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(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程．(2)電功的計(jì)算公式：W＝UIt.單位：焦耳，符號(hào)為J.常用的單位：千瓦時(shí)(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(shí)間之比．(2)公式：P＝eq\f(W,t)＝UI.(3)單位：瓦特，符號(hào)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(guò)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(shí)間成正比．(2)表達(dá)式：Q＝I2Rt.2．熱功率(1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量稱為熱功率．(2)表達(dá)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(dòng)機(jī)從電源獲得能量，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即P電＝P機(jī)＋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(guò)純電阻電路做功時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能．(2)非純電阻電路：含有電動(dòng)機(jī)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(jī)械能或化學(xué)能等其他形式的能．例如電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)、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(shuō)明W＝UIt、P電＝UI適用于任何電路計(jì)算電功和電功率Q＝I2Rt、P熱＝I2R適用于任意電路計(jì)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(jì)算式，P＝UI是電功率的計(jì)算式，適用于任何電路．2．電熱和熱功率Q＝I2Rt是電熱的計(jì)算式，P熱＝I2R是熱功率的計(jì)算式，可以計(jì)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(gè)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(gè)電阻的電功率跟它的阻值成反比，即P1R1＝P2R2＝…＝PnRn＝U2.(3)無(wú)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(shí)際功率(1)用電器正常工作時(shí)所消耗的功率叫作額定功率．當(dāng)用電器兩端電壓達(dá)到額定電壓U額時(shí)，電流達(dá)到額定電流I額，電功率也達(dá)到額定功率P額．且P額＝U額I額．(2)用電器的實(shí)際功率是用電器在實(shí)際工作時(shí)消耗的電功率，為了使用電器不被燒毀，要求實(shí)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(dòng)勢(shì)1．非靜電力的作用：把正電荷從負(fù)極搬運(yùn)到正極，同時(shí)在該過(guò)程中非靜電力做功，使電荷的電勢(shì)能增加．2．電源(1)定義：通過(guò)非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)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(shì)能，在電源外部，靜電力做正功，電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．3．電動(dòng)勢(shì)(1)電動(dòng)勢(shì)：在電源內(nèi)部，非靜電力把正電荷從負(fù)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(wú)關(guān)，跟外電路無(wú)關(guān)．(5)電源的電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)越大．(6)公式E＝eq\f(W,q)是電動(dòng)勢(shì)的定義式而不是決定式，E的大小與W和q無(wú)關(guān)，是由電源自身的性質(zhì)決定的，不同種類的電源電動(dòng)勢(shì)大小不同．(7)電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于非靜電力把1C的正電荷在電源內(nèi)從負(fù)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(guò)電場(chǎng)相互作用的力，非靜電力是指除靜電力外能對(duì)電荷移動(dòng)起作用的力.(2)非靜電力的來(lái)源①在化學(xué)電池(干電池、蓄電池)中，非靜電力是化學(xué)作用，它使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能．②在發(fā)電機(jī)中，非靜電力是電磁作用，它使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)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(duì)電荷做功．通過(guò)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(gè)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(shí)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(shí)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＋I(xiàn)2rt.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(dòng)勢(shì)成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比．(2)表達(dá)式：I＝eq\f(E,R＋r).(3)另一種表達(dá)形式：E＝U外＋U內(nèi)．即：電源的電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路電勢(shì)降落之和．三、路端電壓與負(fù)載的關(guān)系1．路端電壓的表達(dá)式：U＝E－Ir.2．路端電壓隨外電阻的變化規(guī)律(1)當(dāng)外電阻R增大時(shí)，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(dāng)外電阻R減小時(shí)，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(dāng)外電路斷開時(shí)，電流I變?yōu)?，U＝E.即斷路時(shí)的路端電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)．當(dāng)電源短路時(shí)，外電阻R＝0，此時(shí)I＝eq\f(E,r).3．路端電壓與負(fù)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(dāng)外電路開路時(shí)(外電阻無(wú)窮大)，路端電壓U＝E；這也提供了一種粗測(cè)電動(dòng)勢(shì)的方法，即用電壓表直接測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)．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(dòng)勢(shì)，I軸截距I0等于短路電流(縱、橫坐標(biāo)都從零開始)，斜率的絕對(duì)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(shì)變化如圖2所示，外電路中電流由電源正極流向負(fù)極，沿電流方向電勢(shì)降低，內(nèi)電路中電流由電源負(fù)極流向正極，沿電流方向電勢(shì)升高．