学教科版选修31 2.6焦耳定律 电路中的能量转化 教案（1）.doc

2.6焦耳定律电路中的能量转化课标要求1知道焦耳定律2了解焦耳定律在生活和生产中的应用课标解读1了解用电器的作用是把电能转化为其他形式的能2理解电功、电功率的概念、公式、物理意义了解实际功率和额定功率3理解焦耳定律，会根据焦耳定律计算用电器产生的电热了解电功和电热的关系了解公式qi2rt(pi2r)、qu2t/r(pu2/r)的适用条件4知道非纯电阻电路中电能与其他形式能的转化关系，电功大于电热能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题教学地位本节知识是本章的重点，也是难点，其中电路中的功率问题分析也是高考命题的热点新课导入建议日常生活中，我们经常要用到各种家用电器，例如用电熨斗熨衣服、用电热器烧水、取暖、用电风扇乘凉等那么电热器烧水时是电能转化为哪种形式的能？电风扇乘凉时又是电能转化为哪种形式的能？能量转化过程中又有什么规律呢？带着这些问题，进入今天的学习教学流程设计课前预习安排：1看教材2.填写【课前自主导学】(同学之间可进行讨论)步骤1：导入新课，本节教学地位分析步骤2：老师提问，检查预习效果(可多提问几个学生)步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式(除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路)步骤7：师生互动完成“探究3”(方式同完成“探究1”相同)步骤6：师生互动完成“探究2”(方式同完成“探究1”相同)步骤5：让学生完成【迁移应用】检查完成情况并点评步骤4：教师通过例题讲解电功能和电热的区别步骤8：完成“探究4”(重在讲解规律方法技巧)步骤9：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况步骤10：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】电功电功率1.基本知识(1)电功概念：电场力移动电荷所做的功公式：wquuit.单位：焦耳，符号j.(2)电功率物理意义：表示电流做功快慢的物理量定义：电流所做的功与做这些功所用时间的比值公式：piu.单位：瓦特，符号w.2思考判断(1)功率是1千瓦的空调正常工作一小时所消耗的电功是1 j()(2)电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能()(3)用电器的电功率越大，电流做功越多()3探究交流注意一下家里用电器的铭牌，如果电视机的铭牌上写着“100 w”，计算一下，电视机多长时间能用一度电？【提示】根据电功与电功率的关系可以计算，电视机10个小时会用掉一度电.焦耳定律热功率1.基本知识(1)焦耳定律内容：电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比公式：qi2rt.单位：j.应用：工业上的电烙铁电烤箱等；生活中的电暖气、电炉、电熨斗、电饭锅等(2)热功率概念：电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值公式：p热i2r.2思考判断(1)电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为内能()(2)根据电功的公式和欧姆定律可以推导出电热的公式，因此电功和电热是完全相同的()(3)在非纯电阻的电路中uii2r.()3探究交流为什么说欧姆定律只适用于纯电阻电路？在非纯电阻电路中u、i、r三者之间又有怎样的关系呢？【提示】这是因为在纯电阻电路中，通过电流做功电能被全部转化成了内能，即此时电功等于电热，也就是uiti2r t，可见此时欧姆定律i成立；而在非纯电阻电路中电功大于电热，即uiti2rt，所以此时u、i、r三者之间的关系为uir(i).电路中的能量转化1.基本知识(1)内电路中的能量转化电源：通过各种作用，将其他形式的能转化为电能，转化功率pie.内阻：通过电流做功将一部分电能转化为内阻的内能，即p内i2r.(2)外电路上的能量转化：通过电流做功将电源输出的电能转化为其他形式的能，即p外ui.