2020高中物理第4章探究闭合电路欧姆定律4.4电路中的能量转化与守恒学案沪科版选修3-1

1、精品4.4电路中的能量转化与守恒知识脉络学习目标1 .理解电功与电热的区别与联 系，掌握焦耳定律.（重点）2 .理解电功与电功率，掌握电源 的总功率，输出功率及电源的效 率.（重点、难点）3 .知道常见用电器及其能量转化 的情况，了解电路中能的转化与 守恒，树立节约用电的意识 .电功W二lit电功率P二画电路中的能量转化电热。二厂用纯电n = Q输出功率尸二UI自主预习探新知知识梳理一、电功与电热关系的分析1 .电功的公式：W= UIL2 .电功率计算公式：P= UI.3 .焦耳定律：Q= £2Rt.4 .热功率计算公式： P= L2R5 . P= UI是某段电路的电功率，P= I2

2、R是这段电路上的热功率，纯电阻电路中,电功率等于热功率,非纯电阻电路中电功率大于热功率.二、闭合电路中的能量转化与守恒1 .电源的总功率：P总=旦.2 .电源的输出功率：P出=Ui.3 .电源的效率： ti = X 100* UX 100%EI E4 .在闭合电路中，电源的总功率等于输出功率与内部发热功率之和.基础自测1 .思考判断（正确的打“，”，错误的打“X” .）（1）电功率越大，相同时间内电流做的功越多.（，）（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.（X）（3）纯电阻电路和非纯电阻电路工作时能量转化情况相同，都是把电能转化为内能.（x ）（4）电

3、源产生的电能只消耗在外电路上.（X） 电源的总功率等于内、外电路消耗的功率之和.(，)(6)电源的输出功率越大，电源的效率越高.(X)【提示】(2) X 电功和电热并不完全相同，在某些电路中，电功不一定能完全转化为电热.(3) x 纯电阻电路可以把电能全部转化为内能，非纯电阻电路则不能.(4) X 内电路也消耗电源的能量.(6) x 输出功率大时效率不一定高.uL2 .在电功率的计算公式 P=石中，U是加在用电器上的电压，R是用电器的电阻，此式可用于()R【导学号：69682212】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c P=日只能计算纯电阻电路的电

4、功率，而电冰箱、电风扇、洗衣机都是非纯电阻电路.只有电烙铁是纯 R电阻电路，故C正确.3 .在图4-4-1所示的电路中，电源电动势为 12 V,电源内阻为1.0 Q ,电路中的电阻 R为1.5 ，小型直流电动机M的内阻为0.5 .闭合开关S后，电动机转动，电流表的示数为2.0 A .以下判断中正确的是()图 4-4-1A.电动机的输出功率为14 WB.电动机两端的电压为 7.0 VC.电动机产生白热功率为4.0 WD.电源输出的电功率为 24 WB 电动机两端的电压为 U= EI(R+r)=7 V,电动机产生白热功率为P热=I>m= 2 W电动机的输出功率为R=UI I2m= 12 W,

5、电源输出的电功率为F2=EI-I2r = 20 W,故B正确.4 .(多选)如图4-4-2所示的电路中，电源的电动势E和内电阻恒定不变，电灯 L恰能正常发光，如果变阻器的滑片向b端滑动，则()图 4-4-2A.电灯L更亮，电流表的示数减小B.定值电阻R消耗的功率减小C.电灯L变暗，电源的总功率减小D.电灯L变暗，电流表的示数增大AB 滑片向b端滑动，R变大，电路中总电阻变大，根据 I=REr7知I减小，电流表示数减小，根据 E= U 外+ Ir知，U外变大，灯泡两端电压变大，故电灯 L更亮.再根据 B=I2R, I减小，Il变大，故I2变小，R功率 变小，故C、D错误，A、B正确.合作探究攻重

6、又tL9A1I电功与电热的理解2.1 .纯电阻电路与非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的元件欧姆定律服从欧姆定律，I=UR _八 U不服从欧姆定律，U>IR或I二R能量转化电流做功，电能全部转化为电执八、电流做功，电能除转化为内能外还要转化为其他形式的能元件举例电阻、电炉丝、白炽灯等电动机、电解槽等电功与电热的区别与联系纯电阻电路：W Q= UIt =I2Rt=Ut ,(2)非纯电阻电路：电功 W UIt ,电热，例口 如图4-4-3所示，A为电解槽,当S闭合、5、S3断开时，电流表 A示数为Pa=P 热=ui=i2r

