人教版 (2019)1 电路中的能量转化精品学案设计

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知识点1：电功和电功率
1.电功
(1)定义：电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I、通电时间t三者的乘积.
(2)公式：W=UIt,是电功的定义式，适用于任何电路，单位是焦耳，符号是J.常用单位为千瓦时，符号是kW·h,1 kW·h=3.6×106J.
(3)电流做功的实质：电能转化为其他形式能的过程
①电功是指在某段电路上电流所做的功，实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做的功，即W=UIt,It =q,得W=Uq.
②当在导体两端加上电压后，导体内部产生电场，在静电力作用下，自由电荷定向移动形成电流，静电力对自由电荷做正功，电荷的电势能减少，转化为其他形式的能.
2.电功率
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率.电流在一段电路上做功的功率P等于这段电路两端的电压U与电流I的乘积.用于描述电流做功的快慢.
(2)公式：,适用于任何电路，单位为瓦特，符号是W.常用单位有千瓦，符号为kW,1 kW=1000 W.
(3)用电器的额定功率和实际功率
①额定功率：用电器正常工作时的功率，即当用电器两端加上额定电压时所消耗的功率，即P额=U额I额.
②实际功率：用电器实际工作时消耗的功率，即P实=U实I实.
③为使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大于其额定功率.
【典例1】四个定值电阻按图示连接方式连入电路。已知RA、RC的规格为“10V 4W”，RB、RD的规格为“10V 2W”。这四个电阻消耗功率的大小关系为（ ）

A．PD>PA>PC>PBB．PA>PC>PD>PB
C．PA>PD>PC>PBD．PD>PA>PB>PC
【典例2】电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧干以前的加热状态，另一种是水烧干以后的保温状态。图是电饭锅的电路图，R1是分压电阻，R2是加热用的电阻丝。已知电源输出电压恒为U=220V，R1=792Ω，保温状态时电路电流I=0.25A。下列说法正确的是（ ）
A．自动开关S接通时，电饭锅处于保温状态
B．电热丝的电阻R2=880Ω
C．R2在保温状态下的功率是加热状态下的1100
D．若仅换用阻值更大的加热电阻丝，保温状态时电阻丝的功率一定增大
【典例3】有一家用电褽斗，其内部电路结构如图所示，改变内部连线方式可以使电褽斗处于断开状态或获得低、中、高三个不同的温度挡，选项图中是它的四种不同的连接方式，其中能获得高挡温度的是（ ）
A．B．C．D．
【典例4】（多选）已知，灯泡A、B额定电压均为U=110V，额定功率分别为PA=100W，PB=40W，两灯泡内阻阻值不随温度变化。则两灯泡直接串联如图甲所示，灯泡不被烧坏且两端电压最大；为让灯泡A、B和电阻连接后接在220V电压上，且灯泡均正常发光，分别设计如图乙、丙、丁所示三种电路图，下列说法正确的是（ ）

A．图甲中B更亮，两端电压为154V
B．图乙中电阻上消耗的功率为45W
C．图丙中与A串联的电阻消耗的功率比与B串联的电阻消耗的功率小
D．图丁中电路消耗的总功率与图丙中电路消耗的总功率一样大
【典例5】（多选）两外观完全相同的电阻R1、R2的伏安特性曲线如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．R1:R2=3:1
B．把R1和R2并联接入某电路中，流经它们的电流之比I1:I2=1:3
C．把R1和R2串联接入某电路中，它们消耗的电功率之比P1:P2=1:3
D．把R1和R2先后接入同一电源两端，发现R1和R2消耗的电功率相等，则该电源的内阻为3Ω
知识点2：焦耳定律和电路中的能量转化
1.焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。
(2)表达式：Q=I2Rt,单位为焦耳，符号为J,适用于任何电路.
