高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第3节 电功与电热评课ppt课件

第3节　电功与电热

[核心素养·明目标]

知识点一　电功和电功率

　计算电功率的普遍公式P＝(比值定义法)和P＝UI，对于纯电阻电路，计算电功率还可以用公式P＝I2R和P＝。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)电功率越大，电流做功一定越快。 (√)

(2)千瓦时(kW·h)是电功的常用单位。1 kW·h＝3.6×106 J。 (√)

知识点二　焦耳定律

1．内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。

2．公式：Q＝I2Rt。

3．单位：焦耳，简称焦，符号J。

　对于纯电阻电路和非纯电阻电路，计算电热都用Q＝I2Rt。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)任何电路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 (×)

(2)电流做功的过程中，电能转化为其他形式的能。 (√)

知识点三　身边的电热

1．电热水器、电饭锅等家用电器是利用了电流的热效应，其电阻丝都是由电阻率较大的材料制成的。

2．电阻焊是在焊接的金属接触面上通过电流，利用接触电阻产生的热量得到适合焊接的高温，从而对接触面进行焊接的一种方法。

3．插头和插座之间、电线连接处如果接触不良，都会产生大电阻，容易发热，甚至迸出火花。

4．电视机和显示器的后盖有很多孔，计算机的CPU要安装散热片及风扇，都是为了散热。

　当利用电热时，使用大电阻；当减少电热时，则使电阻R减小。

3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)电功与电热的单位都是焦耳，电功就是电热。 (×)

(2)在直流电路中，两个电阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通过的电流之比I1∶I2＝2∶1，则在相等时间内两个电阻产生的热量之比Q1∶Q2为8∶1。              (√)

考点1　电功和电功率　电热和热功率

1．对电功的理解

(1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。

(2)从能的角度看，电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少。

(3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用。

2．对电功率的理解

(1)电功率P＝＝UI对任何电路都适用。

(2)额定功率和实际功率

①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率。

②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率。

3．电热和热功率

(1)电热的计算公式为Q＝I2Rt。

(2)热功率的计算公式为P热＝I2R。

【典例1】　(多选)有一内阻为4.4 Ω的直流电动机和一盏标有“110 V　60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电源两端，灯泡正常发光，则(　　)

A．直流电动机消耗的电功率为120 W

B．直流电动机的发热功率为60 W

C．直流电动机消耗的电功率为60 W

D．电路消耗的总功率为120 W

思路点拨：(1)流过电动机和灯泡的电流相等。

(2)根据公式P＝UI和P＝I2r计算电功率和热功率。

CD　[“灯泡正常发光”说明灯泡的实际电压为110 V，电流I＝ A＝ A，电动机两端的电压为110 V，电动机消耗的电功率为110× W＝60 W，选项A错误，C正确；直流电动机的发热功率为×4.4 W≈1.3 W，选项B错误；电路消耗的总功率为×220 W＝120 W，选项D正确。]

四个电学公式的适用范围

(1)电功W＝UIt＝qU普遍适用。

(2)I＝为电流的定义式，普遍适用。

(3)I＝只适用于纯电阻电路。

(4)电热Q＝I2Rt普遍适用。

[跟进训练]

1．一台电动机额定电压是220 V，电阻是1 Ω。正常工作时通过的电流为5 A，则电动机因发热损失的功率为(　　)

A．48 400 W　　 B．1 100 W

C．220 W D．25 W

D　[电动机因发热损失的功率P＝I2R＝52×1 W＝25 W，故D正确。]

2．在现代生活中，充电宝是手机一族出行的必备品。当充电宝电量不足时，需要给充电宝充电，此时充电宝相当于可充电的电池，充电过程可简化为如图所示电路。现给一充电宝充电，充电电压为5 V，充电电流为1 000 mA，充电宝的内阻为0.2 Ω。试求：

(1)充电宝的输入功率；

(2)充电宝内阻消耗的热功率；

(3)一分钟内充电宝储存的电能。

[解析]　(1)充电宝的输入功率为

P入＝UI＝5×1 000×10－3 W＝5 W。

(2)充电宝内阻消耗的热功率为

P热＝I2r＝12×0.2 W＝0.2 W。

(3)一分钟内充电宝储存的电能为

Q＝P入t－P热t＝5×60 J－0.2×60 J＝288 J。

[答案]　(1)5 W　(2)0.2 W　(3)288 J

考点2　纯电阻电路和非纯电阻电路

1．纯电阻电路与非纯电阻电路

(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的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还有大部分转化为机械能或化学能。

2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较

【典例2】　小明准备参加玩具赛车比赛，他想通过实验挑选一只能量转换效率较高的电动机，实验时他先用手捏住电动机的转轴，使其不转动，然后放手，让电动机正常转动，分别将2次实验的有关数据记录在表格中。

