高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化背景图ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化背景图ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了必备知识·自主学习，静电力，UIt，电流的二次方，通电时间，I2Rt，单位时间，I2R，发热快慢，①②③④⑤等内容，欢迎下载使用。
一、电功和电功率【情境思考】 现代生活中随处都可以见到各种用电器,如电灯、电风扇等。那么你知道这些用电器中的能量是通过什么途径转化的吗?提示:通过电流做功来实现,即导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。
1.电功:(1)实质:导体中的恒定电场对自由电荷的_______在做功。(2)公式:W=____。(3)国际单位:___,符号为__。(4)意义:电功是_____转化为其他形式的能的量度,即电功是多少就有多少_____转化为其他形式的能。
2.电功率:(1)含义:单位_____内电流所做的功。(2)公式:P= =___。(3)单位:___,符号:__。(4)物理意义:表示电流做功的_____。(5)决定用电器电功率大小的因素有_____。①电功;②通电时间;③电压;④电流;⑤电阻。
二、焦耳定律和热功率【情境思考】不同型号的白炽灯泡串联在电路中,它们的发光亮度会有明显差异,影响这个差异的主要参数是什么?该参数是如何影响灯泡亮度的?提示:电阻。串联电路中电流相同,所以电阻越大灯泡越亮。
1.焦耳定律:(1)内容:电流通过导体产生的热量跟_____________成正比,跟导体的_____及_________成正比。(2)表达式:Q=____。2.热功率:(1)定义:_________内的发热量称为热功率。(2)表达式:P=___。(3)物理意义:表示电流_________的物理量。
(4)计算电路中某电阻(满足欧姆定律)的热功率时,可以用到的公式是___________。①P=UI;②P=I2R;③P= ;④P= ;⑤P= 。
三、电路中的能量转化1.电路中只有电阻、电炉丝等电阻元件,只能把电能转化为内能的电路是______;除电阻外还包括电动机等,能把电能转化为其他形式能的电路是______。 A.纯电阻电路　　　　B.非纯电阻电路2.在非纯电阻电路(像含有电动机、电解槽的电路)中,电流做的功只有很少一部分转化为电热,绝大部分转化为其他形式的能(机械能或化学能等)。因此,W__Q,即UIt__I2Rt,根据能量守恒定律知,在非纯电阻电路中满足:电功=电热+其他形式的能,即UIt=I2Rt+E其他。
【易错辨析】(1)电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。( )(2)电功率越大,表示电流做功越多。( )(3)电功与能量的单位都是焦耳,电功就是电能。( )(4)电动机消耗的电能,一部分转化为机械能,一部分转化为线圈内阻上的电热。( )(5)电功W=UIt只能用来计算纯电阻电路中电流所做的功。( )(6)焦耳定律的表达式为Q=I2Rt,此式适用于任何电路。( )
知识点一　电功、电热与焦耳定律的理解1.电功与电功率:电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。静电力对自由电荷做功的过程,就是电荷的电势能转化为其他形式的能的过程。(1)电功的计算公式:W=UIt=Pt。(2)电功的单位:在国际单位制中电功的单位是焦耳,常用单位还有“度”,1度=1千瓦时=3.6×106焦耳。
(3)额定功率与实际功率:额定功率:用电器在额定电压下工作的功率;实际功率:用电器在实际电压下工作的功率。为了用电器不被烧毁,实际功率不能大于额定功率。
(1)推导:设导体的电阻为R,通过的电流为I,由欧姆定律可知,导体两端的电压U=IR,又因为Q=W=UIt,可得,Q=I2Rt。(2)注意:焦耳定律是实验规律,这里的推导过程只是为了方便大家理解。(3)在推导过程中用到Q=W,即电热等于电功,但其实在非纯电阻电路中,焦耳定律依然成立。
【典例示范】【典例】(多选)用一个额定电压为220 V的电热水器煮沸一壶水需要t s,如果不考虑电热丝电阻受温度的影响,那么(　　)A.当线路电压为110 V时,煮沸一壶水需要2t sB.当线路电压为110 V时,煮沸一壶水需要4t sC.当线路电压为55 V时,煮沸一壶水需要4t sD.当线路电压为55 V时,煮沸一壶水需要16t s