(3)实质；电热实质上是电流做功转化为导体的内能.在任何电路中，总有电功W≥Q,在纯电阻电路中电能全部转化为电热。
2.热功率
(1)定义：电流通过导体发热的功率.
(2)表达式：.
①Q=I2Rt适用于任何用电器产生的热量的求解，由U=IR与Q=I2Rt联立可得出公式,但因为U=IR只适用于纯电阻电路，所以也只适用于纯电阻电路.
3.纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量转化
【典例6】如图甲是我国自行研制的CPU“龙芯”系列，是微型集成电路。图乙中，R1和R2是两个材料相同、厚度相同、表面为正方形的芯片内部电阻，R2的尺寸远远小于R1的尺寸。现给R1、R2通以相同的电流I，则（ ）
A．R1、R2两端的电压U1P2
C．R1、R2在相同时间内产生的焦耳热Q1>Q2
D．R1、R2的电阻率在相同温度情况下一定相同
【典例7】小灯泡A、B与定值电阻R、输出电压恒为U的电源组成图示电路，小灯泡A、B分别标有“3V，0.3A”及“5V，0.6A”字样，当两只小灯泡都能正常发光时，应有（ ）
A．电源的输出功率为4.8W
B．定值电阻R的阻值为15Ω
C．电源的输出电压为5V
D．定值电阻在10s内产生的电热为30J
【典例8】半径为a的金属球远离其它一切物体，通过阻值为R的电阻与大地相连。电子束从远处射向小球，各物理量达稳定状态后每秒钟有n个电子以速度v不断地落到球上，电子的质量为m，电荷量为e，那么以下结论正确的是（ ）
A．小球的电势为neR
B．通过电阻的电流为ne，且从金属球流向大地
C．电阻上的电热功率为P=12nmv2，小球所带电荷量是不为零的一个定值
D．金属球单位时间内释放的热量为Q=12nmv21−2ne2Rmv2
【典例9】（多选）如图所示，有一个半径为r的金属球远离其他物体，通过电阻R与大地相连。电子束从远处以速度v落到球上且不反弹，在各物理量达稳定后每秒有n个电子落到球上。已知电子的质量为m，电子的电荷量为e，则下列说法正确的是（ ）
A．通过电阻的电流大小为ne
B．通过电阻的电流方向由金属球流向大地
C．若以地面为零电势，则球的电势为φ=neR
D．每秒钟金属球产生的热量为nmv221−2nRe2mv2
【典例10】（多选）如图1所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图2所示。在充电开始后的一段时间t内，充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为r，则时间t内（ ）
A．充电宝输出的电功为UItB．充电宝产生的热功率为I2r
C．手机电池产生的焦耳热为U2rtD．手机电池储存的化学能为UIt−I2rt
重难点1：含电动机电路的功率计算
1.电动机模型：如图所示，电动机由线圈电阻和其他元件组成.电动机正常工作时，部分电压加在线圈电阻上，大部分电压加在其他元件上用来将电能转化为机械能，此时电路为非纯电阻电路；电动机通电但不工作时，电压全部加在线圈电阻上，此时电路为纯电阻电路.
2.电动机的特性：电动机是一种非纯电阻用电器，它把电能转化为机械能和内能，在电路计算中，欧姆定律不再适用。
3.输入功率：电动机消耗的功率即总功率P总=UI.
4.输出功率：电动机做有用功的功率，如图所示，P出=mgv(设重物匀速上升).
5.热功率：电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要发热，热功率.
