高三物理串并联电路 焦耳定律课件.ppt

第2课时串并联电路焦耳定律考点自清一 串并联电路1 串联电路特点 1 等效电阻 r 2 各处的电流强度相等 3 分压原理 4 电路两端电压 u 5 功率分配 r1 r2 rn i i1 i2 in u1 u2 un 2 并联电路特点 1 等效电阻 2 各支路电压相等 3 分流原理 4 电路中的总电流 i 5 功率分配 u u1 u2 un i1r1 i2r2 inrn i1 i2 in p1r1 p2r2 pnrn 二 焦耳定律1 电功 1 定义 导体中的恒定电场对自由电荷的做的功 2 公式 w qu 适用于任何电路 3 实质 转化为其他形式能的过程 2 电功率 1 定义 电流在一段电路上做功的功率p等于电流i与这段电路两端的电压u的乘积 表示电流做功的 2 公式 p w t 适用于任何电路 静电力 iut 电能 快慢 iu 3 电热 电流流过导体产生的热量 由定律来计算 4 热功率 单位时间内的发热量 表达式为 名师点拨首先要区分电路是否为纯电阻电路 选取恰当的功率表达式来计算 其次要认真判断题目要求的是电功还是电热 焦耳 热点聚集热点一串并联电路1 几个常用的推论 1 串联电路的总电阻大于其中任一部分电路的总电阻 2 并联电路的总电阻小于其中任一支路的总电阻 且小于其中最小的电阻 3 n个相同的电阻并联 总电阻等于其中一个电阻的即 r总 r 4 两个电阻并联时的总电阻r 当其中任一个增大或减小时总电阻也随之增大或减小 5 多个电阻并联时 其中任一个电阻增大或减小 总电阻也随之增大或减小 2 等效电路 1 电路的等效原则 无电流的支路除去 电势相等的各点合并 理想电流表可认为短路 理想电压表可认为断路 电压稳定时 电容器可认为断路 在电路中 若只有一处接地线 只影响电路中各点的电势值 不影响电路结构 若电路中有两点或两点以上的接地线 除了影响电路中各点的电势外 还改变电路结构 接地点之间认为是接在同一点 2 电路等效的常用方法 电流分支法 先将各节点标上字母 判定各支路元件的电流方向 按电流流向 自左向右将各元件 节点 分支逐一画出 加工整理即可 等势点排列法 标出节点字母 判断出各节点电势的高低 将各节点按电势高低自左向右排列 再将各节点间的支路画出 然后加工整理即可 热点二电表的改装1 把电流表g改装成电压表 1 电流表改装成电压表的原理 将电流表的示数根据欧姆定律ug igrg换算成电压值 可直接用于测电压 只是量程ug很小 如果给小量程电流表串联一个分压电阻 就可以用来量度较大的电压 因此电压表实际上就是一个串联了分压电阻的电流表 如图1所示 图1 2 分压电阻的计算 由u igrg igr解得 因为电压扩大量程的倍数n 所以r n 1 rg 需要说明的是 通过表头的满偏电流并没有改变 加在表头两端的最大电压也没有改变 仍是ug igrg 但改装成的电压表的最大电压增大了 所以表的刻度盘要改换 原来是0 igrg 现在要换成0 igrg igr 即每个刻度处的电流数要换成对应的总电压数irg ir 2 把电流表g改装成大量程电流表 1 电流表改装的原理 给小量程电流表并联一个分流电阻 就可以用来量度较大的电流 即扩大了电流表的量程 如图2所示 2 分流电阻的计算由并联电路的特点ug igrg i ig r 解得 因为电流扩大量程的倍数n 所以r 与改装电压表一样 刻度 图2 盘也要由原来指示的通过电流表g的电流换成指示电流表a的电流 电压表改装后 正确使用它测电压时 发现测量值总是偏小 出现这种情况的原因是什么 串入的分压电阻偏大造成的 应给分压电阻并联一个大电阻加以修正 交流与思考 提示 热点三电功与电热的关系电功是电场力对自由电荷所做的功 其大小等于电能转化为其他形式能量的多少 是电能转化为其他形式能的总和 电热是转化为内能的电能 一般是电功的一部分 1 在由白炽灯 电炉等组成的纯电阻电路中 电功等于电热 计算时可选用下列公式中的任一形式w q pt uit i2rt 2 在非纯电阻电路 