高中物理 第二章 恒定电流 2.5 焦耳定律知识导学案 新人教版选修3-1.doc

5 焦耳定律问题探究 相信很多同学家里都有电灯、电饭锅、电风扇、电视机等用电器，那么你知道它们是怎么工作的吗？它们都是将电能转化成了其他形式的能.这个转化过程也就是电流做功的过程.电流通过电饭锅会使电阻发热，电能转化为内（热）能；电流通过电风扇使里面的电动机转动，电能转化为机械能；当然电能也会转化为化学能等其他形式的能电功、电热以及转化成的其他形式的能如何计算？它们之间又有什么关系呢？自学导引一、电功1.定义：电流流过导体，导体内的自由电荷在电场力作用下发生_，在驱使自由电荷定向移动的过程中，_对自由电荷做了功，也就是通常说的电流所做的功，简称为电功.答案：定向移动 电场力2.公式：w=qu=_. 即电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压u、电路中电流i、通电时间t三者的乘积. 在纯电阻电路中还可写成：w=_=_.答案：uit i2rt t3.国际单位：焦耳(符号j) 常用的单位还有：千瓦时(kwh)，亦称为“度”，1 kwh=_ j.答案：3.6106二、电功率1.定义：_.答案：单位时间内电流所做的功叫做电功率2.公式：p=_，是计算电功率普遍适用的公式. 在纯电阻电路中还可写成：p=_=_.答案：ui i2r 3.单位：瓦特(符号w).4.额定功率：用电器在正常工作时的功率称为额定功率.用电器的实际功率可以小于额定功率，但不能超过额定功率，当实际功率超过额定功率时，用电器将被_. 对纯电阻电路:p额=u额i额. 对非纯电阻电路：p额i额2r.答案：烧坏三、焦耳定律1.内容：电流通过导体产生的热量跟电流的_成正比，跟导体的电阻成_，跟通电时间成_.答案：平方 正比 正比2.公式：q=i2rt,对纯电阻电路还可写成q=_=_. 注意：焦耳定律是电流热效应的实验规律.凡是计算电热，都应选用焦耳定律.答案：uit t四、电热功率1.内容：电热功率是描述电流做功产生电热快慢程度的物理量.2.公式:p=i2r 在纯电阻电路中还可以写成：p=_=_.答案：ui 疑难剖析一.电功和电热的区别与联系1.功是能量转化的量度，同样，电功是电能转化为其他形式的能的量度.电热是电能转化为内能的量度.可见电功与电热是两个不同的物理量.因此电功的定义式是w=iut，电热的定义式是q=i2rt.2.从能量转化的角度分析，电功与电热的数量关系为：wq，即iuti2rt. 在纯电阻电路中，如白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅、电烙铁等构成的电路，电流做功全部转化为内能，电功等于电热，欧姆定律成立，即w=q或iut=i2rt;在计算电热和电功时，可采用w=q=iut=t=pt中的任一形式进行计算. 在非纯电阻电路中，如含有电动机、电解槽、给蓄电池充电、日光灯等，电流做功除转化为内能外，还转化为机械能、化学能等，此时有wq或iuti2rt.此种情况下，欧姆定律不成立，电功只能用公式w=iut进行计算，电热只能用公式q=i2rt计算.【例1】一根电阻丝，通过2 c电荷量所消耗的电能是8 j，若在相同的时间内通过4 c的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是（ ）a.4 v，16 j b.8 v，16 j c.4 v，32 j d.8 v，32 j思路分析：我们利用w=qu可求出电压u1，再由i=可以求出u2，然后利用w=qu求w2.解析：设电阻丝电阻为r，开始所加电压为u1，则w1=q1u，即8=2u1，所以u1=4 v.设后来所加电压为u2，产生的热量为w2，则i2= i1= 由得u2=u1=8 vw2=q2u2=32 j.答案:d温馨提示：此题是电流、欧姆定律及电功的综合应用题，分析时要分清题目的两层含义，找出内在联系，答案是不难求出的.