2020春新教材高中物理 第3章 恒定电流 第3节 电功与电热教案 鲁科版必修第三册

第3节电功与电热核心素养物理观念科学态度与责任能理解电功、电功率及焦耳定律的内涵；能用焦耳定律解释生产、生活中的电热现象，能解决一些电热问题。具有与恒定电流相关的能量观念。能体会电能的使用对人类生活和社会发展的影响。知识点一电功和电功率观图助学电熨斗通电时发热，电动机通电时对外做功，这两种电器的内能、机械能都是电能转化而来的。能量的转化是通过电流做功实现的。1.电功(1)自由电荷在电场力的作用下定向运动而形成电流，电场力对自由电荷做的功，称为电功。(2)公式：如果电路两端的电压是u，电流为i，在时间t内电流做的功wuit。2.电功率：单位时间内电流所做的功就叫做电功率。用公式表示为：pui，单位：瓦特(w)。知识点二焦耳定律1.焦耳定律(1)内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。这就是焦耳定律。(2)公式：qi2rt。(3)在只含电阻的纯电阻电路中，由uir，可推得qt。2.纯电阻电路与非纯电阻电路(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的电热。(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电能除部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能。(3)纯电阻电路中：wq；pp热；非纯电阻电路中：wqe其他q；pp热p其他p热。思考判断(1)电功率越大，电功越大。()(2)1千瓦时3.6106 j。()(3)非纯电阻电路中，电热的表达式是qi2rt。()(4)电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热。()(5)根据i可导出p，该公式可用于任何用电器。()知识点三身边的电热1.电流热效应的应用如电热水器、电饭锅、电刻笔、电焊等都是利用电流的热效应工作的。2.电流热效应的危害如果插头和插座之间接触不良会迸出火花。在输电线路中由于电热，降低电能的传输效率，电流过大，散热不好，还会烧坏电线的绝缘层，引起漏电、触电等事故。研究电路中的能量转化关系，首先应该研究电流做的功，即电功。电功的微观解释当给导体两端加上电压后，导体内部产生电场，在静电力作用下，自由电荷定向移动就形成了电流，静电力对自由电荷做功，也是电场力对移动电荷做功，在直流电路部分，就称为电功。通过静电力做功，用电器把电能转化成了各种各样的能量，服务于我们现在的生活。电功率是衡量用电器做功快慢的物理量电热的微观解释在自由电荷定向移动时，由于导体中金属离子的存在，自由电荷不断地与金属离子发生碰撞，使得金属离子的运动加剧，从而使导体温度升高，即产生了电热，这一过程中电能转化为内能，电热的多少反映了电能转化为内能的多少。(1)纯电阻电路的模型及能量转换关系(2)非纯电阻电路的模型及能量转换关系核心要点 电功和电功率要点归纳1.对电功的理解(1)从能的角度看，电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少。(2)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。2.对电功率的理解(1)电功率表示电流做功的快慢或用电器消耗电能的快慢。(2)公式pui对任何电路都适用。3.额定功率和实际功率(1)额定功率：用电器正常工作时所消耗的功率，当用电器两端的电压达到额定电压或电流达到额定电流时，用电器达到额定功率。p额、i额、u额其中一个达到额定值，则另外两个也为额定值。(2)实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率，一般情况下，为保证用电器的安全，实际功率应小于或等于额定功率。试题案例例1 (多选)下列关于电功和电功率的说法中，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.电功是电能转化为其他形式能的量度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项错误，c项正确；功是能量转化的量度，电功是量度电能转化成其他形式能量的物理量，所以b项正确；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项错误。