第二章第6节焦耳定律电路中的能量转化

1 六 焦耳定律 电路中的能量转化 教学目标教学目标 1 知道电功是指电场力移动电荷所做的功 做功的过程是电能转化为其他形式能量的 过程 2 理解电功 电功率的概念及表达式的物理意义 并能用电功的公式进行有关的计算 3 知道电功率 热功率的区别和联系 4 能从能量转换与守恒的角度来理解闭合电路欧姆定律 重点难点重点难点 重点 电功 电热的区别与联系 难点 从能量转化与守恒角度理解闭合电路欧姆定律 设计思想设计思想 焦耳定律也是初中学习过的内容 本节从电场力做功和能量转化这个更高的视角来理解 焦耳定律 可用类比的方法说明 电场力对自由电荷做功时 电荷的电势能转化为动能 相 当于物体在真空中自由下落 物体的重力势能转化为动能 而在电阻元件中电场力对电荷做 功 电势能转化为内能 相当于物体在黏滞性较大的液体中匀速下落 重力势能转化为内能 从能量转化和守恒的角度来理解闭合电路欧姆定律 可使学生对欧姆定律的认识更加深入 为降低教学难度 教材只是通过对闭合电路欧姆定律表达式的变形 来说明闭合电路欧姆定 律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体表现 而没有从能量守恒定律推导出闭合电路 欧姆定律 另外 对电功和电热的区别与联系 教材中介绍不够充分 应适当补充纯电阻电 路和非纯电阻电路的概念 教学资源教学资源 焦耳定律 电路中的能量转化 多媒体课件 教学设计教学设计 课堂引入 问题 在电场中自由释放一电荷 电场力对其做功 电势能转化为动能 在导线中也有大量 自由电荷 在导线两端加上电压 同时会沿导线建立起电场 电场力也会对自由电荷做功 驱使它们定向移动 在这过程中能量是如何转化的呢 我们来学习第六节 焦耳定律 电 路中的能量转化 课堂学习 学习活动一 复习电功和电功率概念学习活动一 复习电功和电功率概念 问题 如何根据电场力做功推导电功和电功率的公式 根据电场力做功的特点可知 在导线两端加上电压 U 某一自由电荷 q 从一端移到另一 端的过程中电场力做功为 又由电流强度的定义可知 代入可得电功的公式为WqU qIt 电功的国际单位为 J 再由功率的定义可得电功率公式 WUIt 11JV A s W PUI t 电功率的国际单位是瓦特 简称瓦 11 WJs 学习活动二 重新认识焦耳定律和热功率学习活动二 重新认识焦耳定律和热功率 2 问题 1 初中曾学过焦耳定律 当时是从实验探究角度得出的 能否从理论上加以 2 QI Rt 证明和推导呢 在通电的金属导体中 电能转化的情形比较复杂 因为在金属中除了自由电子外 还有 金属正离子 正离子仅在其平衡位置附近做微小振动 在电场力作用下 正离子没有定向运 动 而带负电的自由电子逆着电场方向做定向加速运动 并频繁地与正离子发生碰撞 把定 向运动获得的动能不断转移给正离子 使正离子的热运动加剧 总体来看 可以认为大量自 由电子以某一平均速率做定向运动 而通过自由电子与正离子的碰撞 将电能转化为金属导 体的内能 在一段只有电阻元件的电路中 电场力所做的功 W 就等于电流通过这段电路时产生的热 量 Q 即 根据欧姆定律 电阻上产生的热量 Q 可写成 电阻的WQUIt UIR 2 QI Rt 热功率 2 PI R 热 这就是初中学过的焦耳定律 初中是从实验探究的角度得出定律 这里从电场力做功 的角度进行理论推导得出 加深了对定律的理解 问题 2 电流的热效应在生产和生活中有哪些应用和危害 生产生活中的电热器 如电烙铁 电烤箱 电暖气 电炉 电熨斗 电饭锅等都是利用 了电流的热效应 有些情况下电流产生的焦耳热是有害的 大量焦耳热会烧坏用电器 甚至 引起火灾 必须注意避免 