2023年閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化

第閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化

閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化

教學(xué)目標(biāo)

1．理解電路中的能量轉(zhuǎn)化情況，即在電路中哪部分發(fā)生由什么能轉(zhuǎn)化成什么能的

問(wèn)題．加深對(duì)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)．

2．掌握分析、計(jì)算電路中功率及能量的轉(zhuǎn)化的方法．

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

1．對(duì)電路中各部分做功情況（什么力做功）、能量轉(zhuǎn)換情況（什么能之間的轉(zhuǎn)化）

的分析、理解．

2．認(rèn)清電源輸出功率與效率的聯(lián)系與區(qū)別．

3．對(duì)非純電阻電路中能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題的理解、應(yīng)用．

教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

教師活動(dòng)

一、電路中的功與能

能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界普遍適用的規(guī)律．在電路中能量是怎么轉(zhuǎn)化的？請(qǐng)參照?qǐng)D3-4-1

所示電路回答并舉例．

學(xué)生活動(dòng)

答：電源是把其它能轉(zhuǎn)化為電能的裝置．內(nèi)阻和用電器是電能轉(zhuǎn)化為熱能等其它形

式能的裝置．如化學(xué)電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，而電路中發(fā)光燈泡是將電能轉(zhuǎn)化成光、

熱能．

對(duì)于一個(gè)閉合電路，它的能量應(yīng)該是守恒的，但又在不同形式間轉(zhuǎn)化，通過(guò)什么方式完成呢？

（請(qǐng)結(jié)合電動(dòng)勢(shì)和電壓的定義回答）

答：做功．在電源部分，非靜電力做正功W非=q，將其它形式的能轉(zhuǎn)化成電能．而

內(nèi)阻上電流做功，將電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能W內(nèi)=qU′（U′為內(nèi)阻上的電勢(shì)降），在外電路部

分，電流做功W外=qU（U為路端電壓），電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能．

這些功與能量間的定量關(guān)系如何？

總結(jié)：可見(jiàn)，整個(gè)電路中的能量循環(huán)轉(zhuǎn)化，電源產(chǎn)生多少電能，電路就消耗多少，收支平衡．

答：W非=W內(nèi)+W外

或q=qU′+qU/PGN0175.TxT/PGN

二、電功與電熱

這部分知識(shí)初中學(xué)過(guò)，可以列出一些問(wèn)題，讓學(xué)生回答，教師補(bǔ)充說(shuō)明即可．

如圖3-4-2所示，用電器兩端電壓U，電流I．

回答：（1）時(shí)間t內(nèi)，電流對(duì)用電器做功；

（2）該用電器的電功率；

（3）若用電器電阻為R，時(shí)間t內(nèi)該用電器產(chǎn)生的熱量；

（4）該用電器的熱功率；

（5）電功與電熱是否相等？它們的大小關(guān)系如何？為什么？

答：

（1）W=UIt

（2）P=W/t=UI

（3）Q=I2Rt（焦?fàn)柖桑?/p>

（4）P熱=Q/t=I2R

（5）若電路為純電阻電路，則

W=Q=I2Rt

若電路為非純電阻電路，則W＞Q（因?yàn)閃內(nèi)還包括電能轉(zhuǎn)化成的其它能量，即W=Q+E）

[例1]如圖3-4-3所示，A、B兩燈泡額定電壓都為110V，額定功率PA=100W，PB=40W，

接在220V電路上．欲使燈泡正常發(fā)光，且電路中消耗的功率最少，用以下哪種接法？

解：A圖中，由R=U2/P知，兩燈上電壓不能同時(shí)達(dá)到110V，故不可能都正常發(fā)光，

A被排除．

B圖中，由R=U2/P知RA＜RB，當(dāng)RA與變阻器R并聯(lián)后，該部分電阻更小，不可能

與B同時(shí)正常發(fā)光，所以B被排除．

C圖中，想讓A、B都正常發(fā)光，則兩個(gè)電燈上電壓都應(yīng)為110V，即A與B和R并

聯(lián)后的阻值相同，則A的功率與并聯(lián)部分的功率相同．所以總功率為2PA=200W．同理，

D圖中，R上分壓與A、B并聯(lián)部分相同，則兩部分電阻與電功率相同，所以總功率為2

（PA+PB）=280W．故選項(xiàng)C正確．

非純電阻電路中，電流做功也不再只轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而是根據(jù)具體情況轉(zhuǎn)化為其它各種形式的

