第十二章電能能量守恒定律（原卷版）

第十二章電能能量守恒定律1電路中的能量轉(zhuǎn)化一、電功和電功率1．電功(1)電功是指電路中靜電力對定向移動的電荷所做的功，電流做功的過程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程．(2)電功的計算公式：W＝UIt.單位：焦耳，符號為J.常用的單位：千瓦時(kW·h)，也稱“度”，1kW·h＝×106J.2．電功率(1)定義：電流在一段電路中所做的功與通電時間之比．(2)公式：P＝eq\f(W,t)＝UI.(3)單位：瓦特，符號為W.(4)意義：表示電流做功的快慢．二、焦耳定律1．焦耳定律(1)內(nèi)容：電流通過導體產(chǎn)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：Q＝I2Rt.2．熱功率(1)定義：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量稱為熱功率．(2)表達式：P熱＝I2R.(3)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，即P電＝P機＋P損，其中P電＝UI，P損＝I2R.1．純電阻電路與非純電阻電路(1)純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時，電能全部轉(zhuǎn)化為導體的內(nèi)能．(2)非純電阻電路：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(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機械能或化學能等其他形式的能．例如電動機P總＝P出＋P熱．2．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(zhuǎn)化情況電功和電熱的關(guān)系W＝Q即IUt＝I2RtW＝Q＋E其他UIt＝I2Rt＋E其他電功率和熱功率的關(guān)系P＝P熱，即IU＝I2RP＝P熱＋P其他即IU＝I2R＋P其他歐姆定律是否成立U＝IR，I＝eq\f(U,R)成立U＞IR，I＜eq\f(U,R)不成立說明W＝UIt、P電＝UI適用于任何電路計算電功和電功率Q＝I2Rt、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W＝Q，P電＝P熱；非純電阻電路W>Q，P電>P熱四、電功和電熱1．電功和電功率W＝UIt是電功的計算式，P＝UI是電功率的計算式，適用于任何電路．2．電熱和熱功率Q＝I2Rt是電熱的計算式，P熱＝I2R是熱功率的計算式，可以計算任何電路產(chǎn)生的電熱和熱功率．3．串、并聯(lián)電路的功率分配關(guān)系(1)串聯(lián)電路中各個電阻的電功率跟它的阻值成正比，即eq\f(P1,R1)＝eq\f(P2,R2)＝…＝eq\f(Pn,Rn)＝I2.(2)并聯(lián)電路中各個電阻的電功率跟它的阻值成反比，即P1R1＝P2R2＝…＝PnRn＝U2.(3)無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，電路消耗的總功率均等于電路中各電阻消耗的功率之和．4．額定功率和實際功率(1)用電器正常工作時所消耗的功率叫作額定功率．當用電器兩端電壓達到額定電壓U額時，電流達到額定電流I額，電功率也達到額定功率P額．且P額＝U額I額．(2)用電器的實際功率是用電器在實際工作時消耗的電功率，為了使用電器不被燒毀，要求實際功率不能大于其額定功率．2閉合電路的歐姆定律一、電動勢1．非靜電力的作用：把正電荷從負極搬運到正極，同時在該過程中非靜電力做功，使電荷的電勢能增加．2．電源(1)定義：通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置．(2)能量轉(zhuǎn)化：在電源內(nèi)部，非靜電力做正功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能，在電源外部，靜電力做正功，電勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．3．電動勢(1)電動勢：在電源內(nèi)部，非靜電力把正電荷從負極移送到正極所做的功W與被移送電荷量q的比值．(2)定義式：E＝eq\f(W,q).單位：伏特(V)．(3)物理意義：反映電源非靜電力做功本領(lǐng)大小的物理量．(4)決定因素：由電源中非靜電力的特性決定，跟電源的體積無關(guān)，跟外電路無關(guān)．(5)電源的電動勢是表征電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)大小的物理量，即非靜電力移送相同電荷量的電荷做功越多，則電動勢越大．(6)公式E＝eq\f(W,q)是電動勢的定義式而不是決定式，E的大小與W和q無關(guān)，是由電源自身的性質(zhì)決定的，不同種類的電源電動勢大小不同．(7)電動勢在數(shù)值上等于非靜電力把1C的正電荷在電源內(nèi)從負極移送到正極所做的功．4．靜電力和非靜電力(1)靜電力是帶電體之間通過電場相互作用的力，非靜電力是指除靜電力外能對電荷移動起作用的力.(2)非靜電力的來源①在化學電池(干電池、蓄電池)中，非靜電力是化學作用，它使化學能轉(zhuǎn)化為電勢能．②在發(fā)電機中，非靜電力是電磁作用，它使機械能轉(zhuǎn)化為電勢能．5．靜電力與非靜電力做功的比較(1)非靜電力只存在于電源內(nèi)部，因此非靜電力只在電源內(nèi)部對電荷做功．