含有电动机 电解槽等 中消耗的电能除转化成内能外 还转化成机械能 如电动机 或化学能 如电解槽 即电动机w e机 q或uit e机 i2rt 电解槽w e化 q或uit e化 i2rt 此时w q 在非纯电阻电路中 既不能表示电功 也不能表示电热 它是无意义的 3 功率 1 纯电阻电路 p i2r和p 既为电功率 也为热功率 2 非纯电阻电路 p ui为电功率 p i2r为热功率 无意义 有电动机的电路一定是非纯电阻电路吗 在非纯电阻电路中欧姆定律是否成立 交流与思考 提示 不要认为有电动机的电路一定是非纯电阻电路 当电动机不转动时 仍为纯电阻电路 欧姆定律仍适用 电能全部转化为内能 只有在电动机转动时才为非纯电阻电路 u ir 欧姆定律不能适用 此时大部分电能转化为机械能 题型1用电器正常工作的分析方法 例1 如图3所示电路中e为电源 其电动势e 9 0v 内阻可忽略不计 ab为滑动变阻器 其电阻r 30 l为一小灯泡 其额定电压u 6 0v 额定功率p 1 8w s为开关 开始时滑动变阻器的触头位于b端 现在接通开关s 然后将触头缓慢地向a端滑动 当到达某一位置c处时 小灯泡刚好正常发光 则cb之间的电阻应为 a 10 b 20 c 15 d 5 图3 题型探究 解析本题考查串联电路的特点及额定电压 额定功率与电阻的关系 关键是对额定电压 额定功率概念的理解 明确滑动变阻器哪一段电阻接入了电路 灯泡的工作电流i a 0 3a此时ac间电阻r1 10 故cb间电阻r2 r r1 20 故b选项正确 答案b 规律总结用电器正常工作的条件 1 用电器两端的实际电压等于其额定电压 2 用电器中的实际电流等于其额定电流 3 用电器的实际电功率等于其额定功率 如果以上三个条件中的任何一个得到满足 其余两个条件必定同时满足 变式练习1如下图所示 额定电压都是110v 额定功率pa 100w pb 40w的两灯泡 接在220v电路上使用 使电灯能够正常发光 且电路中消耗电能最小的电路是哪一个 解析根据p 知r 按题目已知pa pb 则ra rb 对于a b电路 b的电压大于a的电压 b灯将烧毁 两灯不能正常发光 故本题a b均错 c电路中通过变阻器调节 可使左右两部分电阻相等 即均在110v额定电压下工作而正常发光 p总 2pa 200w d电路中若通过变阻器调节 左右两部分电阻也可能相等 保证a b两灯均在110v下工作而正常发光 易知p总 2 pa pb 280w 故c对 d错 答案c 题型2非纯电阻电路的分析 例2 有一个小型直流电动机 把它接入电压为u1 0 2v的电路中时 电机不转 测得流过电动机的电流是i1 0 4a 若把电动机接入u2 2 0v的电路中 电动机正常工作 工作电流是i2 1 0a 求电动机正常工作时的输出功率多大 如果在电动机正常工作时 转子突然被卡住 此时电动机的发热功率是多大 思路点拨解答本题时 应把握以下两点 1 当电动机不转时 电动机为纯电阻r p热 ui 2 当电动机转动时 电动机为非纯电阻 r p热 i2r ui 解析u1 0 2v时 电动机不转 此时电动机为纯电阻 故电动机线圈内阻r 0 5 u2 2 0v时 电动机正常工作 此时电动机为非纯电阻 则由电功率与热功率各自的定义式 得 p电 u2i2 2 1w 2wp热 i22r 12 0 5w 0 5w所以由能量守恒 电动机的输出功率p出 p电 p热 2w 0 5w 1 5w此时若电动机突然被卡住 则电动机又为纯电阻 其热功率p热 答案1 5w8w 方法归纳1 首先判断此题是非纯电阻电路还是纯电阻电路的计算问题 2 处理这类问题时 要善于从能的转化和守恒定律寻找突破口 利用 电功 电热 其他能量 关系求解 变式练习2如图4所示 有一个提升重物用的直流电动机 电动机铭牌有 电机内阻r 0 6 的标志 如果已知电路中的固定电阻r 10 电路两端电压u 160v 电压表的示数u 110v 根据以上数据试计算 图4 1 通过电动机的电流 2 电动机的输入功率 3 电动机的输出功率 