6.功率关系：P总=P出+P热
7.电动机的效率：
【典例11】随着我国机器人产业的蓬勃发展，仿生机器人关节电动机需求量越来越大。小明同学拆下一个类似旧电动机，测得电动机的绕线电阻R0=1Ω，上面标注工作电压“8V-12V”，然后把此电动机接入如图所示电路，电路中电源电动势E=12V，内阻r=1Ω，标有“8V ，16W”字样的灯泡L恰能正常发光，则（ ）
A．电动机的输出功率12W
B．通过电源的电流为10A
C．电动机把电能转化为机械能的效率为67%
D．若电动机的转子被卡住电动机消耗的功率变为64W
【典例12】直流电动机在生产和生活中有着广泛的应用，但是电动机启动瞬间，转子还未转动，电动机的启动电流很大。为了减小启动电流，保护用电器，如图所示，将一线圈电阻为rM的电动机与电阻箱串联后接在电源电动势E=8V，内阻r=1Ω的电源两端，电压表可以视为理想表，现利用电动机竖直向上牵引一质量为m=0.1kg的物体，已知重力加速度为g=10m/s2。调节电阻箱至R=17Ω后，闭合开关S，电动机转子稳定转动时，物体以速度v=0.6m/s匀速上升，电压表示数为U=3.4V下列说法正确的是（ ）
A．电动机的线圈电阻rM=7Ω
B．电动机转动稳定时，其输入电压为4V
C．电动机转动稳定时，其输出功率为6W
D．调节电阻箱至R=17Ω后，闭合开关S，电动机的启动电流为0.2A
【典例13】直流电动机在生活生产中有广泛的应用，其主要结构为两部分：定子和转子，其中定子包括：主磁极、机座、转向器、电刷等；转子包括：电枢铁芯、电枢绕组等。如图所示是电动机提升重物的示意图，已知电源电动势E=9V，内阻r=1.5Ω，电阻R=2Ω。闭合开关S，发现电动机被卡死，此时电压表的示数为6V，立即关闭电源。清除故障后重新闭合开关，当电动机正常工作时，电压表的示数为7.5V，重力加速度g=10m/s2，下列说法正确的是（ ）
A．电动机内部线圈的电阻为RM=5.5Ω
B．电动机正常工作时线圈电阻的热功率为1W
C．电动机正常工作时电源的效率约为66.7%
D．电动机正常工作时将一个质量为1kg重物由静止吊起，则重物的最大速度为0.55m/s
【典例14】如图所示为直流电动机提升重物装置，电动机的内阻一定，闭合开关K，当把它接入电压为U1=0.2V的电路时，电动机不转，测得此时流过电动机的电流是I1=0.5A；当把电动机接入电压为U2=4.0V的电路中，电动机正常工作且电动机匀速提升重物，工作电流是I2=1.0A，求：
（1）电动机线圈的电阻r；
（2）当U2=4.0V电动机正常工作时的输出功率；
（3）如果重物质量m=1.0kg，当U2=4.0V时电动机提升重物的速度大小是多少?（g取10m/s2）
一、单选题
1．某城市被誉为“森林中的火车站”的屋顶铺设了1.2万块光伏组件，每块面积为0.72m2，发电总功率为1.2×106w。已知太阳的辐射总功率约为4×1026W，太阳与地球之间的距离约1.5×1011m，则以下关于该光伏组件说法正确的是（ ）
A．每块组件上接收到的太阳辐射功率约为100W
B．工作一天大约可发电2.88×104kwh
C．光电的转换效率约为10%
D．若一吨标准煤可以发电约3000度，则该组件一年可节省约3500吨煤
2．如图所示，两段长度和材料相同、各自粗细均匀、单位体积内自由电子数相等的金属导线a、b串联连接在电路中，横截面积之比Sa:Sb=1:2。则（ ）
A．两导线电阻之比为1:2
B．两导线两端电压之比为1:2
C．流经两导线的电流发热功率之比为1:2
D．自由电子在两导线中移动的速率之比va:vb=2:1
3．如图所示，将一盏标有“20V、20W”的灯泡和一电阻为4Ω的电解槽串联后，接在电压恒为60V的直流电源两端，灯泡正常发光，则（ ）