答案bc针对训练1 一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36 w 与36 v。若把此灯泡接到输出电压为18 v的电源两端，则灯泡消耗的电功率()a.等于36 w b.小于36 w，大于9 wc.等于9 w d.小于9 w解析白炽灯在正常工作时的电阻为r，由p变形得r36 ，当接入18 v电压时，假设灯泡的电阻也为36 ，则它消耗的功率为p w9 w，但是当灯泡两端接入18 v电压时，它的发热功率小，灯丝的温度较正常工作时的温度低，其电阻率小，所以其电阻要小于36 ，其实际功率要大于9 w，故选项b正确。答案b核心要点 纯电阻电路和非纯电阻电路要点归纳纯电阻电路和非纯电阻电路纯电阻电路非纯电阻电路能量转化情况电功和电热的关系wq即iuti2rttwqe其他uiti2rte其他电功率和热功率的关系pp热即uii2rpp热p其他即uii2rp其他欧姆定律是否成立成立uiri不成立uirip热i2r，uir而有uir。(3)输入功率指电动机消耗的总功率，热功率是线圈上的电阻的发热功率。输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，三者的关系uii2rp机。针对训练2 (多选)在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器r，使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 a和1.0 v；重新调节r，使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 a和15.0 v。则有关这台电动机正常运转时的说法正确的是()a.电动机的内电阻为2 b.电动机的内电阻为7.5 c.电动机的输出功率为30 wd.电动机的输出功率为22 w解析当电动机不转动时，电动机消耗的电功率等于热功率，电压表与电流表示数的比值就是电动机的电阻，即r2 ，选项a正确，b错误；当电动机正常工作时，电动机的输出功率为p出uii2r22 w，选项c错误，d正确。答案ad1.(电功和电功率的理解)(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是()a.电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多b.wiut适用于任何电路，而wi2rtt只适用于纯电阻电路c.在非纯电阻电路中，uii2rd.焦耳热qi2rt适用于任何电路解析电功率公式p，表示电功率越大，电流做功越快。对于一段电路，有pui，i，焦耳热q()2rt，可见q与p、u、t都有关，所以p越大，q不一定越大，a错误；wuit是电功的定义式，适用于任何电路，而i只适用于纯电阻电路，b正确；在非纯电阻电路中，电流做的功焦耳热其他形式的能，所以wq，即iui2r，c正确；qi2rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，d正确。答案bcd2.(焦耳定律的应用)通过电阻r的电流为i时，在t时间内产生的热量为q，若电阻为2r，电流为，则在时间t内产生的热量为()a.4q b.2q c. d.解析根据qi2rt得，电阻变为原来的2倍，电流变为原来的，时间不变，则热量变为原来的，c正确。答案c3.(非纯电阻电路的特点及有关计算)如图所示是一直流电动机工作时的电路图。电动机内阻r0.8 ，电路中另一电阻r10 ，直流电压u160 v，电压表示数uv110 v。试求：(1)通过电动机的电流；(2)输入电动机的总功率；(3)电动机输出的机械功率。解析(1)由电路中的电压关系可得电阻r的电压uruuv(160110) v50 v通过电阻r的电流ir a5 a即通过电动机的电流imir5 a。(2)电动机的分压umuv110 v输入电动机的总功率p总imum550 w。(3)电动机的热功率p热ir20 w电动机输出的机械功率p出p总p热530 w。答案(1)5 a(2)550 w(3)530 w基础过关1.(多选)关于电功，下列说法中正确的有()a.电功的实质是静电力所做的功b.电功是电能转化为其他形式能的量度c.静电力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大d.电流通过电动机时的电功率和热功率相等答案ab2.室内有几种用电器：1.5 kw的电饭煲、200 w的电冰箱、750 w的取暖器、250 w的电视机和2 kw的空调器。