解析 1 电阻r与电动机串联 所以电流相等 对电阻r根据欧姆定律由串并联的规律可得 i 5a 2 电动机的输入功率p入 iu 5 110w 550w 3 电动机的发热功率pr i2r 52 0 6w 15w电动机的输出功率p出 p入 pr 535w答案 1 5a 2 550w 3 535w 题型3生活中的电功电热问题分析 例3 淋浴用水的流速约为10l min 合适的水温约为50 用水的时间约为4min 电热淋浴器有两种设计 一种是淋浴时电流直接对流动的水加热 另一种则备有水箱 待水箱中的水温升至合适的温度后再淋浴 加热前的水温以20 计 1 请根据上面提供的数据说明上述两种方案中的哪一种设计不适合大多数家庭的供电电路 2 如果水箱中的水恰好够一个人淋浴用 供电电路允许的电流最大为10a 电加热的效率为80 这种条件下把水箱中的水加热到50 最少需要多长时间 解析已知流速v 10l min 1 67 10 4m3 s t 30 用水时间t 4min 240s 水的比热容c 4 2 103j kg 水的密度 1 0 103kg m3 1 一定时间 t内 电流的焦耳热q1 iu t 这段时间内水温上升 t所需的热量q2 c v t t 假设焦耳热全部用来使水温升高 则有q1 q2解以上各式可得 i 如果考虑到热量散失 实际电流会比这个数值更大 目前家庭电路所能承载的最大电流很少有超过10a的 所以第一种设计不适合家庭用电 2 水箱的水量e v t 40kg 使水箱中水温升至50 时所需的热量q2 cm t 电流在时间 t内提供的焦耳热q1 iu t 由于加热效率 0 8 所以有q1 q2 解以上各式可得 t 2 86 103s 47 7min 答案 1 见解析 2 47 7min本题共20分 式各3分 结论 1分 式各2分 评分标准 名师导析最近几年高考中 有关电功与电热的问题经常是与生产 生活紧密相关的问题 这些问题还经常与闭合电路欧姆定律或其他内容相结合来命题 以考查学生应用知识去分析和解决问题的能力 自我批阅 14分 环保汽车为2008年奥运会场馆服务 某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车 总质量m 3 103kg 当它在水平路面上以v 36km h的速度匀速行驶时 驱动电机的输入电流i 50a 电压u 300v 在此行驶状态下 求 1 驱动电机的输入功率p电 2 若驱动电机能够将输入功率的90 转化为用于牵引汽车前进的机械功率p机 求汽车所受阻力与车重的比值 g取10m s2 3 设想改用太阳能电池给该车供电 其他条件不变 求所需太阳能电池板的最小面积 已知太阳辐射的总功率p0 4 1026w 太阳到地球的距离r 1 5 1011m 太阳光传播到达地面的过程中大约有30 的能量损耗 该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15 解析 1 驱动电机的输入功率为p电 ui 300 50w 1 5 104w 4分 2 由功率计算式得 p机 fv汽车匀速运动 由平衡条件得 f ff f为牵引力 ff为阻力由题意得 p机 0 9p电 2分 联立解得 ff 2分 汽车所受阻力与车重的比值为 2分 3 当阳光垂直电池板入射时 所需电池板面积最小 设其为s 由题意得 s 15 p电 2分 解得所需的太阳能电池板的最小面积为 101m2 2分 答案 1 1 5 104w 2 0 045 3 101m2 素能提升1 某实验小组用三只相同的小灯泡连接成如图5所示的电路 研究串并联电路的特点 实验中观察到的现象是 图5 a k2断开 k1与a连接 三只灯泡都熄灭b k2断开 k1与b连接 三只灯泡亮度相同c k2闭合 k1与a连接 三只灯泡都发光 l1 l2亮度相同d k2闭合 k1与b连接 三只灯泡都发光 l3的亮度小于l2的亮度 解析k2断开 k1与a连接时三只灯泡串联 三只灯泡应该亮度相同 a错误 k2断开 k1与b连接时l1 