高中物理 第二章 直流电路 第6节 焦耳定律 电路中的能量转化课件 教科版选修31.ppt

第6节焦耳定律电路中的能量转化 课堂探究 自主学习 达标测评 自主学习课前预习 感悟新知 目标导航 教师参考 重点 电功 电热 电功率 热功率的理解和计算难点 在非纯电阻电路中电功 电热的计算及两者的关系 教材梳理 一 电功电功率 电荷 所用时间 uit ui 焦耳 j 瓦特 瓦 w 做功 想一想电流做功越多 电功率越大吗 答案 不一定 电功率是指电流单位时间内做的功 由于时间不确定 所以电功率不一定大 二 焦耳定律热功率1 焦耳定律 1 内容 电流通过电阻产生的热量跟成正比 跟电阻值成 跟通电时间成正比 2 公式 q 2 热功率 1 定义 电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值 2 公式 p热 i2r 电流的二次方 正比 i2rt 想一想电风扇工作时消耗的电能可以用w i2rt来计算吗 电风扇工作时 消耗的电能转化成什么形式的能量 答案 不能用w i2rt来计算电风扇工作时消耗的电能 电风扇工作时消耗的电能转化为内能和机械能 三 电路中的能量转化1 纯电阻电路的能量转化 电流所做的功与产生的热量相等 q w uit t 此时电能完全转化为 电功率热功率 i2rt 内能 等于 2 非纯电阻电路的能量转化 电能除部分转化为内能外 还要转化为其他形式的能 这时电功用w 计算 产生的电热只能用q 计算 此时p电 p热 p其他 电功率于热功率 uit i2rt 大 3 电路中的能量守恒 电源功率等于电路输出功率与电源内电路的热功率之和 ie iu i2r 想一想教材p66中 如何从能量转化与守恒的角度来理解闭合电路的欧姆定律 答案 e u ir ie iu i2r 即电源把其他形式的能量转化为电能的功率ie 等于电源输出功率iu与电源内电路的热功率i2r之和 1 电功越小 则电功率就越小 2 任何电路中的电功w iut 电热q i2rt且w q 3 焦耳热q i2rt适用于任何电路 4 电动机工作时 消耗的电能等于产生的电热 5 电源的功率越小 其输出功率越小 思考判断 答案 1 2 3 4 5 要点一串 并联电路中功率的分析与计算 课堂探究核心导学 要点探究 问题导学 对串联和并联电路 电路消耗的总功率与各电阻消耗的功率是什么关系 答案 无论是串联还是并联电路 电路消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和 要点归纳 1 串 并联电路中的功率关系 2 额定功率和实际功率 1 用电器正常工作时所消耗的功率叫做额定功率 当用电器两端电压达到额定电压u额时 电流达到额定电流i额 电功率也达到额定功率p额 且p额 u额i额 2 用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率 为了使用电器不被烧毁 要求实际功率不能大于其额定功率 例1 现标有 110v40w 的灯泡l1和标有 110v100w 的灯泡l2及一只最大阻值为500 的滑动变阻器r 将它们接在220v的电路中 在如图所示的几种接法中 最合理的是 c 核心点拨 此题判断最合理的依据是两只灯泡均能正常发光 则必须都达到额定电压 且电路消耗功率最小 解析 l1和l2的额定电压相同 由p 可知r1 r2 由串 并联电路电流 电压特点可知选项a d中l1 l2一定不会同时正常发光 虽然选项b c能使l1 l2同时正常发光 但选项b中p总 2 p1 p2 c中p总 2p2 故选项c正确 规律方法最合理的电灯电路的分析判断方法 1 先分清哪个电路的灯泡能够正常发光 可以从电流 电压 电功率中任选一个量达到其额定值 其他两个量也达到额定值的方面分析 2 确定了正常发光后 再比较哪一个电路的实际功率小 可以用定量计算的方法比较哪个电路的总电流小 也可以用定性分析的方法 教师备用 例1 1 2017 宁德市一级达标中学期中联考 如图所示 a b两端的电压u恒为18v 电阻r1 20 灯泡l标有 6v 1 8w 的字样 当灯泡l正常发光时 求 1 电阻r2的阻值 答案 1 20 2 电路消耗的总电功率p 答案 2 10 8w 解析 2 由p i1u 得p 10 8w 针对训练1 1 把六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 解析 设每个灯泡正常工作时的电流为i 则甲图中电路的总电流为3i p甲 12 3i 36i 乙图中电路的总电流为i p乙 12 i 12i 故有p甲 3p乙 选项b正确 b a p甲 p乙b p甲 3p乙c p乙 3p甲d p乙 3p甲 要点二纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量问题 问题导学 某一电路中只含有某一元件 即白炽灯 电动机 电炉 电容器 电熨斗 电饭锅 电解槽其中的一种 分析哪些属于纯电阻电路 哪些属于非纯电阻电路 其电能是如何转化的 答案 纯电阻电路有 白炽灯 电炉 电熨斗 电饭锅 非纯电阻电路有 电动机 电解槽 电容器 纯电阻电路中 电流做的功全部转化为电热 即w q 在非纯电阻电路中 电流做的功除一部分转化为电热之外 大部分转化为其他形式的能 即w q e其他 此时w q 要点归纳 1 两种电路的比较 2 电功与电热的计算公式比较 例2 规格为 220v36w 的排气扇 线圈电阻为40 求 1 接上220v的电压后 求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率 