12.1電路中的能量轉(zhuǎn)化（導(dǎo)學(xué)案）高二物理（人教版2019）

第1節(jié)電路中的能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1、通過實(shí)例分析，理解電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能是通過電流做功來實(shí)現(xiàn)的，加深對功與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的認(rèn)識。2、通過推導(dǎo)電功公式和焦耳定律，理解電功、電功率和焦耳定律，能用焦耳定律解釋生產(chǎn)、生活中的相關(guān)現(xiàn)象。3、從能量的轉(zhuǎn)化和守恒角度分析非純電阻電路中的能量轉(zhuǎn)化，理解電功和電熱的區(qū)別和聯(lián)系。4、聯(lián)系生活中的電風(fēng)扇、空調(diào)、電動機(jī)等電器設(shè)備，體會能量轉(zhuǎn)化與守恒思想，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的意識。【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】學(xué)習(xí)重點(diǎn)：電功概念的建立和理解。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：對包含電動機(jī)的電路中的能量轉(zhuǎn)化的實(shí)例分析?！局R回顧】1、用電器在工作過程中將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、機(jī)械能等其他形式的能。2、電功的計算式W＝UIt適用于一切電路。3、電功的單位：國際單位：焦耳（J），常用單位：千瓦時（kWh），換算：1kWh＝3.6×106J。4、電功率的定義式：P＝Wt適用5、電功率的單位：國際單位：瓦特（W），常用單位：千瓦（kW），換算：1kW＝103W。6、可以用伏安法測量電功率。7、用電器正常工作時電壓（銘牌上標(biāo)出的電壓）叫額定電壓。用電器在額定電壓下的功率（銘牌上標(biāo)出的功率）叫額定功率。用電器實(shí)際工作時的電壓叫實(shí)際電壓。用電器在實(shí)際電壓下的功率叫實(shí)際功率。8、焦耳定律：電流通過某導(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。數(shù)學(xué)表達(dá)式為Q＝I2Rt，適用于純電阻9、純電阻電路是指用電器只有電阻和燈泡的電路?！咀灾黝A(yù)習(xí)】1、電流做功的實(shí)質(zhì)：恒定電場對自由電荷的靜電力作正功，電勢能減小，其它形式的能增加。2、P＝UI指一切電流做功的功率，是總功率。3、在非純電阻電路中，電功用W＝UIt計算，電熱用Q＝I2Rt4、對于電動機(jī)，P輸入＝UI，P【課堂探究】第一部分電功和電功率思考1：電熱水壺、電動機(jī)通電時，電池充電時，能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？電熱水壺通電時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。電池充電把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。電動機(jī)通電時把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。思考2：電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能，是怎樣實(shí)現(xiàn)的？電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能，是通過電流做功來實(shí)現(xiàn)的。思考3：電流做功的實(shí)質(zhì)是什么？電流做功的實(shí)質(zhì)：恒定電場對自由電荷的靜電力作正功，電勢能減小，其它形式的能增加。電路中電場力對定向移動的電荷所做的功，簡稱電功，通常也說成是電流的功。計算式：W＝UIt，適用于一切電路。推導(dǎo)：∵q＝It、W＝Uq∴W＝UIt物理意義：電功是表示量度電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能的多少的物理量。