能．教師演示小電機(jī)提升重物和電解槽電解ZnSO4溶液的例子（最好早些開(kāi)始，否則效果不

明顯），讓學(xué)生總結(jié)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中電能分別轉(zhuǎn)化成何種能量？

答：實(shí)驗(yàn)（1）中電流做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和內(nèi)能．實(shí)驗(yàn)（2）中，電流做功轉(zhuǎn)化為化

學(xué)能和內(nèi)能．

[例2]如圖3-4-4所示的電路中，電源電動(dòng)勢(shì)

=6V，內(nèi)電阻r=1Ω，M為一小電動(dòng)

機(jī)，其內(nèi)部線圈的導(dǎo)線電阻RM=2Ω．R為一只保護(hù)電阻，R=3Ω．電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，

電壓表的示數(shù)為0.3V，求電動(dòng)機(jī)得到的電功率和它轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械功率（請(qǐng)學(xué)生回答解此題

的關(guān)鍵點(diǎn)是什么？如何突破？）

答：本題的關(guān)鍵是電路中有電動(dòng)機(jī)，不是純電阻電路，因而歐姆定律不再適用．突

破點(diǎn)是利用電壓表與R的阻值，求出電路中的電流，再求出各部分的電壓和功率．

解：由部分電路歐姆定律知：電路中電流

I=Ubc/R=0.3/3=0.1A

由閉合電路歐姆定律知：Uab=-Ir-Ubc=6V-0.1#215;1V-0.3V=5.6V

所以電動(dòng)機(jī)得到的功率為電流對(duì)它做功的功率：P電=UabI=5.6#215;0.1W=0.56W

解答完畢后，可再讓學(xué)生求一下電動(dòng)機(jī)的效率η以加深非電阻電路P電≠P熱的印象．

P電轉(zhuǎn)化為兩部分：機(jī)械功率和電機(jī)導(dǎo)線內(nèi)阻上的發(fā)熱功率，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械功

率為：

P機(jī)=P電-I2RM=0.56W-0.12#215;2W

=0.54W

三、電源的功率與效率

1．電路中各功率及其關(guān)系

電源轉(zhuǎn)化功率：指非靜電力做功，把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的功率．

P轉(zhuǎn)=W/t=q

/t=

I

電流內(nèi)耗功率：指內(nèi)阻上的電熱功率．設(shè)內(nèi)阻為r，則

P內(nèi)=W內(nèi)/t=qU′/t=IU′=I2r

電源輸出功率：指電源對(duì)外電路做功的功率

P出=W外/t=Uq/t=UI

這三者之間是什么關(guān)系？

2．電源的最大輸出功率

設(shè)外電路總電阻為R，內(nèi)阻為r，電源電動(dòng)勢(shì)為

，試推導(dǎo)電源最大輸出功率及其產(chǎn)

生的條件．

思考題：①當(dāng)R＞r或R＜r時(shí)，P出怎么變化，對(duì)一個(gè)相同的P出會(huì)不會(huì)有兩個(gè)外電

阻R都滿足，如果存在這樣一對(duì)R，它們應(yīng)滿足什么關(guān)系

②畫出P轉(zhuǎn)、P內(nèi)、P出隨電流I的變化圖像，通過(guò)圖像證明R=r時(shí)，P出最大

3．電源的效率

η=P出/P轉(zhuǎn)=IU／I

=U/

當(dāng)總電路為純電阻電路且總電阻為R時(shí)：η=R/（R+r）

可見(jiàn)，R越大，電源效率較高，而P出最大時(shí)，η=r/（2r）=50％，并不大．所以要

注意區(qū)分電源輸出功率與效率這兩個(gè)概念．

答：由W非=W內(nèi)+W外得出：

P轉(zhuǎn)=P內(nèi)+P出，即

I=I2r+UI

解：P出=UI=2R/（R+r）2

=2/（R+2r+r2/R）

上式分母當(dāng)