圖22．閉合電路歐姆定律的幾種表達(dá)形式(1)I＝eq\f(E,R＋r)、E＝IR＋I(xiàn)r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(shí)驗(yàn)：電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量一、測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)1．伏安法：由E＝U＋I(xiàn)r知，只要測(cè)出U、I的兩組數(shù)據(jù)，就可以列出兩個(gè)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(dòng)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(gè)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＋I(xiàn)r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(gè)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(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析1．實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理圖連接好電路．(2)把滑動(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻．2．?dāng)?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(shí)驗(yàn)序號(hào)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(cè)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(cè)出的U、I值，作U－I圖像；②將圖線兩側(cè)延長(zhǎng)，縱軸截距的數(shù)值就是電池電動(dòng)勢(shì)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(duì)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)中不能將電流調(diào)得過(guò)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(shí)內(nèi)阻r的明顯變化．3.當(dāng)干電池的路端電壓變化不很明顯時(shí)，作圖像時(shí)，縱軸單位可取得小一些，且縱軸起點(diǎn)可不從零開始．如圖5所示，此時(shí)圖線與縱軸交點(diǎn)仍為電池的電動(dòng)勢(shì)E，但圖線與橫軸交點(diǎn)不再是短路電流，內(nèi)阻要在直線上取較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)用r＝|eq\f(ΔU,ΔI)|求出．圖54．誤差分析(1)偶然誤差：主要來(lái)源于電壓表和電流表的讀數(shù)以及作U－I圖像時(shí)描點(diǎn)不準(zhǔn)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(guò)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(cè)量結(jié)果與真實(shí)情況在U－I坐標(biāo)系中表示出來(lái)，如圖6所示，可見E測(cè)＜E真，r測(cè)＜r真．圖6【特別提醒】選擇儀器時(shí)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(duì)電表來(lái)講不超量程，對(duì)滑動(dòng)變阻器來(lái)講不能超其額定電流．2．精確性原則，即要保證測(cè)量時(shí)讀數(shù)精確，對(duì)電表來(lái)講在不超量程的前提下，盡量選用小量程的，對(duì)歐姆表來(lái)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(duì)滑動(dòng)變阻器來(lái)講，在滑動(dòng)變阻器控制電路時(shí)，電路的電壓、電流的變化范圍要盡可能大，以便獲取多組測(cè)量值．四、伏阻法測(cè)電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻1．電路圖：如圖7所示2．實(shí)驗(yàn)原理：E＝U＋eq\f(U,R)r3．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)計(jì)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(cè)電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻1．電路圖：如圖9所示．圖92．實(shí)驗(yàn)原理：E＝IR＋I(xiàn)r.3．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)計(jì)算法：由eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(E＝I1R1＋I(xiàn)1r,E＝I2R2＋I(xiàn)2r))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(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變．這個(gè)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(guò)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(shí)一旦把熱量釋放出去，就不會(huì)再次自動(dòng)聚集起來(lái)供人類重新利用．電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過(guò)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(lái)重新利用．(2)能量品質(zhì)降低：能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的減少，卻會(huì)導(dǎo)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(guò)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(lái)源于太陽(yáng)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(fēng)能、潮汐能．(2)不可再生能源：自然界無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)再生，如：煤炭、石油、天然氣．(3)我國(guó)在能源的開發(fā)利用方面，有以下幾種發(fā)電方式：太陽(yáng)能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、核能發(fā)電．四、能源與社會(huì)發(fā)展1．人類對(duì)能源的利用大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期，即柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期、石油時(shí)期．2．人類社會(huì)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(huì)存在與發(fā)展永遠(yuǎn)不可或缺的必需品，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會(huì)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(duì)長(zhǎng)波的輻射有強(qiáng)烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一樣，只準(zhǔn)太陽(yáng)光的熱輻射進(jìn)來(lái)，不讓室內(nèi)長(zhǎng)