【解析】选B、D。由公式Q= t,煮沸一壶水所需的热量为Q= 。当电压变为原来的 时,煮沸一壶水所需热量没变,因此时间要变为原来的4倍,即4t s,故A项错误,B项正确;当电压变为原来的 时,时间要变为原来的16倍,即16t s,故C项错误,D项正确。
【素养训练】1.下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是(　　)A.电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多B.静电力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大C.电流通过电动机时的电功率和热功率相等D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
【解析】选D。对于一段电路, Q=Pt,即Q与P、t都有关,所以P越大,Q不一定越大,故A项错误;由电流的微观表达式I=neSv,同一金属导体内电流不变,所以电子运动的速率不变,故B项错误;在电动机中,电流做的功=焦耳热+机械能,所以W>Q,即IU>I2R,故C项错误;Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路,故D项正确。
2.如图为一种服务型机器人,其额定功率为48 W,额定工作电压为24 V,机器人的锂电池容量为20 A·h。则机器人(　　)A.额定工作电流为20 AB.充满电后最长工作时间为2 hC.电池充满电后总电量为7.2×104 CD.以额定电流工作时每分钟消耗能量为1 440 J
【解析】选C。由P=UI知额定电流I= =2 A,故A项错误;充满电后,锂电池容量为20 A·h,最长工作时间t= =10 h,故B项错误;电池充满电后总电量q=It=20×3 600 C=7.2×104 C,故C项正确;以额定电流工作时每分钟消耗能量W=UIt=2 880 J,故D项错误。
【加固训练】改革开放以来,人们的生活水平和生活质量有了较大的改善,电冰箱、空调、电视机等家用电器得到了普遍使用。根据图中铭牌上提供的信息,判断在12小时内正常使用的电冰箱与连续运转的电风扇消耗电能的情况是(　　)
A.电冰箱比电风扇消耗电能多B.电风扇比电冰箱消耗电能多C.电风扇与电冰箱消耗电能一样多D.电冰箱比电风扇消耗电能可能多,也可能少【解析】选B。依据电冰箱铭牌可知,电冰箱在12 h内消耗电能0.25 kW·h,而电风扇在12 h内消耗电能W=Pt=0.78 kW·h,B项正确。
知识点二　串、并联电路中的电功率
提醒:无论是串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和。
【问题探究】使用电水壶烧水时,壶内的水会很快被加热到沸腾,产生大量的热,而连接电水壶的导线却不怎么热,这是什么原因呢?提示:导线与电水壶为串联结构,通电时两者电流相等,但导线上的电阻非常小,根据Q=I2Rt,导线上的电热远小于电水壶。
【典例示范】【典例】三个阻值相同的灯泡,其允许消耗的最大功率都是10 W。现将它们按如图所示方式连接时,整个电路允许消耗的最大功率为(　　)A.30 W　　　B.20 WC.15 WD.10 W
【解析】选C。由电路图可知,L1、L2串联后与L3并联,其中L3两端电压最大,它消耗的电功率为10 W时,因L1与L2串联,且电阻相等,则分配在L1与L2两灯上的电压都是灯L3两端电压的一半。所以P1=P2= =2.5 W,则整个电路消耗的功率P=P1+P2+P3=(2.5+2.5+10) W=15 W,故C项正确。阿
【规律方法】电功、电热问题的求解技巧(1)判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器。(2)分析各用电器之间的连接方式,对纯电阻电路,计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路的分流特点。(3)由所求问题选取合适的公式。在非纯电阻电路中计算电功只能用W=UIt,计算电热只能用Q=I2Rt。欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用。
【素养训练】将两个定值电阻R1、R2并联在电压为U的电源两端,R1消耗的功率为P1,R2消耗的功率为3P1,当把它们串联在电压为4U的电源两端时,下列说法正确的是 (　　)A.R1两端的电压为UB.R2消耗的功率变小C.通过R2的电流变小D.两个电阻消耗的总功率为12P1