(3)两者之间的关系：由能量守恒定律可知pp内p外，即eii2rui，进一步化简可得euir，可见闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体表现2思考判断(1)电动机是非纯电阻用电器，所以在任何情况下，都不能将电能全部转化为内能()(2)在使用电源时，绝对不可以让电源短路，以免造成电源的损坏，甚至引起火灾()3探究交流同学们想一下，以下几个组合在纯电阻电路和非纯电阻电路中分别表示什么意义？(1)qu(2)uit(3)i2rt(4)t【提示】在纯电阻电路中以上几个公式既可以求电功，也可以求电热，即此时wqquuiti2rtt.而在非纯电阻电路中求电功只能用(1)(2)，求电热只能用(3)，t既不能求电功也不能求电热.电功和电热的区别【问题导思】1电动机和电炉分别接入电路中，都能用欧姆定律计算电流吗？2电冰箱工作时，电能全部转化为内能吗？3电功和电热在什么情况下是相等的？1两种电路的比较两种电路比较内容纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件，只能把电能转化为内能除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的用电器欧姆定律服从欧姆定律i不服从欧姆定律：uir或ii2rtuir或uii2r不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电功时都用wuit，功率都用pui，热量都用qi2rt，热功率都用pi2r，若用变形式时，就要考虑是否是纯电阻电路如图261所示，为电动机提升重物的装置，电动机线圈电阻为r1 ，电动机的输入电压为u5 v，电路中的电流为i1 a，物体a重20 n，不计摩擦力，求：图261(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？【导析】电流经过电动机，一部分电能转化为内能，qi2rt；一部分电能转化为机械能，e机mgh.【解析】(1)根据焦耳定律，热功率为：pqi2r121 w1 w.(2)输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积p入iu15 w5 w输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率p出p入pq5 w1 w4 w.(3)电动机输出的功率用来提升重物转化为机械功率，在10 s内p出tmgh，解得hp出t/mg m2 m.(4)机械效率p出/p入80%.【答案】(1)1 w(2)5 w4 w(3)2 m(4)80%电动机电路的分析与计算并不是所有含有电动机的电路都是非纯电阻电路，要注意区分电动机正常工作和被卡住两种情况1当电动机正常工作时，要注意分清电功和电热的关系，电动机消耗的电能也就是电流做的功wuit，电动机产生的内能必须用qi2rt来求，另外，还要注意能量守恒定律的应用即wqe(e为其他形式的能)或p入p机p热，其中，p入ui，p热i2r，p机为机械功率2当电动机被卡住时，电动机消耗的电能全部转化为电动机产生的内能，wq，即uiti2rt.1电动玩具汽车的直流电动机电阻一定，当加上0.3 v电压时，通过的电流为0.3 a，此时电动机没有转动当加上3 v电压时，电流为1 a，这时候电动机正常工作，求电动机正常工作时，产生的机械功率和发热功率【解析】当加上0.3 v电压时电动机不转动，它消耗的电能全部用来发热，此时的电动机可以看做纯电阻，可以用欧姆定律计算它的电阻ru1/i10.3/0.3 1 当加上3 v电压时，电流为1 a，显然不符合欧姆定律，消耗的电能一部分发热，一部分转化为机械能，此时电路为非纯电阻电路消耗的电功率为：piu3 w发热功率p热i2r1 w根据能量关系，产生的机械功率为：p机pp热2 w.【答案】2 w1 w串、并联电路中电功率的分析与计算【问题导思】1串联电路中阻值越大的电阻消耗的功率越大吗？并联电路中阻值越小的电阻消耗的功率越小吗？2“220 v40 w”与“220 v60 w”的两盏灯接在电压为220 v的电路中，如何连接才能使两盏灯都正常发光？电路中消耗的总功率与两盏灯各自消耗的功率有什么关系呢？