電功的決定因素：電功與通過用電器的電量（通過用電器的電流和通電時間）和用電器兩端的電壓成正比。電功是標(biāo)量。單位：國際單位：焦耳（J），常用單位：千瓦時（kWh），換算：1kWh＝3.6×106J測量：①用電能表測量；②用伏安法測量。電功率：單位時間內(nèi)電流所做的功。（比值定義法）定義式：P＝Wt，適用電功率是標(biāo)量。單位：國際單位：瓦特（W），常用單位：千瓦（kW），換算：1kW＝103W測量：伏安法測量電功率。額定電壓：用電器正常工作時電壓（銘牌上標(biāo)出的電壓）。額定功率：用電器在額定電壓下的功率（銘牌上標(biāo)出的功率）。實(shí)際電壓：用電器實(shí)際工作時的電壓。實(shí)際功率：用電器在實(shí)際電壓下的功率。第二部分焦耳定律焦耳定律：電流通過某導(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。數(shù)學(xué)表達(dá)式：Q推導(dǎo)：∵W＝Q、W＝∴Q＝焦耳定律適用于純電阻電路，也適用于非純電阻電路。思考1：如果電功將全部的電能都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，則電功率的計算式應(yīng)怎樣改寫？結(jié)合焦耳定律的表達(dá)式，電功率的計算式會變成怎樣？P＝Wt＝思考2：P＝UI與P＝UI指一切電流做功的功率，是總功率。單位時間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量叫做熱功率。熱功率等于通電導(dǎo)體中電流I的二次方與導(dǎo)體電阻R的乘積。第四部分電路中的能量轉(zhuǎn)化純電阻電路：只含有電阻的電路，把電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如電爐、電烙鐵等電熱器件組成的電路，白熾燈及轉(zhuǎn)子被卡住的電動機(jī)也是純電阻器件。非純電阻電路：電路中含有電動機(jī)在轉(zhuǎn)動或有電解槽在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電路，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和其它形式的能。思考1：兩種電路中的電能怎樣計算？產(chǎn)生的熱量怎樣計算？說明了什么？電功都是W＝UIt在純電阻電路中，Q指某段電路在某段時間內(nèi)消耗的全部電能。在非純電阻電路中，Q指轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的那部分電能。思考2：非純電阻電路中，消耗的電能與產(chǎn)生的熱量之間有何關(guān)系？說明了什么？UIt在純電阻電路中I＝UR，說明歐姆定律不適用于非純電阻電路。思考3：純電阻電路、非純電阻電路在電功、電功率、電熱上有何特點(diǎn)？純電阻電路：電功＝電熱，即W＝UIt＝U非純電阻電路：電功：W＝UIt，電功率：P＝UI電動機(jī)是一種非純電阻用電器，它把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能。在電路計算中，歐姆定律不再適用。電動機(jī)的輸入功率：電動機(jī)的總功率，P輸入電動機(jī)的熱功率：電流通過電動機(jī)的線圈時發(fā)熱的功率，P熱電動機(jī)的輸出功率：電動機(jī)做有用功的功率。輸入功率、輸出功率、熱功率的關(guān)系：P電動機(jī)的效率：η純電阻電路和非純電阻電路兩種電路比較內(nèi)容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)化為其他形式能的用電器歐姆定律服從歐姆定律I＝U/R不服從歐姆定律：U>IR或I<U/R能量轉(zhuǎn)化電流做功全部轉(zhuǎn)化為電熱即電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能電流做功除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外還要轉(zhuǎn)化為其他形式的能元件舉例電阻、電爐絲、白熾燈等電動機(jī)、電解槽等電功與電熱純電阻電路非純電阻電路電功W＝IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝IUt電熱Q＝IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tQ＝I2Rt電功率P＝IU＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝UI熱功率P＝IU＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝I2R規(guī)律總結(jié)：無論是純電阻電路還是非純電阻電路，計算電功時都可以用W＝UIt，功率都可以用P＝UI，熱量都可以用Q＝【自我測評】1．