如果进线处有13 a的保险丝，供电电压为220 v，下列情况下不可能同时使用的是()a.电饭煲和电冰箱b.取暖器和空调器c.电饭煲和空调器d.电冰箱、电视机和空调器解析电路中允许的最大功率为pmui2 860 w。用电器的功率之和大于pm时，用电器就不可能同时使用，故选项c正确。答案c3.(多选)关于四个公式pui；pi2r；p；p，下列叙述正确的是()a.公式、适用于任何电路的电功率b.公式适用于纯电阻电路的热功率c.公式、适用于任何电路的电功率d.以上说法都不对解析公式pui，p，适用于任何电路；公式pi2r，p，只适用于纯电阻电路。答案ab4.额定电压为4.0 v的直流电动机的线圈电阻为1.0 ，正常工作时，电动机线圈每秒产生的热量为4.0 j，下列计算结果正确的是()a.电动机正常工作时的电流强度为4.0 ab.电动机正常工作时的输出功率为8.0 wc.电动机每分钟将电能转化成机械能为240.0 jd.电动机正常工作时的输入功率为4.0 w解析由焦耳定律，qri2rt解得i2.0 a，故电动机正常工作时的电流为2.0 a，选项a错误；电动机正常工作时的输入功率pui8.0 w，电动机的热功率为pri2r4.0 w，所以电动机正常工作时的输出功率p出ppr4.0 w，选项b、d错误；电动机每分钟将电能转化成机械能e机p出t240.0 j，故选项c正确。答案c5. (多选)如图所示，电阻r120 ，电动机的电阻r210 。当开关断开时，电流表的示数是0.5 a，当开关闭合后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，此时电流表的示数i和电路消耗的电功率p应是()a.i1.5 a b.i1.5 ac.p15 w d.pir，放热qi2rt，消耗功率puii2r。答案abd能力提升8. (多选)电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧干前的加热状态，另一种是锅内水烧干后保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，s是感温材料制造的开关。下列说法中正确的是()a.其中r2是供加热用的电阻丝b.当开关s接通时电饭锅为加热状态，s断开时为保温状态c.要使r2在保温状态时的功率为加热状态的一半，应为21d.要使r2在保温状态时的功率为加热状态时一半，应为(1)1解析由p得：当接通s时，电阻变小，功率变大，处于加热状态；当断开s时，电阻变大，功率变小，处于保温状态。由上可知，r2是供加热用的电阻丝，故a正确；当开关s接通时电饭锅为加热状态，s断开时为保温状态，故b正确；要使r2在保温状态时的功率为加热状态的一半，由pi2r可得：电阻r2在保温与加热状态下的电流之比1，所以(r1r2)r21，则r1r2(1)1，故c错误，d正确。答案abd9.如图为一种服务型机器人，其额定功率为48 w，额定工作电压为24 v，机器人的锂电池容量为20 ah。则机器人()a.额定工作电流为20 ab.充满电后最长工作时间为2 hc.电池充满电后总电荷量为7.2104 cd.以额定电流工作时每秒消耗能量为20 j解析由piu知额定电流i2 a，选项a错误；充满电后，锂电池容量为20 ah，最长工作时间t110 h，选项b错误；电池充满电后总电荷量qit2203 600 c7.2104 c，选项c正确；以额定电流工作时每秒消耗能量wiut348 j，选项d错误。答案c10.一台小型电动机在380 v电压下正常工作时，能将30 kg 的货物在30 s内匀速提升30 m，通过它的电流是1 a。除电动机线圈生热外，其他能量损失不计，求在此过程中：(g取10 m/s2)。(1)拉力对货物做功的功率；(2)电动机的输出功率；(3)电动机线圈所产生的热量。解析(1)货物匀速上升，故牵引力等于重力，故有fmg3010 n300 n，上升的速度为v1 m/s，故牵引力的功率为pfv3001 w300 w。(2)电动机的输出功率为300 w。(3)由能量守恒定律可知qiutmgh j2 400 j。答案(1)300 w(2)300 w(3)2 400 j11.如图所示为国庆群众游行队伍中的国徽彩车，不仅气势磅礴而且还是一辆电动车，充一次电可以走100公里左右。假设这辆电动彩车总质量为6.75103 kg，当它匀速通过天安门前500 m的检阅区域时用时250 s，驱动电机的输入电流i10 a，电压为300 v，电动彩车行驶时所受阻力为车重的0.02。g取10 m/s2，不计摩擦，只考虑驱动电机的内阻发热损耗能量，求：(1)驱动电机的输入功率；(2