1串联电路功率关系2并联电路功率关系3结论无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各电阻消耗的功率之和1求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要确定是正比还是反比关系2当分析用电器的功率问题时，一定要注意用电器的安全，即不要超过用电器的额定电压、额定电流给定两只标有“110 v40 w”的灯泡l1和标有“110 v100 w”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220 v的电路中，在如图所示的几种接法中，最合理的是()abcd【解析】l1(110 v40 w)和l2(110 v100 w)的额定电压相同，由p可知r1r2，由串、并联电路电流、电压特点可知a、d中l1、l2一定不会同时正常发光，虽然b、c能使l1、l2同时正常发光，但b中p总2(p1p2)，c中p总2p2，故c正确【答案】c最合理的电灯电路的分析判断方法最合理的电灯电路就是能使灯泡正常发光且电路消耗功率最小，解答此类问题的思路分两步：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2如图262所示电路中，r1、r2都是“4 w、100 ”的电阻，r3是“1 w、100 ”的电阻，则a、b间允许消耗的最大功率是()图262a1.5 wb9 wc8 w d. w【解析】由p得：u1u220 vu310 v，故ab间所加电压最大值为u310 v，p31 w，p2p30.25 wp总p3p1p21.5 w，a正确【答案】a闭合电路中的功率和效率【问题导思】1外电路的电阻越大，电源的输出功率越大吗？2电源的输出功率越大，电源的效率越高吗？3外电路的电阻越大，电源的总功率越大吗？1各部分功率关系分析由eiti2rti2rt知eii2ri2r2输出功率随外电阻r的变化规律(1)电源的输出功率：p出ui(外电路为纯电阻电路)图263(2)p输出r图像：以纵轴表示输出功率，以横轴表示外电阻，建立坐标系，则p出随外电阻r变化的图像如图263所示(3)几个结论当rr时，电源的输出功率最大pm.当rr时，随r的增大输出功率越来越小当p输出pm时，每个输出功率对应两个可能的外电阻r1、r2，且r1r2r2.3闭合电路上功率分配关系pp输出p内，即eiuii2r.闭合电路上功率分配关系，反映了闭合电路中能量的转化和守恒，即电源提供的电能，一部分消耗在内阻上，其余部分输出给外电路，并在外电路上转化为其他形式的能，能量守恒的表达式为：eituiti2rt(普遍适用)；eiti2rti2rt(只适用于外电路为纯电阻的电路)4电源的效率图264(1)定义：输出功率跟电路消耗的总功率的比值，即.(2)如果外电路为纯电阻电路，则，所以外电路电阻越大，电源效率越高，其r图像如图264所示(3)当电源输出功率最大时，rr，50 %.对某电源来说，外电路电阻越大，路端电压越大，电源效率越高，但电源输出功率不一定也越大，只有外电路电阻越接近于内电阻值，输出功率才越大电路图如图265甲所示，乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图像，滑动变阻器的最大阻值为15 ，定值电阻r03 .甲乙图265(1)当r为何值时，r0消耗的功率最大，最大值为多少？(2)当r为何值时，电源的输出功率最大，最大值为多少？【审题指导】解答本题时应注意以下两点：(1)ui图线的纵轴不从0开始(2)区别定值电阻r0和总外阻的功率极值规律【解析】(1)由题图乙知电源的电动势和内阻为：e20 v，r| 7.5 由题图甲分析知道，当r0时，r0消耗的功率最大，最大为p()2r0()23 w10.9 w(2)当rrr0时，即r4.5 时，电源的输出功率最大，最大值为：p()2(r0r)()2(34.5) w13.3 w【答案】(1)010.9 w(2)4.5 13.3 w电源输出功率最大值的求解方法在解答最大功率问题时，理解好功率最大的条件是关键，若求解部分电阻不变时，只要满足电流最大则功率就最大；若求解部分电阻改变时，需要计算出功率的表达形式，利用数学知识求极值3(2012山东师大附中月考)如图266所示，直线a为电源的路端电压与总电流关系的图线，直线b为电阻r两端电压与通过该电阻电流关系的图线，用该电源和该电阻组成闭合电路时，电源的输出功率和效率分别是()图266a2瓦，66.7 %b2瓦，33.3 %c4瓦，33.3 % d4瓦，66.7 %【解析】由图可知，e3 v，r1 ，r2 ，故可得：p出()2r()22 w2 w，66.7 %，故a正确【答案】a综合解题方略巧用伏安特 性曲线解电功与电热问题两盏额定电压为220 v的白炽灯l1和l2的ui特性曲线如图267所示，l2的额定功率约为_w现将l1和l2串联后接在220 v的电源上，电源的内阻忽略不计，此时l2的实际功率约为_w.