【例2】一台电动机电阻为0.5 ，正常工作时通过的电流为20 a，在10 s内转化的机械能为4.2104 j，求：在这10 s内电流做了多少功？电动机产生的热量为多少？思路分析：电动机正常工作时是非纯电阻用电器，电功和电热的公式不能通用.由于不知道加在电动机两端的电压,所以我们不能根据w=iut求电功.但我们可以先计算电热，然后再根据能量守恒求电功.解析：先计算电热，q=i2rt=2.0103 j，现根据w=qe机，故w=2.0103 j4.2104 j=4.4104 j.答案：4.4104 j 2.0103 j温馨提示：在非纯电阻电路中，电功w=iut中的电压uir，原因是加在电动机两端的电压有两个贡献：使导体的电阻发热;使电动机转动起来.u=ir只对纯电阻电路成立.二、电功率和热功率的区别与联系1.区别：电功率是指输入某段电路的全部电功率，或这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压u和通过的电流i的乘积. 热功率是指在这段电路上因发热而损耗的功率，其大小决定于通过这段导体中电流的平方和导体电阻的乘积.2.联系：对于纯电阻电路，电功率等于热功率，计算时可用p=iu=i2r=中任一形式进行计算.对非纯电阻电路，电路消耗的电功率等于热功率与机械功率等其他形式的功率之和，即电功率大于热功率.【例3】额定电压都是110 v，额定功率pa=100 w，pb=40 w的a、b两灯，接在220 v的电路中，使电灯均正常发光.能使电路消耗的电功率最小的电路是图2-5-1中的（ ）图2-5-1思路分析：两灯正常发光，两灯的实际电压等于其额定电压，由p=可知rarb，根据串联分压关系，a图中有ua110 v，两灯不能正常工作，所以a错.图b中a和变阻器并联后的电阻比a电阻还要小，即仍有ua110 v，所以b错.c和d图中两灯电压均有可能为110 v，此时再看电路消耗的功率，c图中灯a消耗功率100 w，灯b和变阻器并联后的阻值与灯a相等，所以电路消耗的总功率为200 w，d图中a、b两灯并联后的阻值与变阻器相等,所以变阻器消耗的功率为140 w，电路消耗的总功率为280 w.答案：c温馨提示：此类问题的思路分两步：先分清哪个电路的a、b灯能正常发光，这里可以从电压、电流、电功率三个量中任一个达到其额定值，其余两个也达到额定值方面分析.确定了正常发光的电路后，再比较哪一个的实际功率小.可以用计算的方法去比较，也可以用定性分析法比较.【例4】有一个直流电动机，把它接入0.2 v电压的电路中，电机不转，测得流过电动机的电流为0.4 a，若把电动机接入2.0 v电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1.0 a.求电动机正常工作时的输出功率是多大?如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大?思路分析：对这个题我们要注意两点：是当电动机不转时就相当于一个纯电阻，欧姆定律成立.而它正常工作时就不再是纯电阻了，欧姆定律也不再成立.是电动机的输出功率等于它消耗的电功率减去它的发热功率.解析：当电动机接入电压为0.2 v电路时，电动机不转，此时电动机仅相当于纯电阻.设其电阻为r，由欧姆定律得：r= =0.5 当电动机接入2.0 v电路中时，电动机正常工作，此时电动机消耗功率p=u2i2=2.01.0 w=2.0 w 电动机的电热功率p热=i22r=0.5 w 电动机的输出功率p出=p-p热=2.0 w-0.5 w=1.5 w 如果正常工作时转子突然被卡住，则电动机相当于纯电阻r，其上电压即u2，所以电动机的发热功率p热=i2r= w=8 w.此时电机将要被烧毁.答案:1.5 w 8 w温馨提示：要从能量转化的角度认识清楚纯电阻电路和非纯电阻电路的区别.