通過非靜電力做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．(2)靜電力存在于整個閉合電路上，所以在電路中任何部位靜電力都要做功，靜電力做功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．二、閉合電路歐姆定律及其能量分析1．閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化(1)時間t內(nèi)電源輸出的電能(等于非靜電力做功的大小)為W＝Eq＝EIt.(2)時間t內(nèi)外電路產(chǎn)生的內(nèi)能為Q外＝I2Rt.內(nèi)電路產(chǎn)生的內(nèi)能為Q內(nèi)＝I2rt.(3)根據(jù)能量守恒定律，在純電阻電路中應(yīng)有W＝Q外＋Q內(nèi)，即EIt＝I2Rt＋I2rt.2．閉合電路的歐姆定律(1)內(nèi)容：閉合電路的電流跟電源的電動勢成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比．(2)表達式：I＝eq\f(E,R＋r).(3)另一種表達形式：E＝U外＋U內(nèi)．即：電源的電動勢等于內(nèi)、外電路電勢降落之和．三、路端電壓與負載的關(guān)系1．路端電壓的表達式：U＝E－Ir.2．路端電壓隨外電阻的變化規(guī)律(1)當外電阻R增大時，由I＝eq\f(E,R＋r)可知電流I減小，路端電壓U＝E－Ir增大．(2)當外電阻R減小時，由I＝eq\f(E,R＋r)可知電流I增大，路端電壓U＝E－Ir減?。?3)兩種特殊情況：當外電路斷開時，電流I變?yōu)?，U＝E.即斷路時的路端電壓等于電源電動勢．當電源短路時，外電阻R＝0，此時I＝eq\f(E,r).3．路端電壓與負載的關(guān)系：U＝E－U內(nèi)＝E－eq\f(E,R＋r)r，隨著外電阻增大，路端電壓增大；當外電路開路時(外電阻無窮大)，路端電壓U＝E；這也提供了一種粗測電動勢的方法，即用電壓表直接測電源電動勢．4.路端電壓與電流的關(guān)系：U＝E－Ir.5．電源的U－I圖像：如圖1所示是一條傾斜的直線，圖像中U軸截距E表示電源電動勢，I軸截距I0等于短路電流(縱、橫坐標都從零開始)，斜率的絕對值表示電源的內(nèi)阻．圖1四、閉合電路的歐姆定律1.內(nèi)、外電路中的電勢變化如圖2所示，外電路中電流由電源正極流向負極，沿電流方向電勢降低，內(nèi)電路中電流由電源負極流向正極，沿電流方向電勢升高．圖22．閉合電路歐姆定律的幾種表達形式(1)I＝eq\f(E,R＋r)、E＝IR＋Ir只適用于外電路為純電阻的閉合電路．(2)U外＝E－Ir，E＝U外＋U內(nèi)適用于任意的閉合電路．3實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量一、測定電池電動勢和內(nèi)阻的實驗方案設(shè)計1．伏安法：由E＝U＋Ir知，只要測出U、I的兩組數(shù)據(jù)，就可以列出兩個關(guān)于E、r的方程，從而解出E、r，用到的器材有電池、開關(guān)、滑動變阻器、電壓表、電流表，電路圖如圖1所示．圖12.伏阻法：由E＝U＋eq\f(U,R)r知，如果能得到U、R的兩組數(shù)據(jù)，列出關(guān)于E、r的兩個方程，就能解出E、r，用到的器材是電池、開關(guān)、電阻箱、電壓表，電路圖如圖2所示．圖23.安阻法：由E＝IR＋Ir可知，只要能得到I、R的兩組數(shù)據(jù)，列出關(guān)于E、r的兩個方程，就能解出E、r，用到的器材有電池、開關(guān)、電阻箱、電流表，電路圖如圖3所示．圖3二、實驗操作與數(shù)據(jù)分析1．實驗步驟(以伏安法為例)(1)電流表用0～0.6A量程，電壓表用0～3V量程，按實驗原理圖連接好電路．(2)把滑動變阻器的滑片移到一端，使其接入電路中的阻值最大．(3)閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電流表有明顯的示數(shù)，記錄一組數(shù)據(jù)(I1、U1)．用同樣的方法測量幾組I、U值．(4)斷開開關(guān)，整理好器材．(5)處理數(shù)據(jù)，用公式法或圖像法求出電池的電動勢和內(nèi)阻．2．數(shù)據(jù)分析(1)公式法依次記錄的多組數(shù)據(jù)(一般6組)如表所示：實驗序號123456I/AI1I2I3I4I5I6U/VU1U2U3U4U5U6分別將1、4組，2、5組，3、6組聯(lián)立方程組解出E1、r1，E2、r2，E3、r3，求出它們的平均值作為測量結(jié)果．E＝eq\f(E1＋E2＋E3,3)，r＝eq\f(r1＋r2＋r3,3).(2)圖像法①根據(jù)多次測出的U、I值，作U－I圖像；②將圖線兩側(cè)延長，縱軸截距的數(shù)值就是電池電動勢E；③橫軸截距(路端電壓U＝0)的數(shù)值就是短路電流eq\f(E,r)；④圖線斜率的絕對值等于電池的內(nèi)阻r，即r＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))＝eq\f(E,I短)，如圖4所示．圖4三、注意事項與誤差分析1．為使電池的路端電壓有明顯變化，應(yīng)選取內(nèi)阻較大的舊干電池和內(nèi)阻較大的電壓表．2．實驗中不能將電流調(diào)得過大，且讀數(shù)要快，讀完后立即切斷電源，防止干電池大電流放電時內(nèi)阻r的明顯變化．3.當干電池的路端電壓變化不很明顯時，作圖像時，縱軸單位可取得小一些，且縱軸起點可不從零開始．