图267【规范解答】本题考查的是ui曲线及额定功率和实际功率，关键是根据ui曲线找出额定电流和实际电流从ui伏安特性曲线可知，当l2达到额定电压220 v时，通过l2的电流为0.45 a，所以额定功率p2u2i2220 v0.45 a99 w如果把l1与l2串联接在220 v的电源上，i1i2且i1(r1r2)220 v，即u1u2220 v，从图像上可知，u1150 v，u270 v，i1i20.25 a，灯l2的实际功率p270 v0.25 a17.5 w.【答案】9917.51本题中，灯泡的电阻在不同的电压下是不同的，所以不能用固定的电阻值来计算，这是易错点，也是难点2此类题目要注意从图像中获取信息，怎样将这些信息与所求量的公式联系起来，灵活求解，这需要具有较高的读图、识图能力【备课资源】(教师用书独具)电能表电能表是测量电能的专用仪表，通常也称为电度表，它把电功率对时间累积起来计算可检测出一段时间内发电量或用电量的多少，在工农业生产和日常生活中使用极为广泛国产电度表的型号由字母和数字组成其意义如下：第一个字母d电度表，第二个字母d单相，s三相，t三相四线，x无功，b标准表，z最大需量，j直流型号中字母后的数字代表该产品的设计定型的序号例如，dd28表示设计定型序号为28的单相电度表1关于电功的说法中，错误的是()a导体内电场力移送电荷所做的功叫做电功b电流做功的过程，就是电能转化为其他形式的能的过程c电流做功消耗的能量由电源供给d电功就是电能【解析】本题考查电场力做功，根据电场力做功的定义及特点，可以判断a、b、c均正确电功是电能转化为其他形式的能的量度，功和能量是不同的概念，d错误【答案】d2(2012浙江高考)功率为10 w的发光二极管(led灯)的亮度与功率为60 w的白炽灯相当根据国家节能战略，2016年前普通白炽灯应被淘汰假设每户家庭有2只60 w的白炽灯，均用10 w的led灯替代，估算出全国一年节省的电能最接近()a8108 kwhb81010 kwhc81011 kwh d81013 kwh【解析】将白炽灯换为led灯后，每个灯节能50 w，假设灯一天工作5 h，一年365天，全国家庭数记为4108，则全国每年节能为ept25010353654108 kwh7.31010 kwh，b项最接近【答案】b3(2013长沙高二检测)r1和r2分别标有“2 1.0 a”和“4 0.5 a”，将它们串联后接入电路中，如图268所示，则此电路中允许消耗的最大功率为()图268a1.5 wb3.0 wc5.0 wd6.0 w【解析】r1和r2串联后的总电阻为rr1r26 ，电路中的电流不能超过r2的额定电流，即0.5 a根据piu和i得pi2r1.5 w，故a正确【答案】a4电动势为e、内阻为r的电池与固定电阻r0、变阻器r串联，如图269所示，设r0r，rab2r，当变阻器的滑片自a端向b端滑动时，下列各物理量中随之减小的是()图269a电池的输出功率b变阻器消耗的功率c固定电阻r0消耗的功率d电池内阻消耗的功率【解析】滑片自a向b滑动，r减小，r总减小，故总电流i变大，所以固定电阻r0消耗功率及电池内阻消耗的功率均增大，故c、d错；滑动过程中，r外由3r减为r，始终大于内阻r，由p输出与r外关系图像可知，电池输出功率逐渐增大，故a错将r0等效为内阻一部分，则总内阻为2r，在r由2r减小到0的过程中，等效电源输出功率即变阻器消耗的功率逐渐减小，故b正确【答案】b5(2013泸州高二检测)在如图2610所示的电路中，定值电阻的阻值为10 ，电动机m的线圈电阻值为2 ，a、b两端加有44 v的恒定电压，理想电压表的示数为24 v，由此可知()图2610a通过电动机的电流为12 ab电动机消耗的功率为48 wc电动机线圈在1分钟内产生的热量为480 jd电动机输出的功率为8 w【解析】根据串联电路的特点，定值电阻两端的电压为20 v，根据i，通过电阻的电流i2 a，通过电动机的电流也是2 a，a错误根据pui，电动机消耗的功率为48 w，b正确根据qi2rt，线圈1分钟产生的热量为480 j，c正确电动机输出功率p出pp热uii2r，则p出40 