l2两只灯泡串联 l3被断开没有接入电路 b错误 k2闭合 k1与a连接时只有l2亮 l1和l3被短路 c错误 k2闭合 k1与b连接时 l1和l3并联 然后与l2串联 此时三只灯泡都发光 l3的亮度与l1的亮度相同 都小于l2的亮度 d正确 答案d 2 超导限流器由超导部件和限流电阻并联组成 如图6所示 超导部件有一个超导临界电流ic 当通过限流器的电流i ic时 将造成超导体失超 从超导态 本题认为电阻为零 转变为正常态 本题认为是一个纯电阻 以此来限制电力系统的故障电流 已知超导部件的正常电阻为r1 3 超导临界电流ic 1 2a 限流电阻r2 6 小灯泡l上标有 6v 6w 电源电动势e 8v 内阻r 2 原来电路正常工作 现l突然发生短路 则下列说法正确的是 a 短路前通过r1的电流为ab 超导部件将由超导态转为正常态c 短路后通过r1的电流为2ad 短路后通过r1的电流为a 图6 解析由p ui可知 灯泡正常发光时 通过它的电流为1a小于超导临界电流ic 1 2a 所以短路前通过r1的电流为1a 因为灯泡短路后 r1与r2并联再与电源内阻串联 故计算可知短路后通过r1的电流为a 答案bd 3 家用电熨斗为了适应不同衣料的熨烫 设计了调整温度的多挡开关 使用时转动旋钮即可使电熨斗加热到所需的温度 如图7所示是电熨斗的电路图 旋转多挡开关可以改变1 2 3 4之间的连接情况 现将开关置于温度最高挡 这时1 2 3 4之间的连接是下图中所示的哪一个 图7 解析以u表示电源电压 r表示图中每根电阻丝的电阻 在图中所示的各种连接法中 由于接法不同 各种电路中电阻丝发热的情况不同 因而电熨斗可以得到多挡的温度 在图a所示的接法中 两根电阻丝并联接入电路 其总电阻为 则此时电熨斗得到的总功率为 在图b所示的接法中 仅有左侧一根 电阻丝接入电路通电 右侧一根电阻丝中无电流 故此时电熨斗的总功率为pb 在图c所示的接法中 电源实际上被断开了 使整个电熨斗中无电流通过 此时电熨斗的总功率为pc 0 在图d所示的接法中 是两根电阻丝串联接入电路 其总电阻为2r 则此时电熨斗消耗的总功率为pd 4 如图8所示的电路中 输入电压u恒为12v 灯泡l标有 6v 12w 字样 电动机线圈的电阻rm 0 50 若灯泡恰能正常发光 以下说法中正确的是 a 电动机的输入功率是12wb 电动机的输出功率12wc 电动机的热功率是2wd 整个电路消耗的电功率是22w 图8 解析灯正常发光 表明灯两端电压ul 6v 电路中电流为i p ul 2a 输入电压为12v 所以电动机两端电压也为6v 电动机的输入功率p ium 2 6w 12w 电动机的发热功率 2rm 2w 电动机的输出功率为p出 p 10w 整个电路中消耗的功率为p总 iu 2 12w 24w 答案ac 5 一个用半导体材料制成的电阻器d 其电流i随它两端的电压u变化的关系图象如图9 a 所示 将它与两个标准电阻r1 r2并联后接在电压恒为u的电源上 如图 b 所示 三个用电器消耗的电功率均为p 现将它们连接成如图 c 所示的电路 仍然接在该电源的两端 设电阻器d和电阻r1 r2消耗的电功率分别为pd p1 p2 它们之间的大小关系为 a p1 4p2b pd p 9c p1 4p2d pd p2 图9 解析从电阻器d的i u图线可以得出 电阻器的阻值随所加电压的增大而减小 在题图 b 中 三个电阻消耗的功率相等 都为p 说明三个电阻的阻值相等 即r1 r2 rd 连接成图 c 所示的电路时 电阻器d两端的电压小于u 电阻器d阻值rd rd 这时电阻器rd两端的电压ud 电阻r1两端的电压u1 由电功率计算式综合比较得出 a b d错误 c正确 答案c 6 用一个标有 12v 24w 的灯泡做实验 测得灯丝电阻随灯泡两端电压变化关系图象如图10所示 1 在正常发光条件下 灯泡的电功率为多大 2 设灯丝电阻与绝对温度成正比 室温为300k 求正常发光条件下灯丝的温度 3 将一定值电阻与灯泡串联后接到20v电压上 要