（2022·江蘇·連云港高中高二階段練習(xí)）DC14.8V/2200mAh的鋰電池供電，額定功率為35W，當(dāng)鋰電池剩余電量為總?cè)萘康?0%時，掃地機(jī)器人就自動回座機(jī)充電。結(jié)合上述信息，下列說法正確的是（）A．DC14.8V/2200mAh表示該電池輸出的是交流電B．該機(jī)器人電機(jī)的額定電流為0.42AC．正常工作時機(jī)器人電動機(jī)每秒鐘輸出35J動能D．電池充滿電后機(jī)器人正常工作約45min后回座機(jī)充電【答案】D【詳解】A．DC14.8V/2200mAh表示該電池輸出的是直流電，選項A錯誤；B．該機(jī)器人電機(jī)的額定電流為I=選項B錯誤；C．正常工作時機(jī)器人電動機(jī)內(nèi)阻要產(chǎn)生部分內(nèi)能，則每秒鐘輸出動能小于35J，選項C錯誤；D．機(jī)器人人正常工作的時間t=選項D正確。故選D。2．（2022上·山東臨沂·高一山東省臨沂第一中學(xué)?？奸_學(xué)考試）如圖所示是“探究電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生熱的多少跟什么因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)裝置，兩個透明容器中密封著等量的空氣，通電一段時間后，左側(cè)U形管中液面高度差比右側(cè)的大。下列說法錯誤的是（

）A．U形管中液面高度的變化反映了電阻產(chǎn)生熱量的多少B．通過左、右兩邊容器中電阻絲的電流相同C．右邊容器中的電阻R2比左邊容器中的電阻R1小D．通電時間相同，兩個容器中空氣吸收的熱量相同【答案】D【詳解】A．電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的多少不能直接觀察，但容器中空氣的溫度變化導(dǎo)致容器中空氣體積的變化，即可以通過U形管液面高度差的變化來反映，這種研究方法叫轉(zhuǎn)換法，故A正確；B．由題圖可知兩個電阻串聯(lián)在一起，根據(jù)串聯(lián)電路中電流的規(guī)律可知，通過左、右兩邊容器中電阻絲的電流相同，故B正確；C．由電路圖可知兩電阻串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)電路的電流特點(diǎn)可知通過它們的電流大小相等，根據(jù)Q=I2Rt可知，當(dāng)通電時間和通電電流相同時，電阻越大產(chǎn)生的熱量就越多，U形管中液面高度差就越高，所以可得右邊容器中的電阻R2比左邊容器中的電阻R1D．兩個容器中的通電電流和通電時間相同，電阻大小不同，由Q=I2Rt本題選錯誤項，故選D。3．（2022上·河北滄州·高二校聯(lián)考期中）如圖甲所示，用內(nèi)阻不計的充電寶為一充電，其等效電路如圖乙所示，充電寶向電池充電6min后容量減小了50mAh，此過程可認(rèn)為輸出電流、輸出電壓U=5V是恒定不變的，A．充電寶輸送給電池的電能為900J B．充電寶輸出的電流為0.05C．電池的內(nèi)阻為10Ω D．電池增加的化學(xué)能為900J【答案】A【詳解】A．由題意可知，此過程中通過串聯(lián)電路的電荷量q=50×充電寶提供的電能等于電場力做功W=qU=180×5故A正確；B．充電寶輸出的電流I=故B錯誤；C．電池不是純電阻電路，因此內(nèi)阻不能用歐姆定律計算，故C錯誤；D．電池增加的化學(xué)能等于充電寶提供的電能減去自身消耗的焦耳熱，所以電池增加的化學(xué)能一定小于900J，故D錯誤。故選A。4．（2020·北京朝陽·統(tǒng)考一模）某電吹風(fēng)簡化電路如圖所示，其主要部件為電動機(jī)M和電熱絲，部分技術(shù)參數(shù)如下表，電吹風(fēng)在220V電壓下工作。下列說法正確的是（）額定電壓220V額定功率熱風(fēng)時：990W冷風(fēng)時：110WA．開關(guān)S1、S2都閉合時電吹風(fēng)吹冷風(fēng)B．吹熱風(fēng)時通過電熱絲的電流為4AC．吹熱風(fēng)時電熱絲的功率為990WD．