2024-2025學(xué)年高中物理第3章恒定電流第3節(jié)焦耳定律學(xué)案魯科版選修3-1

PAGE7-第3節(jié)焦耳定律[學(xué)習目標]1．知道電功的概念，駕馭電功和電功率的計算。(物理觀念)2．知道焦耳定律，會依據(jù)焦耳定律計算用電器產(chǎn)生的電熱。(科學(xué)思維)3．知道純電阻電路與非純電阻電路的差別，會結(jié)合實際，區(qū)分電功和電熱。(科學(xué)思維)一、電能電功和電功率電功電功率概念電場力對定向移動的自由電荷所做的功單位時間內(nèi)電流所做的功公式W＝qU＝UItP＝eq\f(W,t)＝UI單位焦耳，符號J瓦特，簡稱瓦，符號W物理意義描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少描述電流做功的快慢二、焦耳定律1．內(nèi)容：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導(dǎo)體的電阻成正比，與通電時間成正比。2．公式：Q＝I2Rt。3．適用：用于任何電路電熱的計算。三、身邊的電熱1．電熱水器、電飯鍋等家用電器是利用了電流的熱效應(yīng)，其電阻絲都是由電阻率較大的材料制成的。2．電焊是在焊接的金屬接觸面上通過電流，利用接觸電阻產(chǎn)生的熱量得到適合焊接的高溫，從而對接觸面進行焊接的一種方法。3．插頭和插座之間、電線連接處假如接觸不良，都會產(chǎn)生大電阻，簡單發(fā)熱，甚至迸出火花。4．電視機和顯示器的后蓋有許多孔，計算機的CPU要安裝散熱片及風扇，都是為了散熱。1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)千瓦時(kW·h)是電功的常用單位。1kW·h＝3.6×106J。 (√)(2)電流做功的過程中，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。 (√)(3)電功率越大，電流做功肯定越快。 (√)(4)任何電路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 (×)[提示]只有純電阻電路中W＝Q。2．(多選)對電功及焦耳定律公式的理解正確的是()A．焦耳定律適用于一切電路的焦耳熱的求解B．電功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都適合于任何電路，因此W不肯定等于QC．非純電阻電路中的電功可能等于焦耳熱D．電功的另一表達式W＝eq\f(U2,R)t適用于任何電路AB[任何電路的熱功以及焦耳熱的求解都可用焦耳定律求解，A正確；B選項中的兩個公式均適合于任何電路，但W不肯定等于Q，B正確；在非純電阻電路中的電功肯定大于焦耳熱，C錯誤；W＝eq\f(U2,R)t只適用于純電阻電路，D錯誤。]3．在直流電路中，兩個電阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通過的電流之比I1∶I2＝2∶1，則在相等時間內(nèi)兩個電阻產(chǎn)生的熱量之比Q1∶Q2為()A．1∶1 B．2∶1C．4∶1 D．8∶1D[已知兩個電阻的阻值之比是2∶1，通過的電流之比是2∶1，則相等時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比eq\f(Q1,Q2)＝eq\f(I\o\al(2,1)R1t,I\o\al(2,2)R2t)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,1)))eq\s\up12(2)×eq\f(2,1)＝eq\f(8,1)，故D正確。]電功和電功率電熱和熱功率1．對電功的理解(1)從力的角度看，電流做功的實質(zhì)是電場力對自由電荷做功。(2)從能的角度看，電流做功過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程，電功的大小量度了電能的削減量，標記著電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少。(3)電功W＝UIt＝qU對任何電路都適用。2．對電功率的理解電功率描述電流做功的快慢，電功率大電流做功快，電功率小電流做功慢。