7、= UQ= I2Rt, V>Q电功率 P电=UI,热功率P热=I2R P"P热.M为电动机，N为电炉子，恒定电压 U= 12 V,电解1t内阻a= 2 Q,6 A;当S2闭合、S、&断开时，A示数为5 A,且电动机输出功率为35 W;当S3闭合、Si、S2断开时，A示数为4 A.求:图 4-4-3(1)电炉子的电阻及发热功率各多大?(2)电动机的内阻是多少?(3)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少?思路点拨：电炉子为纯电阻元件，其电阻可用欧姆定律计算，热功率和电功率相等.电动机和电解槽为非纯电阻元件.【解析】(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律得:_ U 12

8、R= = Q = 2 QI i 6其发热功率为：P= UIi = 12X6 WJ= 72 W.(2)电动机为非纯电阻元件，由能量守恒定律得：2UI 2= I 2r M+ P 输出UI2P俞出 12X535所以：r m=p =z2Q = 1 Q.I 25(3)电解槽为非纯电阻元件，由能量守恒定律得：P 化=UI3I2rA所以 P化=(12X4 42X2) W= 16 W.【答案】(1)2 Q 72 W (2)1 Q (3)16 W电功、电热的计算方法(1)判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器.(2)分析各用电器之间的连接方式，对纯电阻电路，计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路

9、的分流 特点.(3)由所求问题选取合适的公式，在非纯电阻电路中计算电功只能用W= UIt ,计算电热只能用 Q= 12Rt.欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用.(4)对于含电动机的电路，电动机转动时是非纯电阻用电器，电动机不转动时是纯电阻用电器.针对训练1 .(多选)一台直流电动机的电阻为 R,额定电压为U,额定电流为I ,当其正常工作时，下述正确的是()【导学号：69682213】A.电动机所消耗的电功率为I2RB. t s内所产生的电热为 UItC. t s内所产生的电热为I2RtD. t s内输出的机械能为(U- IR) ItCD 电动机所消耗的电功率为UI, A错误；t s内产生的

10、电热为I2Rt, B错误，C正确；ts内输出的机械能为UIt - I2Rt, D正确.2.规格为“ 220 V36 W'的排气扇，线圈电阻为 40 ，求：(1)接上220 V的电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率.一 .一 . P 36【解析】(1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为：I =U= 220 A= 0.16 A.发热功率为 P热=I R= (0.16) X40 W1 W.转化为机械能的功率为：P 机=P P 热=36 W 1 W= 35 W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯

11、电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为 U 220 .I = r= 40 A = 5.5 A，电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：P电'=P 热'=UI' =220X5.5 W= 1 210 W.【答案】(1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 WI考点2闭合电路的输出功率和效率当外电路为纯电阻电路时讨论如下：(1)电源的输出功率c. 2-E2E2R网I*R+ r 2RR- r 2+4Rr-RR由此可知当R=时，电源有最大输出功率P出ma(2) P出与外电阻R的函数关系，如图 4-4-4 :E22.十 4rE2x=彳1.电源的输出功率图

12、4-4-4图 4-4-5max一一 E U 1 2 E,1P 出=UI = U = UTU= r r r rE24r2L 1一U 2 +行我们可以得出，当 U= "2时，电源有最大输出功率,一出时,R越大，尸出越大r7图像分析R =/时;匕=广，为最大值出 4r1一嗯时酒越大产出越小2.电源的效率即电源100* 9100*芸*10°* T*100%可见，当R增大时，效率增大.当.时有最大输出功率时，其效率仅为50%效率并不高.例同 如图4-4-6所示，E= 8 V, r=2 Q, R=8 Q, R为变阻器接入电路中的有效阻值，问:图 4-4-6(1)要使变阻器获得的电功率最

13、大，则R2的取值应是多大？这时 R的功率是多大?(2)要使R得到的电功率最大，则 R的取值应是多大？ R的最大功率是多大？这时电源的效率是多大?、-E山 口，E2 ,，八(3)调节R2的阻值，能否使电源以最大的功率E输出？为什么?思路点拨：(1) R为定值电阻，电功率最大的条件是R=0.2 2) R2为可变电阻，其电功率最大的条件是R = R+r.(3)电源输出最大功率为4E-的条件是内外电阻相等.【解析】 (1)将R和电源(E, r)等效为一新电源，则新电源的电动势E' = E= 8 V内阻r' = r + R=10 Q,且为定值利用电源的输出功率随外电阻变化的结论知，当E&