wd错误【答案】bc1电功率的计算公式p中，u是加在用电器两端的电压，r是用电器的电阻，此式可用于()a计算电冰箱的功率b计算电风扇的功率c计算电烙铁的功率 d计算洗衣机的功率【解析】公式p是根据功率公式和欧姆定律推导出来的，只能用在纯电阻电路中，故c正确，a、b、d错误【答案】c2用电器两端电压为220 v，这意味着()a1 a电流通过用电器时，消耗的电能为220 jb1 c正电荷通过用电器时，产生220 j的热量c1 a电流通过用电器时，电流的发热功率为220 wd1 c正电荷从电势高端移到电势低端时，电场力做功220 j【解析】根据电场力做功和电流做功的公式wuq和wuit可以看出a错，d对；因为用电器不一定是纯电阻电路，即不一定把电能全部转化为内能，故b、c选项错【答案】d3一台国产封闭型贮水式电热水器的铭牌上所列的主要技术参数如下表所示根据表中所提供的数据，计算出此电热水器在额定电压下处于加热状态时，通过电热水器的电流约为()额定容量54 l最高水温75 额定功率1 500 w额定压力0.7 mpa额定电压220 v电器类别类a.6.8 a b0.15 ac4.4 a d0.23 a【解析】由pui可知，该电热水器在额定电压下处于加热状态时的电流为：i a6.8 a，故选项a正确【答案】a4.图2611(2012全国高考)一台电风扇的额定电压为交流220 v在其正常工作过程中，用交流电流表测得某一段时间内的工作电流i随时间t的变化如图2611所示这段时间内电风扇的用电量为()a3.9102度b5.5102度c7.8102度d11.0102度【解析】这里“电量”指的是电风扇消耗的电能，应该用有效值计算，而图中正好为有效值的变化图线，由e电uit分段求和，e电u1i1t1u2i2t2u3i3t3，正常工作时电压均为220 v，代入数据换算单位后得e电5.5102度【答案】b5加在某电动机上的电压是u(v)，电动机消耗的电功率为p(w)，电动机线圈的电阻为r()，则电动机线圈上消耗的电热功率为()apb.c.dp【解析】本题考查电功率、功率的区别与公式的正确使用因为piu，i，所以p热()2r，故c正确【答案】c6把两根电阻相同的电热丝先串联后并联分别接在同一电源上，若要产生相等的热量，则两种方法所需的时间之比t串t并为()a11 b21 c41 d14【解析】串联后电阻为r12r，产生的热量为q1t串t串；并联后电阻为r2，产生的热量为q2t并t并，若要q1q2，则有t串t并41.【答案】c7把六个相同的小灯泡接成如图2612甲、乙所示的电路，调节变阻器使小灯泡正常发光，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()甲乙图2612ap甲p乙 bp甲3p乙cp乙3p甲 dp乙3p甲【解析】因为甲、乙电路中六个相同的小灯泡都能正常发光，所以有i甲3i乙，又由pui得p甲3p乙，故b正确【答案】b8下面列出了不同品牌的电视机、电风扇、空调机和电冰箱铭牌上的主要项目，试判断正常工作时，其中功率最大的是()54 cm彩色电视机工作电压170 v240 v工作频率50 hz额定功率85 wbc65b电冰箱额定电压220 v工作频率50 hz额定功率70 w耗电量0.50 kwh/24 habfs69电风扇规格400 mm额定电压220 v工作频率50 hz额定功率65 w kfr33gw空调机额定电压220 v工作频率50 hz制冷/制热电流6.2 acd【解析】电视机、电冰箱、电风扇的额定功率分别为85 w、70 w、65 w，而空调机正常工作时功率pui1 364 w，故d最大【答案】d9额定电压都是110 v，额定功率pa100 w，pb40 w的两盏电灯，若接在电压是220 v的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是下列中的()【解析】判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是额定电压，或电流是否是额定电流由p和已知条件可知，rarb.对于a电路，由于ra110 v，b灯被烧毁，两灯不能正常发光，对于b电路，由于rbra，a灯又并联变阻器，并联电阻更小于rb，所以ubu并，b灯被烧毁，对于c电路，b灯与变阻器并联电阻可能等于ra，所以可能uaub110 v，两灯可以正常发光对于d电路，若变阻器的有效电阻等于a、b的并联电阻，则uaub110 v，两灯可以正常发光