(1)電功率P＝eq\f(W,t)＝UI對任何電路都適用。(2)額定功率和實際功率①額定功率：用電器正常工作所消耗的功率。②實際功率：用電器在實際電壓下電流做功的功率。3．電熱和熱功率(1)電熱的計算公式為Q＝I2Rt(焦耳定律)。(2)熱功率的計算公式為P熱＝I2R。4．電功和電熱的比較電功電熱實質(zhì)電場力對自由電荷做的功由于電流的熱效應(yīng)，電流通過導(dǎo)體發(fā)熱計算公式W＝qU＝UItQ＝I2Rt聯(lián)系與區(qū)分純電阻電路中，電功等于電熱，即W＝Q在非純電阻電路中，電功大于電熱，即W>Q電功率與熱功率純電阻電路中，電功率等于熱功率，即P＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R)非純電阻電路中，電功率大于熱功率，即UI>I2R【例1】(多選)有一內(nèi)阻為4.4Ω的直流電動機和一盞標有“110V60W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220V的直流電源兩端，燈泡正常發(fā)光，則()A．直流電動機消耗的電功率為120WB．直流電動機的發(fā)熱功率為60WC．直流電動機消耗的電功率為60WD．電路消耗的總功率為120W思路點撥：①流過電動機和燈泡的電流相等。②依據(jù)公式P＝UI和P＝I2r計算電功率和熱功率。CD[“燈泡正常發(fā)光”說明燈泡的實際電壓為110V，電流I＝eq\f(60,110)A＝eq\f(6,11)A，電動機兩端的電壓為110V，電動機消耗的電功率為110V×eq\f(6,11)A＝60W，選項A錯誤，C正確；直流電動機的發(fā)熱功率為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(6,11)))eq\s\up12(2)×4.4W＝1.3W，選項B錯誤；電路消耗的總功率為eq\f(6,11)×220W＝120W，選項D正確。]四個電學(xué)公式的適用范圍(1)電功W＝UIt＝qU普遍適用。(2)I＝eq\f(q,t)為電流的定義式，普遍適用。(3)I＝eq\f(U,R)只適用于純電阻電路。(4)電熱Q＝I2Rt普遍適用。[跟進訓(xùn)練]1．在現(xiàn)代生活中，充電寶是手機一族出行的必備品。當充電寶電量不足時，須要給充電寶充電，此時充電寶相當于可充電的電池，充電過程可簡化為如圖所示電路。先給一充電寶充電，充電電壓為5V，充電電流為1000mA，充電寶的內(nèi)阻為0.2Ω。試求：(1)充電寶的輸入功率；(2)充電寶內(nèi)阻消耗的熱功率；(3)一分鐘內(nèi)充電寶儲存的電能。[解析](1)充電寶的輸入功率為P入＝UI＝5×1000×10－3W＝5W。(2)充電寶內(nèi)阻消耗的熱功率為P熱＝I2r＝12×0.2W＝0.2W。(3)一分鐘內(nèi)充電寶儲存的電能為Q＝P入t－P熱t(yī)＝5×60J－0.2×60J＝288J。[答案](1)5W(2)0.2W(3)288J純電阻電路和非純電阻電路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(dǎo)體的內(nèi)能。(2)非純電阻電路：含有電動機或電解槽的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中，電流做的功將電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機械能或化學(xué)能。2．純電阻電路和非純電阻電路的比較項目純電阻電路非純電阻電路能量轉(zhuǎn)化狀況電功和電熱的關(guān)系W＝Q即IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝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＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝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【例2】小明打算參與玩具賽車競賽，他想通過試驗選擇一只能量轉(zhuǎn)換效率較高的電動機，試驗時他先用手捏住電動機的轉(zhuǎn)軸，使其不轉(zhuǎn)動，然后放手，讓電動機正常轉(zhuǎn)動，分別將2次試驗的有關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表格中。