該電吹風(fēng)中電動機(jī)的內(nèi)電阻為440Ω【答案】B【詳解】A．由電路圖可知，開關(guān)S1、S2都閉合時電動機(jī)M和電熱絲同時接入電路，電吹風(fēng)吹熱風(fēng)，故A錯誤；BC．開關(guān)S1、S2都閉合時電動機(jī)M和電熱絲同時接入電路，電吹風(fēng)吹熱風(fēng)，此時電熱絲的功率為P=電流為I=故B正確，C錯誤；D．只有開關(guān)S2閉合時，僅電動機(jī)接入電路，若電動機(jī)為純電阻，其電阻為r=由于電動機(jī)正常工作時為非純電阻，則電阻不為440Ω，故D錯誤。故選B。5．（2022上·河南南陽·高二校考階段練習(xí)）如圖所示，把4個完全相同的燈接成如圖所示的（a）、（b）兩個電路，兩電路電源輸出電壓相同且一定，調(diào)節(jié)變阻器R1、R2使燈均正常發(fā)光，設(shè)兩個電路消耗的功率分別為Pa、Pb，則（）A．4Pa=Pb B．Pa=4PbC．Pa<4Pb D．Pa>4Pb【答案】B【詳解】令燈泡的額定電壓與額定電流分別為U0、I0，則a電路中干路電流為Pb電路干路電流為I0P可知Pa=4Pb故選B。6．（2022上·四川成都·高一?？奸_學(xué)考試）某同學(xué)在做“調(diào)節(jié)燈泡亮度”的電學(xué)實(shí)驗(yàn)時，電路如圖所示，電源電壓恒為6V，電流表的量程為“0﹣0.6A”電壓表量程“0﹣3V”，滑動變阻器的規(guī)格為“20Ω2A”，燈泡L標(biāo)有“3V0.9W”字樣（忽略燈絲電阻變化），在實(shí)驗(yàn)中為了保證所有元件的安全，下列判斷正確的是（）A．該電路中，變阻器R接入電路的阻值變化范圍為0﹣20ΩB．該電路消耗的總功率的變化范圍為1.2W﹣3.6WC．該電路中，電流表示數(shù)的變化范圍為0.3A﹣0.6AD．該電路中，電燈消耗功率的變化范圍為0.4W﹣0.9W【答案】D【詳解】A．假設(shè)燈泡L兩端剛好達(dá)到額定電壓，則流過燈泡的電流為I=該電流小于電流表的量程，小于滑動變阻器的額定電流，故0.3A為回路能達(dá)到的最大電流，此時滑動變阻器兩端的電壓為3V，故滑動變阻器可調(diào)的最小阻值為R即滑動變阻器R接入電路的阻值變化范圍為10Ω﹣20Ω，A錯誤；B．當(dāng)回路電流為0.3A時電路消耗的總功率最大，為P燈泡阻值為R當(dāng)滑動變阻器阻值調(diào)到R2=20Ω時，回路電流最小，為I此時電路消耗的總功率最小，為P故該電路消耗的總功率的變化范圍為1.2W﹣1.8W，B錯誤；C．由AB解析可知，該電路中，電流表示數(shù)的變化范圍為0.2A﹣0.3A，C錯誤；D．電燈消耗的最小功率為P故電燈消耗功率的變化范圍為0.4W﹣0.9W，D正確。故選D。7．（2021·高二課時練習(xí)）四個定值電阻連成圖所示的電路。RA、RC的規(guī)格為“10V??4W”，RB、【答案】PD【詳解】RA、RRRB、RR根據(jù)電路的特點(diǎn)，通過燈RA、RP=所以P因?yàn)?，RC、RP=則有消耗功率大小的順序P因?yàn)橥ㄟ^燈RA的電流大于通過燈RP=則有P即P8．（2011上·江西景德鎮(zhèn)·高二階段練習(xí)）如圖所示為某一用直流電動機(jī)提升重物的裝置，重物的質(zhì)量m=50kg，電源的電動勢E=110V，不計電源電阻及各處的摩擦，當(dāng)電動機(jī)以v=0.9m/s的恒定速度向上提升重物時，電路中的電流I=5A，g取9.8m/s2，試求電動機(jī)線圈的電阻?！敬鸢浮?.0Ω【詳解】電動機(jī)消耗的總能量一部分用于提升重物的機(jī)械能，一部分消耗在電動機(jī)線圈電阻發(fā)熱上，根據(jù)能量守恒定律得PPPP代入解得R=9．（2012上·湖北省直轄縣級單位·高二統(tǒng)考期中）如圖所示，有一臺提升重物用的直流電動機(jī)M，電樞的內(nèi)阻為r=0.60Ω，與電動機(jī)串聯(lián)的定值電阻阻值為R=10Ω，電路的路端電壓為U=160V．圖中理想電壓表的示數(shù)為110V。求：（1）通過電動機(jī)的電流I是多大；（2）電動機(jī)的輸入功率P是多大；（3）電動機(jī)的機(jī)械功率P/是多大?！敬鸢浮?1)5A

；(2)550W；

(3)535W【詳解】(1)電動機(jī)和電阻串聯(lián)，所以電流相等，電阻R兩端電壓U1=160110=50V，I=(2)電動機(jī)的電功率P=UI=110×5=550W(3)電動機(jī)的熱功率P熱=I2r=15W所以電動機(jī)的機(jī)械功率P′=PP