【解析】选D。当R1、R2并联在电压为U的电源两端时,两电阻两端的电压为U,根据P=IU,功率之比等于电流之比,根据并联电路电流和电阻的关系,可知:R1=3R2;当把它们串联在电压为4U的电源两端时,电路中的电流I= 故通过R2的电流不变,电压不变,所以R2的电功率不变,仍为3P1,故B、C项错误;R1两端的电压U1=IR1= ×3R2=3U,故A项错误;两个电阻消耗的总功率P=U′I=4U· =12P1,故D项正确。
【加固训练】1.把八个相同的小灯泡接成如图甲、乙所示的电路,调节变阻器使灯泡正常发光,甲、乙两电路所消耗的功率分别用P甲和P乙表示,则下列结论中正确的是(　　)A.P乙=P甲　　　　　　B.P乙=2P甲C.4P乙=P甲D.P乙=4P甲
【解析】选D。设灯泡正常发光时的电流为I,对于甲图,电路的总电流的大小就为I,此时甲的总功率的大小为P甲=U·I;对于乙图,电路的总电流为4I,此时乙的总功率的大小为P乙=U·4I,所以P乙=4P甲。选项D正确。
2.下列四个图像中,最能正确地表示家庭常用的白炽灯泡在不同电压下消耗的电功率P与电压平方U2之间的函数关系的是(　　) 【解析】选C。灯泡消耗的功率P= ,随着电压的增大,灯泡消耗的功率增大,温度升高,其电阻R增大, 则P-U2图像切线的斜率减小,故C正确。
知识点三　纯电阻电路和非纯电阻电路1.纯电阻电路:电流通过纯电阻电路做功时,电能全部转化为导体的内能。2.非纯电阻电路:含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中,电流做功将电能除了部分转化为内能外,还转化为机械能或化学能等其他形式的能。
3.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较:
4.说明:(1)W=UIt、P电=UI适用于任何电路计算电功和电功率。(2)Q=I2Rt、P热=I2R适用于任意电路计算电热和热功率。(3)只有纯电阻电路满足W=Q,P电=P热;非纯电阻电路W>Q,P电>P热。
【问题探究】我们在生活中会经常观察到这样的现象:玩具车、电风扇、电动机等正常工作时会平稳运行很长时间,然而一旦被卡住就会大量发热,甚至可能烧毁。试分析这种现象产生的原因。提示:这些用电器正常工作时是非纯电阻电路,电能只有一部分转化为内能。一旦被卡住就变成了纯电阻电路,电能全部转化为内能,释放大量的热量。
【典例示范】【典例】 取一个玩具小电机,其内阻R=1.0 Ω,把它接在如图所示的电路中。(1)先夹住电机轴,闭合电键,小电机不转。调整滑动变阻器的阻值,使电压表的示数为0.50 V,记下电流表的示数,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。
(2)再松开夹子,使小电机转动,调整滑动变阻器的阻值,使电压表的示数为2.0 V(此电压为小电机的额定电压),电流表的示数为0.4 A,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。
【解析】(1)小电机不转时,电机是一个纯电阻元件,电机的内阻与滑动变阻器串联,U=0.50 V,由欧姆定律I= =0.50 A则P电=UI=0.50×0.50 W=0.25 WP热=I2R=0.502×1.0 W=0.25 WP电=P热
(2)小电机转动时,电机是非纯电阻元件,U=2.0 V,I=0.40 A,P电=UI=2.0×0.40 W=0.80 WP热=I2R=0.402×1.0 W=0.16 WP电>P热答案:(1)0.25 W,0.25 W　电功率等于热功率(2)0.80 W,0.16 W　电功率大于热功率
【素养训练】1.一电动机线圈电阻为R,在它两端加上电压U,电动机正常工作,测得通过它的电流为I,电动机的机械功率是(　　)A.I2R　　　　B. 　　　　C.UI-I2R　　　　D.UI【解析】选C。电动机为非纯电阻元件,电动机的电功率P=UI,热功率P热=I2R,所以机械功率是P机=P-P热=UI-I2R,故C项正确。
2.(多选)如图所示,电阻R1=20 Ω,电动机的内阻R2=10 Ω。当开关断开时,电流表的示数是0.5 A,当开关闭合后,电动机转动起来,电路两端的电压不变,此时电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(　　)A.I=1.5 AB.IU并,B灯被烧毁,A灯不能正常发光。对于C电路,B灯与滑动变阻器并联,电阻可能等于RA,所以可能UA=UB=110 V,两灯可以正常发光。