請問：電動機的電壓/V電動機工作狀態(tài)通過電動機的電流/A0.2不轉(zhuǎn)動0.42.0正常轉(zhuǎn)動1.0(1)這只電動機線圈的電阻為多少？(2)當電動機正常工作時，轉(zhuǎn)化為機械能的功率是多少？(3)當電動機正常工作1min時，電動機消耗的電能是多少？(4)該玩具電動機正常工作時電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率是多少？思路點撥：[解析](1)電動機不轉(zhuǎn)動時，是純電阻電路，依據(jù)歐姆定律得：r＝eq\f(Ur,Ir)＝eq\f(0.2,0.4)Ω＝0.5Ω。(2)當電動機正常工作時，P機＝UI－I2r＝(2×1－12×0.5)W＝1.5W。(3)當電動機正常工作1分鐘時，電動機消耗的電能E＝UIt＝2×1×60J＝120J。(4)電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率η＝eq\f(P機,P總)×100%＝eq\f(1.5,2)×100%＝75%。[答案](1)0.5Ω(2)1.5W(3)120J(4)75%若上例中用此電機豎直吊起質(zhì)量為m＝0.1kg的物體，則其正常工作時物體勻速上升的速度是多大？(取g＝10m/s2)[解析]由例題可知，該電機正常工作時，輸出功率P機＝1.5W。由P機＝mg·v可知v＝eq\f(P機,mg)＝eq\f(1.5,1)m/s＝1.5m/s。[答案]1.5m/s電動機電路的分析與計算[跟進訓(xùn)練]2．某一電動機，當電壓U1＝10V時帶不動負載，因此不轉(zhuǎn)動，這時電流為I1＝2A。當電壓為U2＝36V時能帶動負載正常運轉(zhuǎn)，這時電流為I2＝1A。則這時電動機的機械功率是多少瓦？[解析]當電壓U1＝10V時電動機不轉(zhuǎn)動，這時電流為I1＝2A，依據(jù)歐姆定律，有：R＝eq\f(U1,I1)＝eq\f(10,2)Ω＝5Ω，當電壓為U2＝36V時能帶動負載正常運轉(zhuǎn)，這時電流為：I2＝1A，這時電動機的機械功率是：P＝U2I2－Ieq\o\al(2,2)R＝36×1W－12×5W＝31W。[答案]31課堂小結(jié)知識脈絡(luò)4個概念－－電功、電功率、電熱、熱功率4個公式－－W＝IUt、P＝IU、Q＝I2Rt、P熱＝I2R2個電路－－純電阻電路和非純電阻電路1．下列家用電器在工作時，主要利用電流熱效應(yīng)的是()A．電熨斗 B．電冰箱C．吸塵器 D．電風扇A[電熨斗是利用了電流的熱效應(yīng)來產(chǎn)生熱量的，故A正確。電冰箱利用電動機帶動工作，利用了電流的磁效應(yīng)，故B錯誤。吸塵器工作時，主要將電能轉(zhuǎn)化為機械能，不是利用電流的熱效應(yīng)，選項C錯誤。電風扇主要是把電能轉(zhuǎn)化為機械能，是利用了電流的磁效應(yīng)，故D錯誤。]2．(多選)甲、乙兩只一般照明燈泡的銘牌如圖所示，下列說法正確的是()A．甲燈的實際功率肯定總是40WB．將乙燈接入110V電路中，它的額定功率仍為60WC．兩燈均正常發(fā)光時，甲燈燈絲電阻較大D．兩燈均正常發(fā)光時，甲燈消耗的電能較少BCD[燈泡的銘牌上標記的是額定電壓和額定功率，當工作電壓不是220V時，燈泡的實際功率不再是額定功率，但額定功率不會隨電壓改變而改變，A錯誤，B、D正確；由R＝eq\f(U2,P)可知C正確。]3．下列說法正確的是()A．家庭生活中，常說的“1度”電，指的是電功率的單位B．功率是1千瓦的空調(diào)正常工作1個小時所消耗的電功是1度C．1度等于1000焦耳D．1度等于3.6×106瓦B[“度”是電功單位，1度＝1kW·h＝1×103W×3600s＝3.6×106J，故A、C、D錯誤；功率為1千瓦的空調(diào)正常工作1個小時消耗的電功為W＝Pt＝1kW·h＝1度，B正確。]4．某商場安裝了一臺傾角為30°的自動扶梯，該扶梯在電壓為380V的電動機帶動下以0.4m/s的恒定速度向斜上方移動，電動機的最大輸出功率為4.9kW。不載人時測得電動機中的電流為5A，若載人時扶梯的移動速度和不載人時的移動速度相同，則這臺自動扶梯可同