2 如果接上220v的电压后 扇叶被卡住 不能转动 求电动机消耗的功率和发热的功率 审题指导 答案 1 35w1w 2 1210w1210w 规律方法电动机的功率问题 1 功率关系 p总 p输出 p热 即iu p输出 i2r 2 电动机的效率 3 当电动机被卡住不转动时相当于一个纯电阻电路 教师备用 例2 1 某一用直流电动机提升重物的装置 重物的质量m 50kg 电源电压为120v 当电动机以v 0 9m s的恒定速度向上提升重物时 电路中的电流i 5a g 10m s2 求 1 电动机线圈的电阻r等于多少 2 若因故障电动机不能转动 这时通过电动机线圈的电流多大 电动机消耗的电功率又为多大 解析 1 电动机消耗的总功率p总 ui 电动机的输出功率等于机械功率p机 fv mgv 电动机的发热功率p热 i2r 而电动机消耗的总功率 热功率和输出功率之间的关系为p总 p热 p机 所以p热 p总 p机 则r 6 2 电动机不转动时相当于一纯电阻 由欧姆定律得i 20a 此时电动机消耗的电功率等于发热功率p i 2r 2400w 答案 1 6 2 20a2400w 针对训练2 1 如图所示电路中 电源电动势e 12v 内阻r 2 指示灯rl的阻值为16 电动机m线圈电阻rm为2 当开关s闭合时 指示灯rl的电功率p 4w 求 1 流过电流表a的电流 2 电动机m输出的机械功率 答案 1 2a 2 7 5w 要点三闭合电路中的几种功率和电源的效率 问题导学 电源的输出功率大 电源的效率一定高吗 答案 当外电阻等于电源内阻时 电源的输出功率最大 但效率仅为50 并不高 要点归纳 1 电源的总功率 p总 ie 随电流变化而变化 2 电源内部的发热功率 p内 i2r 2 当r r时 随着r的增大输出功率减小 3 当r r时 随着r的减小输出功率减小 4 输出功率与外电阻的关系如图所示 由图像可知 对应某一输出功率p0 非最大值 可以有两个不同的外电阻r1和r2 且有r2 r1 r2 例3 如图所示 已知电源的电动势为e 内阻r 2 定值电阻r1 0 5 滑动变阻器的最大阻值为5 求 1 当滑动变阻器的阻值为多大时 电阻r1消耗的功率最大 2 当滑动变阻器的阻值为多大时 滑动变阻器消耗的功率最大 3 当滑动变阻器的阻值为多大时 电源的输出功率最大 核心点拨 求滑动变阻器消耗的功率最大时 可把r1拉到电源内部去 看成内电阻的一部分 当外电阻等于内电阻时 滑动变阻器消耗功率最大 2 把电源和r1等效为一个新电源 则整个电路等效为一个新电源和滑动变阻器组成的闭合电路 外电路 仅一个滑动变阻器r2 这个等效电源的e 和r 可以这样计算 把新电源的两端断开 根据电源电动势等于把电源断开时电源两端的电压 则新电源的电动势e e 而等效电源的内阻r r1 r 即两个电阻的串联 根据电源的输出功率随外电阻变化的规律 在r2上消耗的功率随外电阻r2的增大而先变大后变小 当r2 r r1 r 2 5 时 在r2上消耗的功率达到最大值 即pr2m 3 原理同 2 很容易得出当r1 r2 r 即r2 r r1 1 5 时 电源输出的功率最大 pm 答案 1 0 2 2 5 3 1 5 规律方法电源输出功率问题的注意点要正确理解 当r外 r时 电源的输出功率最大 中的r 电源输出功率最大的条件是当电源或等效电源内阻恒定时才成立的 因此不能将可变外电阻当成电源内阻的一部分来判断电源对定值外电阻的输出功率是否最大 也就是说 r外 r只能用于 外电阻r外可变 而 电源内阻恒定 时输出功率最大的判断条件 针对训练3 1 如图所示 r为电阻箱 理想电压表 当电阻箱读数为r1 2 时 电压表读数为u1 4v 当电阻箱读数为r2 5 时 电压表读数为u2 5v 求 1 电源的电动势e和内阻r 答案 1 6v1 2 当电阻箱r读数为多少时 电源的输出功率最大 最大值pm为多少 答案 2 1 9w 达标测评随堂演练 检测效果 1 下列关于电功率的说法中 正确的是 a 用电器的额定功率与用电器的实际电压和实际电流有关b 用电器的实际功率取决于用电器的额定功率c 白炽灯正常工作时 实际功率等于额定功率d 电功率越小 则电流做功越少 c 解析 用电器的额定功率是它正常工作时的功率 其值是由用电器本身的结构决定的 与实际电流和实际电压无关 故a错误 c正确 用电器实际功率的大小是由加在它两端的电压和通过它的电流决定的 b错误 电流做功的多少不仅与功率的大小有关 还与通电时间有关 d错误 2 有一台电风扇 额定电压为220v 额定电功率为50w 线圈电阻为0 4 当电风扇在额定电压下工作时 关于它的线圈电阻每分钟产生的热量是多少 有四位同学计算如下 其中正确的是 a 解析 电风扇正常工作时产生的热量是由于内阻发热产生的 所以每分钟产生的热量为q i2rt 1 24j 选项a正确 3 2017 济南高二检测 如图所示 直流电动机线圈的电阻为r 电源内阻为r 当该电动机正常工作时 路端电压为u 通过电动机的电流为i 则 a 电动机内部的发热功率为i2rb 电动机的机械功率为iuc 电源的电动势为i r r d 电源的输出功率为iu i2r a 解析 电动机正常工作时 属于非纯电阻电路 欧姆定律已不适用 选项c错误 由焦耳定律可知电动机的发热功率为i2r 选项a正确 电动机的输入功率等于电源的输出功率 即p ui 由能量守恒定律可得 电动机的机械功率为p机 ui i2r 选项b d错误 4 三只电阻r1 r2和r3按如图所示电路连接 在电路的a b端加上恒定电压后 电阻r1消耗的功率最大 则三只电阻的阻值大小关系为 a r1 r