对于D电路,若滑动变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻,则UA=UB=110 V,两灯可以正常发光。比较C、D两个电路,由于C电路中滑动变阻器功率为(IA-IB)×110 V,而D电路中滑动变阻器功率为(IA+IB)×110 V,所以C电路消耗电功率最小。
4.小型直流电动机(其线圈内阻为r=1 Ω)与规格为“4 V　4 W”的小灯泡并联,再与阻值为R=5 Ω的电阻串联,然后接至U=12 V的电源上,如图所示,小灯泡恰好正常发光,电动机正常工作,求: (1)通过电动机的电流;(2)电动机的输出功率P出;(3)电动机的效率。
【解析】(1)流经灯泡的电流IL= =1 A;流经电阻R的电流IR= =1.6 A;流经电动机的电流I=IR-IL=0.6 A。
(2)电动机消耗的总功率P=ULI=4×0.6 W=2.4 W;电动机的热功率P热=I2r=(0.6)2×1 W=0.36 W电动机输出功率P出=P-P热=2.4 W-0.36 W=2.04 W。
(3)电动机的效率:η= ×100%= ×100%=85%。答案:(1)0.6 A　(2)2.04 W　(3)85%
【加固训练】如图所示,某同学设计了一个转向灯电路,其中L为指示灯,L1、L2分别为左、右转向灯,S为单刀双掷开关,E为电源。当S置于位置1时,以下判断正确的是(　　)A.L1的功率大于L与L2的功率之和B.L2的功率大于L与L1的功率之和C.L1比L2亮,L1的功率等于额定功率D.L2比L1亮,L2的功率等于额定功率
【解析】选A。当S置于位置1时,L与L2串联后与L1并联。由于电源存在内阻,因而L1两端电压必然小于6 V,因而L1的功率小于额定功率,同理L2的功率小于额定功率;L和L2的电阻之和大于L1的电阻,因而L1的功率大于L与L2功率之和。故选A。
十三　电路中的能量转化
【合格性考试】 (15分钟·30分)一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)1.关于三个公式P=UI、P=I2R、P= 的适用范围,以下说法正确的是 (　　)A.第一个公式普遍适用于求电功率,后两式普遍适用于求电热功率B.在纯电阻电路中,三个公式既可适用于求电功率,又可适用于求电热功率C.在非纯电阻电路中,第一个公式可适用于求电功率,第二个和第三个公式可用于求电热功率D.由U=IR可知,三个公式没有任何区别,它们表达相同的意义
【解析】选B。首先,U=IR只适用于纯电阻电路,因此三个公式在纯电阻电路中没有区别,但在非纯电阻电路中它们互不相同,故A项错误,B项正确;在非纯电阻电路中,P=UI仅表示电功率,而P=I2R仅表示电热功率,P= 无意义,故C、D项错误。
2.电子产品制作车间里常常使用电烙铁焊接电阻器和电容器等零件,技术工人常将电烙铁和一个电灯串联使用,电灯还和一只开关并联,然后再接到220 V的电源上(如图所示)。下列说法中正确的是(　　)
A.开关接通时比开关断开时消耗的总电功率大B.开关接通时,电灯熄灭,只有电烙铁通电,可使消耗的电功率减小C.开关断开时,电灯发光,电烙铁也通电,消耗的总功率增大,但电烙铁发热功率较小D.开关断开时,电灯发光,可供在焊接时照明使用,消耗总功率不变
【解析】选A。开关接通将灯短路,电灯熄灭,电路中总阻值减小,由P= 知,电路的总电功率增大,故A项正确,B项错误;开关断开时,电灯发光,电路中总阻值较大,由P= 知,电路的总电功率较小,电烙铁发热功率较小,故C、D项错误。
3.一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的电源上(其内电阻可忽略不计),均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A,通过洗衣机电动机的电流是0.50 A,则下列说法中正确的是(　　)A.电饭煲的电阻为44 Ω,洗衣机电动机线圈的电阻为440 ΩB.电饭煲消耗的电功率为1 555 W,洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 WC.1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J,洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103 JD.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