问题 3 电流通过电阻产生的电热总是与电流在这段时间内做的功相等吗 电功和电热有什 么区别和联系 1 纯电阻电路 欧姆定律适用 电功有多种计算方法 2 2 U WUItI Rtt R 电热 2 QI Rt 电功和电热的关系 W Q 即电能全部转化为内能 能量转化如图 如 金属导体 常用电热器 2 非纯电阻电路 欧姆定律不适用 电功只能根据定义式计算WUIt 电热 2 QI Rt 电功和电热的关系 W Q 能量转化如图 即电能一部分转化为内能 另一部分转化为其他形式能 如 电动机 电解槽 例题 如图所示的电路中 电源电动势 E 8V 不计电源内阻 M 为一小电动机 其内部线 圈的电阻 r 2 R 为一只保护电阻 R 3 电动机正常运转时 电压表的示数为 3V 求 电动机得到的电功率和它转动的机械功率 解析 电动机属于非纯电阻电路 不可以直接用闭合电路欧姆定律 W Q R M W Q W Q M V R E 3 1 3 3 A R U I V 60 5 3 100 3 221 5 538 22 M rM r MM VM P P WPPP WrIP WIUP VUEU 学习活动三 理解电路中的能量转化学习活动三 理解电路中的能量转化 讨论与交流 1 在电源内部 能量是如何转化的 2 在外电路上 能量是如何转化的 3 电路的电功率一定等于热功率吗 4 如何从能量守恒的角度来理解闭合电路欧姆定律 在电源内部 通过各种作用 将其他形式的能转化为电能 例如在化学电池中 化学作 用将化学能转化为电能 在发电机中 电磁作用将机械能转化为电能 电源本身有一定的电阻 当电源与外电路组成闭合回路时 电流通过电源会使电源发热 而消耗一部分电能 其余部分的电能则向外电路输出 在外电路上 电场力做功 将电源输出的电能转化为其他形式的能 例如在纯电阻电路 中 电流使电阻发热 电能全部转化为内能 电功率等于热功率 在电动机电路中 电源输 出的电能一部分转化为机械能 还有一部分转化内能 根据闭合电路欧姆定律可得 E I Rr 等式两边都乘以电流 I 可得EIRIrUIr 这个式子的物理意义是 电源把其他形 2 IEIUI r 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 因此 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体现 当外电路电阻 R 为零 短路 时 路端电压 U 也等于 零 这时的电流称为短路电流 I0 此时有 2 00 I EI r 可见短路时 电源释放的能量全部在内电路中转化为 内能 会使电源迅速升温很危险 不同电路中的能量 转化可用如图所示能流图表示 问题 1 在闭合电路中 电源各部分的功率及电源效率如何计算 4 1 电源的总功率 rR E rRIIEP 2 2 总 2 电源的输出功率 R U RIIUP 2 2 出 3 电源的内耗功率 r U rIIUP 2 2内 内内 4 电源的效率 2 2 rR R rRI RI P P 总 出 注意 注意 上述 1 2 4 三式的第一个等式适用于所有电路 而后面的等式只适用于纯电 阻电路 问题 2 以上四式结果随外阻的变化关系中 1 2 4 三式均为单调关系 只有电源的输出 功率随外阻变化的关系较为复杂 如何定量讨论电源输出功率随外阻变化的关系呢 当时 有最大输出功率 最大输出 r R rR E R rR E RIP 4 2 2 2 2 2 输出 rR 功率为 当时 每个输出功率对应两个外电阻值 输出功率随外阻变化 r E P 4 2 m m PP 输出 的关系如图所示 课堂小结 问题 1 电功和电功率的计算公式 问题 2 