请问：

(1)这只电动机线圈的电阻为多少？

(2)当电动机正常工作时，转化为机械能的功率是多少？

(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能是多少？

(4)该玩具电动机正常工作时，电能转化为机械能的效率是多少？

思路点拨：

[解析]　(1)电动机不转动时，是纯电阻电路，根据欧姆定律得

R＝＝ Ω＝0.5 Ω。

(2)当电动机正常工作时

P机＝UI－I2R＝(2×1－12×0.5) W＝1.5 W。

(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能

E＝UIt＝2×1×60 J＝120 J。

(4)电能转化为机械能的效率

η＝×100%＝×100%＝75%。

[答案]　(1)0.5 Ω　(2)1.5 W　(3)120 J　(4)75%

电动机电路的分析与计算

[跟进训练]

3．标有“220 V　40 W”的日光灯、电扇、电烙铁都正常工作5 min，它们产生的热量(　　)

A．一样多 B．日光灯最多

C．电扇最多 D．电烙铁最多

D　[日光灯、电扇、电烙铁三者的电功相同，但电扇和日光灯都是非纯电阻电器，电功大于电热，而电烙铁是纯电阻电器，电功等于电热，D正确。]

4．一台小型电动机在3 V电压下工作，用此电动机提升重力为4 N的物体时，通过电动机的电流是0.2 A，在30 s内可将该物体匀速提升3 m。若不计除电动机线圈生热之外的能量损失，求：

(1)电动机的输入功率；

(2)在开始提升物体后的30 s内，电动机线圈所产生的热量；

(3)线圈的电阻。

[解析]　(1)电动机的输入功率

P入＝IU＝0.2×3 W＝0.6 W。

(2)电动机提升物体的机械功率

P机＝Fv＝G·＝4× W＝0.4 W

由能量守恒定律得P入＝P机＋P热

故P热＝P入－P机＝(0.6－0.4) W＝0.2 W

所以电动机线圈产生的热量Q＝P热t＝0.2×30 J＝6 J。

(3)根据焦耳定律Q＝I2Rt可得线圈电阻

R＝＝ Ω＝5 Ω。

[答案]　(1)0.6 W　(2)6 J　(3)5 Ω

1．电功率的表达式有三个：P＝UI、P＝I2R、P＝，下列对这三个表达式的认识正确的是(　　)

A．P＝UI适合于纯电阻电路电功率的计算，对于非纯电阻电路不适用

B．P＝I2R适合于一切电路的热功率的计算

C．P＝适合于一切电路电功率和热功率的计算

D．三个公式各自的适用条件与电路的连接方式有关

B　[电路可分为纯电阻电路和非纯电阻电路，P＝UI对两种电路都适用，A错误；P＝I2R适用于任何电路的热功率的计算，B正确；P＝只适用于纯电阻电路的电功率的计算，C错误；P＝UI、P＝I2R、P＝的适用条件与电路的连接方式无关，D错误。]

2．(多选)甲、乙两只普通照明灯泡的铭牌如图所示，下列说法正确的是(　　)

A．甲灯的实际功率一定总是40 W

B．将乙灯接入110 V电路中，它的额定功率仍为60 W

C．两灯均正常发光时，甲灯灯丝电阻较大

D．两灯均正常发光时，甲灯消耗的电能较少

BC　[灯泡的铭牌上标记的是额定电压和额定功率，当工作电压不是220 V时，灯泡的实际功率不再是额定功率，但额定功率不会随电压的变化而变化，A错误，B正确；由R＝知C正确；由W＝Pt可知，两灯泡消耗的电能还与时间有关，故D错误。]

3．小芳家正在使用的电器有电灯、洗衣机、电冰箱，小芳从家里的总电能表中测得，在时间t内消耗的电能为W。设小芳家的供电电压为U，总电流为I，上述电器的总电阻为R，总功率为P。下列关系式正确的是(　　)

A．P＝　 B．W＝I2Rt

C．I＝ D．P＝

D　[由于洗衣机是非纯电阻电器，欧姆定律不成立，所以关系式P＝、I＝不成立，故A、C错误；公式W＝I2Rt只能用来求电热，不能用来求消耗的电能，故B错误；公式P＝普遍适用，故D正确。]

4．(新情境题，以“机器人”为背景，考查电功)扫地机器人是智能家用电器的一种，正逐渐进入我们的生活。如图所示是一款集自动清扫技术和人工智能设计于一体的地面清扫机器人，已知其质量为3 kg，它与地面的有效接触面积为0.01 m2。

问题：若该机器人工作时功率为75 W，在10 s内沿直线匀速清扫的距离为5 m。(g取10 m/s2)扫地机器人在工作时，将什么能转化为什么能？机器人做的功是多少？

[解析]　扫地机器人在工作时，将电能转化为机械能。

机器人在10 s内所做的功

W＝Pt＝75×10 J＝750 J。

[答案]　见解析

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．试写出电功率、电功的表达式？

提示：P＝UI，W＝UIt。

2．写出焦耳定律的内容及公式？

提示：内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。

公式：Q＝I2Rt。

3．请写出电功与电热的关系？

提示：在纯电阻电路中W＝Q，即UIt＝I2Rt＝t

在非纯电阻电路中W＝Q＋E其他，即UIt＝I2Rt＋E其他。