如圖5所示，此時圖線與縱軸交點仍為電池的電動勢E，但圖線與橫軸交點不再是短路電流，內(nèi)阻要在直線上取較遠的兩點用r＝|eq\f(ΔU,ΔI)|求出．圖54．誤差分析(1)偶然誤差：主要來源于電壓表和電流表的讀數(shù)以及作U－I圖像時描點不準確．(2)系統(tǒng)誤差：主要原因是電壓表的分流作用，使得電流表上讀出的數(shù)值比流過電源的電流偏小一些．U越大，電流表的讀數(shù)與總電流的偏差就越大，將測量結(jié)果與真實情況在U－I坐標系中表示出來，如圖6所示，可見E測＜E真，r測＜r真．圖6【特別提醒】選擇儀器時注意掌握的原則1．安全性原則，即一定要保證儀器的安全，對電表來講不超量程，對滑動變阻器來講不能超其額定電流．2．精確性原則，即要保證測量時讀數(shù)精確，對電表來講在不超量程的前提下，盡量選用小量程的，對歐姆表來講盡量讓指針指在中值刻度附近．3．方便性原則，此原則主要針對滑動變阻器來講，在滑動變阻器控制電路時，電路的電壓、電流的變化范圍要盡可能大，以便獲取多組測量值．四、伏阻法測電動勢和內(nèi)阻1．電路圖：如圖7所示2．實驗原理：E＝U＋eq\f(U,R)r3．數(shù)據(jù)處理(1)計算法：由eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋\f(U1,R1)r,E＝U2＋\f(U2,R2)r))解方程組可求得E和r.(2)圖像法：由E＝U＋eq\f(U,R)r得：eq\f(1,U)＝eq\f(1,E)＋eq\f(r,E)·eq\f(1,R).故eq\f(1,U)－eq\f(1,R)圖像的斜率k＝eq\f(r,E)，縱軸截距為eq\f(1,E)，如圖8.圖7圖8五、安阻法測電動勢和內(nèi)阻1．電路圖：如圖9所示．圖92．實驗原理：E＝IR＋Ir.3．數(shù)據(jù)處理(1)計算法：由eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝I1R1＋I1r,E＝I2R2＋I2r))解方程組求得E，r.(2)圖像法：由E＝I(R＋r)得：eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)R＋eq\f(r,E)，可作eq\f(1,I)－R圖像(如圖10甲)eq\f(1,I)－R圖像的斜率k＝eq\f(1,E)，縱軸截距為eq\f(r,E)又R＝E·eq\f(1,I)－r，可作R－eq\f(1,I)圖像．(如圖乙)R－eq\f(1,I)圖像的斜率k＝E，縱軸截距為－r.圖104能源與可持續(xù)發(fā)展一、能量守恒定律能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．這個規(guī)律叫作能量守恒定律．二、能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性1．能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的．2．能量耗散(1)能量耗散的概念：燃料燃燒時一旦把熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用．電池中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過燈泡轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們很難把這些散失的能量收集起來重新利用．(2)能量品質(zhì)降低：能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，從便于利用的能源變成不便于利用的能源．(3)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性．三、能源的分類與應(yīng)用1．地球上的絕大部分能源來源于太陽的輻射能2．能源的分類(1)可再生能源：自然界可以源源不斷地提供，或在自然界中可以再生，如：水能、風能、潮汐能．(2)不可再生能源：自然界無法在短時間內(nèi)再生，如：煤炭、石油、天然氣．(3)我國在能源的開發(fā)利用方面，有以下幾種發(fā)電方式：太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、風能發(fā)電、核能發(fā)電．四、能源與社會發(fā)展1．人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期、石油時期．2．人類社會可持續(xù)發(fā)展的核心是追求發(fā)展與資源、環(huán)境的平衡．人類要樹立新的能源安全觀，轉(zhuǎn)變能源的供需模式：既要提倡節(jié)能，又要發(fā)展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等清潔能源．3．能源的重要性：能源是社會存在與發(fā)展永遠不可或缺的必需品，是國民經(jīng)濟運動的物質(zhì)基礎(chǔ)，它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會的三大支柱．4．能源和環(huán)境污染(1)溫室效應(yīng)：石油、煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，由于二氧化碳對長波的輻射有強烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一樣，只準太陽光的熱輻射進來，不讓室內(nèi)長