电流热效应产生的本质原因是什么 问题 3 如何从理论上推导焦耳定律 问题 4 电功和电热的区别与联系 问题 5 电热在生产生活中有哪些应用和危害 问题 6 闭合电路中能量是如何转化的 R P出 0 r 5 问题 7 闭合电路中各部分功率是如何计算的 板书设计 第六节 焦耳定律 电路中的能量转化 一 电功 电功率 1 电功 2 电功率 二 焦耳定律 1 电流热效应产生的原因 2 推导焦耳定律 3 电功和电热的区别与联系 三 电路的能量转化 1 从能量守恒角度理解闭合电路欧姆定律 2 电路中的能量转化 3 电源各部分功率的计算 课堂反馈课堂反馈 1 下列关于电功 电功率和焦耳定律的说法 正确的是 A 电功率越大 电流做功越快 电路中产生的焦耳热越多 B 适用于任何电路 而只适用于纯电阻电路UItW t R U RtIW 2 2 C 在非纯电阻电路中 RIUI 2 D 焦耳热适用于任何电路RtIQ 2 2 如图所示为某电源的外伏安特性曲线 D 点为外电路接通时的工作状态 图中 DC 平行于 横轴 DE 平行于纵轴 由图可知 A 比值表示外电路电阻 OE DE B 比值表示电源内电阻 CD AC C 比值表示电源电动势 AO CO D 矩形 OCDE 的面积表示电源的输出功率 3 如图所示中图线 表示某电池组的输出电压 电流 关系 图线 表示其输出功率 电流关系 由图可 知该电池的内阻为 当电池组的输出功 率为 120W 时 电池组的输出电压是 V 4 一个电阻为 20 的导体 每当他通过 3C 电荷量时 电流做功 36J 那么导体两端所加的 U I O A C D EB 6 电压为多少 通过 3C 电荷量的时间为多少 5 一台电动机 额定电压是 110V 电阻是 0 40 在正常工作时通过的电流是 50A 求两 秒钟内电流做的功和输出的机械能 参考答案 1 BCD 2 ABD 3 5 30V 4 12V 5s 5 J 4 101 1 3 9 10 J 课后测评课后测评 1 如图 电源电动势为 30V 内电阻不计 一个 6V 12W 的电灯与一个绕线电阻为 2 的 电动机 M 串联接入电路 已知电路中电灯正常发光 则电动机输出的机械功率为 A 40W B 44W C 48W D 60W 2 如图所示电路中 若 R1 4 R3 6 电池内阻 r 0 6 电源产生的总功率为 40W 输 出功率为 37 6W 求 电源电动势和电阻 R2 3 如图所示电路中 电源电动势 E 15V 内电阻 r 1 R1 R3 10 R2 4 求 当电键 K 断开时电流表和电压表的读数 R1及 R2消耗功率各为多少 当 K 闭合时 电流表和电压表的读数 电源的总功率及输出功率各为多少 4 如图所示 M 为一线圈电阻 r 0 4 的电动机 R 24 电源电动势 E 40V 当 S 断开时 电流表的示数 I1 1 6A 当开关 S 闭合时 电流表的示数为 I2 4 0A 求开关 S 闭合时电 动机发热消耗的功率和转化为机械能的功率 5 电源的输出功率 P 跟外电路的电阻 R 有关 如图甲是研究它们的关系的实验电路 为了 便于进行实验和保护蓄电池 给蓄电池串联了一个定值电阻 R0 把它们一起看作等效电 LK M 7 源 图中虚线框内部分 于是等效电源的内电阻就是蓄电池的内电阻和定值电阻 R0之和 用 r 表示 等效电源的电动势用 E 表示 1 写出等效电源的输出功率 P 跟 E r R 的关系式 电表均看作理想表 2 在图乙的实物图中按照甲图画出连线 组成实验电路 3 下表中给出了 6 组实验数据 根据这些数据 在图丙中的方格纸中画出 P R 关系图 线 根据图线可知 等效电源输出功率的最大值是 W 对应的滑动变阻器的 阻值是 4