熱的，說明工作時有電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。設(shè)電動機線圈的電阻為R，可知P熱＝I2R

這說明，由于電動機線圈有電阻，所以電能除了轉(zhuǎn)化為機械能之外，確實還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。電動機的轉(zhuǎn)子與軸承均有摩擦，另外還有空氣阻力。但若忽略這部分能量損失，只考慮線圈發(fā)熱產(chǎn)生的能量損失，則有P損＝P熱

同樣，對于正在充電的電池，電能除了轉(zhuǎn)化為化學(xué)能之外，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。例題1、一臺電動機,線圈的電阻是0.4Ω，當(dāng)它兩端所加的電壓為220V時,通過的電流是5A.這臺電動機發(fā)熱的功率與對外做功的功率各是多少？解:

由焦耳定律可知，電動機發(fā)熱的功率為P熱＝I2R＝52×0.4W＝10W

電動機消耗的電功率為P電＝UI＝220×5W＝1100W

根據(jù)能量守恒定律