当电动机不转时，消耗的电能全部转化为内能，实际上就是纯电阻电路.当电动机转动时，消耗的电能转化为内能和机械能，此时电路为非纯电阻电路.三、额定功率和实际功率 用电器的额定功率是用电器长期正常工作时的最大功率，也是用电器在额定电压或额定电流下工作的功率，即p额=u额i额.对于纯电阻用电器：p额=i额2r=.用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率.为保证用电器正常工作，要求实际功率不能大于其额定功率.【例6】额定电压为220 v，额定功率为40 w的灯泡，它的灯丝电阻为多少?如果把这只灯泡接在电压为110 v的电路上，灯泡的实际功率为多少?(假设灯丝电阻不变)思路分析：首先要清楚灯泡是个纯电阻用电器，其功率可由p=求.再就是要抓住灯泡的电阻是个定值，所以我们可以先由额定功率求出灯泡的电阻，然后再求出它的实际功率.解析：由于p=，所以灯泡的电阻 ra= =1 210 当灯泡所加电压为110 v时，不是在额定电压下工作，所以，这时灯泡的实际功率不是40 w，而应按实际所加的电压进行计算，有 p实= w=10 w.答案:1 210 w 10 w温馨提示：额定功率是指用电器在额定电压下的功率，当电压不足额定电压时，用电器的功率不等于额定功率，其实际功率要根据实际电流、电压计算.另外，不管是在额定功率下，还是在实际功率下，灯泡的电阻是不变的.【例6】将两个灯泡a（220 v 100 w）、b（220 v 25 w）串联后接在电路pq段，如图2-5-2所示，为使两灯泡都安全使用，在pq段所加电压的最大值是多少？pq段电路允许消耗的最大功率是多少？图2-5-2思路分析：由于a、b串联，所以通过a、b的电流相等,分别求出a、b的电阻和a、b的额定电流.pq两端所加电压的最大值应等于a、b的总电阻乘以a、b中较小的额定电流.同理可得最大功率.解析：由p=可得：ra=484 ,rb=1 936 由p=ui知：ia= aib= a则um=(ra+rb)ib=(484+1 936) a=275 vpm=ib2(ra+rb)=31.25 w.答案:275 v 31.25 w温馨提示：两灯泡串联时，电路中所允许通过的最大电流是两灯泡中较小的额定电流.而两灯泡并联时，电路中所允许加的最大电压是两灯泡中较小的那个额定电压.拓展迁移1.现代商场中一般都安装自动扶梯.某商场有一台倾角为30的自动扶梯，该扶梯在电压为380 v的电动机带动下以0.4 m/s的恒定速率向斜上方移动，电动机的最大输出功率为4.9 kw，不载人时测得电动机中的电流为5 a.若载人时扶梯的移动速率和不载人时相同，则这台自动扶梯可同时乘载的最多人数为多少?(设人的平均质量为60 kg，g取10 m/s2)解析:该题属于力、电综合题，求解这样的物理问题的关键是构建物理模型.本题实际上是物理中电动机提升重物的模型，它主要考查物理中电功率、机械功率、能量转化和守恒定律或功能关系等知识. 在空载时，扶梯因克服摩擦阻力和自身重力等需要消耗的功率为pf=iu=1 900 w.每负载一个人需要消耗的功率为p0=mgvsin=120 w.设能负载的最多人数为n.根据能量转化和守恒定律，有p=pfnp0，所以，最多人数为n=25(人).2.如图2-5-3所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈电阻为r=1 ，电动机两端电压为5 v，电路中的电流为1 a，物体a重20 n，不计摩擦力.求：图2-5-3(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少?(2)电动机输入功率和输出功率各是多少?(3)10 s内，可以把重物a匀速提升多高?(4)这台电动机的机械效率是多少?解析:该题考查电学和力学的综合知识.我们首先要知道输入功率就是电动机消耗的总电功率，而输出功率是机械功率.消耗的电能转化为机械能