A．电路消耗的总功率为150WB．电解槽消耗的电功率为400W
C．电解槽的发热功率为40WD．电解槽的输出电功率为36W
4．如图所示是某笔记本电脑电池上的部分标注，该型号的电池据说是最强的笔记本电脑电池之一。关于此电池的下列说法中，正确的是（ ）
A．该电池充满电后储存的能量约9.4×104J
B．该电池充满电后可供电脑使用10小时，则平均电流强度约0.1A
C．若某电容器充满电后，电压为10.8V，电量为8700mAh，则电容器储存的能量和该电池充满电后相同
D．该电池充满电后，提供的总能量可以使一名质量m=60kg的学生提升的高度超过“中国尊”（北京最高建筑，高度为ℎ=528m）的高度
5．假设某同学研究白炽灯得到某白炽灯的UI图线如图所示，图像上A点与原点的连线与横轴成α角，A点的切线与横轴成β角。则（ ）
A．白炽灯的电阻随电压的增大而减小
B．在A点，白炽灯的电阻可表示为tanα
C．在A点，白炽灯的电阻可表示为tanβ
D．在A点，白炽灯的电功率大小可用矩形U0AI0O的面积表示
6．某机器人使用充电锂电池供电，充好电的锂电池电动势为E，内电阻为r，电动机线圈电阻为R，接通电源后，机器人刚好正常工作，消耗功率为P，输出功率为0.9P。则电源的输出功率可表示为（ ）
A．1.1PB．0.1PC．EPR−rPRD．EP10R−rP10R
7．如图所示，干旱季节，农民通过潜水泵抽取地下水灌溉农田。已知潜水泵由电动机、水泵输水钢管组成，某地下水源距离地表5.35m深，安装潜水泵时将一根输水钢管竖直打入地底下与地下水源连通，水泵出水口离地表高度为0.65m，水流由出水口水平喷出时的速度为4m/s，每秒出水量为4kg。已知电动机额定电压为220V，水泵的抽水效率为70%，水的密度为1.0×103kg/m3，重力加速度g=10m/s2，则（ ）
A．出水口钢管横截面积为4×10-3m2B．每秒内水流机械能增加272J
C．电动机的输入功率为272WD．电动机线圈的电流约为1.2A
8．某景区景点喷泉喷出的水柱高约20m，如图所示，小明了解到喷泉专用泵额定电压为220V，正常工作时输入电流为3A，泵输出的机械功率占输入功率的75%，则此喷泉（ ）
A．出水流量约为0.1m3/s
B．电机绕组的电阻是55Ω
C．任意时刻空中水的质量约为10kg
D．喷管的横截面积约为0.8×10﹣4m2
二、多选题
9．某电饭锅的额定电压为220V，额定功率为1500W。此电饭锅正常工作时，下列说法对的是（ ）
A．通过电饭锅的电流约为0.14A
B．通过电饭锅的电流约为6.8A
C．电饭锅每秒消耗的电能为1500J
D．电饭锅每秒消耗的电能为220J
三、解答题
10．利用电动机提升重物的示意图如下。已知电源电动势E=110V，电源内阻r=2Ω，电动机线圈电阻R0=3Ω，定值电阻R=6Ω，重物质量m=50kg，当电动机匀速提升重物时，理想电压表的示数U=100V，不计空气阻力和摩擦，取g=10m/s2。求：
（1）流经电源的电流I和电动机两端的电压UM；
（2）电动机的热功率P热和重物匀速上升时的速度v；
（3）由于人员使用不当，致使电动机被卡住而无法转动，求此时电动机的热功率P热1。
纯电阻电路
非纯电阻电路
元件特点
电路中只有电阻，电能全部转化成内能
除内能外，还把电能转化成其他形式的能
能量转化情况
电功
热功
关系
W=Q
W＞Q,W=Q+E其他
电功率
热功率
关系
P =P热
P＞P热,P=P热+P其他
欧姆定律是否成立
成立，有U=IR，
不成立，有U＞IR，
元件举例
电阻、电炉丝、白炽灯等
电动机、电解槽等