14、#39; 282P2max= -=W= 1.6 W.4r 4X10R2= r = 10 Q时，R2有最大功率，即(2)因R是定值电阻，所以流过 R的电流越大，R的功率就越大.当R = 0时，电路中有最大电流，即, EI max 0.8 ARj+ rR的最大功率Plmax= I taR= 5.12 W这时电源的效率RR+rx100%r 80%.(3)不能.因为即使 R = 0,外电阻R也大于r,不可能有 丁的最大输出功率.本题中，当 R=0时，外电路得到的功率最大.【答案】(1)10 Q 1.6 W (2)05.12 W 80%(3)不能理由见解析解蜃误区有关闭合电路中功率问题的三点提醒(1)电

15、源输出功率越大，效率不一定越高，如电源输出功率最大时，效率只有50%.(2)判断可变电阻功率变化时，可将可变电阻以外的其他电阻看成电源的一部分内阻.3当P出pm时，每个输出功率对应两个可能的外电阻R, R,且R R=r2.针对训练3 .电动势为E,内阻为r的电池与固定电阻 R,变阻器 R串联，如图4-4-7所示，设 R= r, Rb= 2r,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() I1-&五*图 4-4-7A.电池的输出功率8 .变阻器消耗的功率C.固定电阻 R消耗的功率D.电池内阻消耗的功率B 滑片自a端向b端滑动时，电池输出功率增大，R和内阻消耗的功率也

16、增大，只有变阻器消耗的功率减小.故B正确.4.如图4-4-8所示，电路中电池的电动势E= 5 V,内电阻r = 10 Q,固定电阻 R= 90 Q, R是可变电阻,在R从零增加到400 Q的过程中，求:(1)可变电阻R上消耗功率最大的条件和最大热功率;（2）电池的电阻r和固定电阻R上消耗的最小热功率之和;（3） R0调到多少时R上消耗的功率最大，最大功率是多少？【导学号：69682214】【解析】（1）可变电阻R0上消耗的热功率:_ 2一Pc)= I R=25R 100RT2- + 400R100 Q= 0时，Po最大，其最大值:251P 大=W= W.40016（2）当电流最小时，电阻 和R

17、消耗的热功率最小，此时R应调到最大400 Q,内阻和固定电阻R上消耗的最小热功率之和为P 小=（*NJ® r） = 0.01 W. R IR-b r（3） R=0时，电路中的总电阻最小，因此电路中的电流最大，此时R上有最大功率即 P=（BT7）2R= QnLn 2X90 W= 0.225 W.R十r90十100.225 W1【答案】 (1)100 Q W (2)0.01 W (3)0当堂达标固双基1.（多选）在某段电路中，其两端电压为U,通过的电流为I,通电时间为t,若该电路电阻为 R,则关于电功和电热的关系，下列结论正确的是（）【导学号：69682215】A.在任何电路中，电功 U

18、It = I2RtB.在任何电路中，电功为 UIt,电热为I2RtC.在纯电阻电路中，UIt = 12RtD.在非纯电阻电路中，UIt >I 2RtBC 在纯电阻电路中，UIt = I2Rt,在非纯电阻电路中，UIt>I2Rt.故A, D错误，B, C正确.2.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（）A. 1 ： 1 B , 2 ： 1 C. 4 ： 1 D. 1 ： 41212乂j一""白、，- U2C 串联后电阻为 R = 2r,广生的热重为 Q = 三 , t串=h t串；并联后电阻为 R=,广生的热重为 Q=W , tR2r2rvJ并=7 ' t并，右要 Q=Q,所以有t串 t并=4 - 1.23 .如图4-4-9所示，已知电源内电阻 r为2定值电阻 R为3滑动变阻器阻值范围为010 .当使滑动变阻器 R阻值为R时，在R上获得最大功率，则 R的阻值应为（）【导学号：69682216图 4-4-9A. 2a B . 3 Q C. 4a D. 5aD 将R视为内阻，当外阻 R等于内阻(R0+r)时，输出功率最大，即 R上的功率最大.故 D正确.4.如图4-4-10 所示，电源电动势动机M绕组的电阻F0=1 ，求：E= 10 V,内阻r=0.