【解析】选C。由于电饭煲是纯电阻元件,所以R1= =44 Ω,洗衣机为非纯电阻元件,不满足欧姆定律所以电阻不等于440 Ω,故A项错误;对电饭煲P1=UI1=1 100 W,其在1 min内消耗的电能W1=UI1t=6.6×104 J,洗衣机P2=UI2=110 W,其在1 min内消耗的电能W2=UI2t=6.6×103 J,故B项错误,C项正确。洗衣机电动机发热功率P热≠P2,所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍,故D项错误。
4.粗细均匀的金属环上A、B、C、D四点把其周长分成四等份,如图所示,当A、B两点接入电路中时,圆环消耗的电功率为P;当A、D两点接入电路中时,圆环消耗的电功率为(电源内阻不计)(　　)A.3PB. PC.PD. P
【解析】选B。设金属环的总电阻为4R,则当A、B两点接入电路中时,等效电阻为R,圆环消耗的电功率为P= ;当A、D两点接入电路中时,等效电阻为R1= ,圆环消耗的电功率P1= ,故B项正确。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)5.如图所示是一直流电动机工作时的电路图。电动机内阻r=0.8 Ω,电路中另一电阻R=10 Ω,直流电压U=160 V,电压表示数UV=110 V。试求:(1)通过电动机的电流;(2)输入电动机的总功率;(3)电动机输出的机械功率。
【解析】(1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压UR=U-UV=(160-110) V=50 V通过电阻R的电流IR= A=5 A即通过电动机的电流IM=IR=5 A。(2)电动机的分压UM=UV=110 V输入电动机的总功率P总=IM·UM=550 W。
(3)电动机的热功率P热= r=20 W电动机输出的机械功率P出=P总-P热=530 W。答案:(1)5 A　(2)550 W　(3)530 W
【加固训练】　　1.有一内阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V　60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端,灯泡正常发光,则(　　)A.电解槽消耗的电功率为120 WB.电解槽消耗的电功率为60 WC.电解槽的发热功率为60 WD.电路消耗的总功率为60 W
【解析】选B。灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110 V电压,且流过电解槽的电流I=I灯= ,则电解槽消耗的电功率P=IU=P灯=60 W,选项A错误,选项B正确;电解槽的发热功率P热=I2r ≈1.3 W,选项C错误;电路消耗的总功率P总=IU总= ×220 W=120 W,选项D错误。
2.如图所示,一台直流电动机所加电压为110 V,通过的电流为5 A。该电动机在10 s内把一个质量为50 kg的物体匀速提高了9 m,求电动机的电功率和电动机线圈的电阻(不计摩擦,g取10 m/s2)。
【解析】电功率:P=UI=110×5 W=550 W电动机做功的过程就是把电能转化为机械能和内能的过程。机械能:E=mgh=50×10×9 J=4 500 J内能:Q=W-E=Pt-E=(550×10-4 500) J=1 000 J,由焦耳定律Q=I2Rt,得:R= Ω=4 Ω。答案:550 W　4 Ω
【选择性考试】(10分钟·20分)6.(20分)如图所示是电饭煲的电路图,S1是一个控温开关,手动闭合后,当此开关温度达到居里点(103 ℃)时,会自动断开。S2是一个自动控温开关,当温度低于70 ℃时,会自动闭合;温度高于80 ℃时,会自动断开。红灯是加热时的指示灯,黄灯是保温时的指示灯,定值电阻R1=R2=500 Ω,加热电阻丝R3=50 Ω,两灯电阻不计。
(1) 分析电饭煲的工作原理。(2) 简要回答,如果不闭合开关S1,能将饭煮熟吗? (3) 计算加热和保温两种状态下,电饭煲消耗的电功率之比。
【解析】(1)电饭煲盛上食物后,接上电源,S2自动闭合,同时手动闭合S1,这时黄灯被短路,红灯亮,电饭煲处于加热状态,加热到80 ℃时,S2自动断开,S1仍闭合;水烧开后,温度升高到103 ℃时,开关S1自动断开,这时饭已煮熟,黄灯亮,电饭煲处于保温状态;由于散热,待温度降至70 ℃时,S2自动闭合,电饭煲重新加热,温度达到80 ℃时,S2又自动断开,再次处于保温状态。
(2)如果不闭合开关S1,则不能将饭煮熟,因为只能加热到80 ℃。(3)加热时电饭煲消耗的电功率P1= ,保温时电饭煲消耗的电功率P2= ,两式中R并=