四川省宜宾市一中高二物理上学期第9周教学设计(焦耳定律电路中能量转化)人教版高二全册物理教案

四川省宜宾市一中高2015级物理教研组2016—2017学年上期第9周教课方案焦耳定律电路中的能量转变[学习目标定位]1.知道并理解电功、电功率的看法，并能利用公式进行相关计算.2.掌握焦耳定律，弄清电功与电热、电功率与热功率的差别和联系.3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特色和区别，能用能量转变与守恒的看法解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题.4.明确闭合电路中的功率及能量转变．环节一：学生自学测试一、电功和电功率1．电功：定义：电场力挪动电荷所做的功，简称电功．公式：W＝UIt，此式表示电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两头的电压U与电路中的电流I和通电时间t三者的乘积．国际单位制中的单位是：焦耳，符号是J.2．电功率：电流所做的功与做这些功所用时间的比值叫做电功率，它在数值上等于单位时间内电流所做的功．W(2)公式：

P＝t

＝UI，此式表示一段电路上的电功率

P等于这段电路两头的电压

U和电路中电流

I

的乘积．(3)国际单位制中的单位是：瓦特，符号是W,1W＝1J/s.二、焦耳定律热功率1．焦耳定律：内容：电流经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：Q＝I2Rt.焦耳热：电流经过电阻而产生的热量称为焦耳热．2．热功率：电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值，叫做热功率．2公式：P热＝t＝IR.三、电路中的能量转变1．在纯电阻元件中，电流使电阻发热，电能所有转变为内能，电功率等于热功率，即P电＝P热．2．在电动机、电解槽等用电器中，电能要分别转变为机械能、化学能等，还有一部分转变为电阻的内能，这时P电＝P热＋P其余．3．式子IE＝IU＋I2r的物理意义是：电源把其余形式的能量转变为电能的功率IE，等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和.环节二：学生议论研究一、电功和电功率[问题设计]在平时生活中，常常会用到家用小电器，比如电吹风、电熨斗等，它们都会分为几挡，像电吹风能够吹暖风和热风．它们都是经过电流做功把电能转变为热能的．1．电流做功的实质是什么？答案因电流是自由电荷在电场力作用下定向挪动形成的，电流做功实质上是导体中恒定电场对自由电荷的电场力做功．2．设加在一段电路两头的电压为U，经过电路的电流为I，试推导时间内电流做功的表达式及电功率的表达式．答案t时间内经过电路的总电荷量q＝It，电场力挪动电荷做功WW＝qU，故t时间内电流做功W＝UIt.又因为P＝t，可得：P＝UI.[重点提炼]1．电流做了多少功，就有多少电能转变为其余形式的能，即电功等于电路中电能的减少许．2．电功的实质：电流经过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功．W3．电功率P＝t＝IU，表示电流做功的快慢．二、焦耳定律和热功率[问题设计]1．某同学家中有一只电炉，电阻为50Ω，试计算该电炉接到220V电源上在100秒的时间内耗费的电能和产生的热量．U答案I＝RUU2W＝UIt＝U·R·t＝Rt＝96800JQ＝W＝96800J.2．某同学家中有一电电扇，电阻为80Ω，当加上220V的电压时电流为0.25A，试计算该电扇工作100秒时间耗费的电能和产生的热量．答案W＝UIt＝5500JQ＝I2Rt＝500J3．经过上边的计算比较耗费的电能和产生的热量之间的关系．答案电炉耗费的电能和产生的热量相等．电电扇耗费的电能和产生的热量不相等．[重点提炼]1．纯电阻电路：电流经过纯电阻电路做功时，电能所有转变为导2U22U2体的内能．W＝Q＝UIt＝IRt＝Rt；P＝P热＝UI＝IR＝R.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．WUIt＝Q＋E其余>Q＝I2Rt；P＝UI＝P热＋P其余>P热＝I2R.三、闭合电路中的功率[问题设计]依据闭合电路的欧姆定律，推导闭合电路中能量的转变关系，并解释各项的物理意义．答案依据E＝U内＋U外可得EI＝U内I＋U外I，式中EI表示电源供给的电功率，U外I表示外电路上耗费的电功率；U内I表示内电路上耗费的电功率．[重点提炼]1．闭合电路中的能量转变关系：EI＝U内I＋U外I，对于纯电阻电路该式可写为EI＝I2r＋I2R.电动势反应了电源把其余形式的能转化为电能的能力．UIU2．电源的效率η＝EI×100%＝E×100%.环节三典型例题解说一、电功、电功率、焦耳热、热功率例1以下对于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的选项是()A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热必定越多2B．W＝UIt合用于任何电路，而W＝I2Rt＝Ut只合用于纯电阻电路RC．在非纯电阻电路中，UI>I2RD．焦耳热Q＝I2Rt合用于任何电路W分析电功率公式P＝t，表示电功率越大，电流做功越快．对于P一段电路，有P＝IU，I＝U，焦耳热Q＝Pt，可见Q与t也相关，所以P越大，Q不必定越大，A错．UW＝UIt

是电功的定义式，合用于任何电路，而

I＝R只合用于纯电阻电路，B对．在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其余形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C对．Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，合用于任何电路，

D对．答案BCD二、纯电阻电路中的功率分派及计算例2额定电压都是110V，额定功率PA＝100W，PB＝40W的灯泡两盏，若接在电压为220V的电路上，使两盏灯炮均能正常发光，且耗费功率最小的电路是()分析判断灯泡可否正常发光，就要判断电压是不是额定电压，或U2电流是不是额定电流，对灯泡有

P＝UI＝R，可知

RA＜RB.对于A电路，因为RA＜RB，所以UB＞UA，B灯被烧毁或A灯不可以正常发光．对于B电路，因为RB＞RA，A灯又并联滑动变阻器，并联电阻小于RB，所以UB＞U并，B灯被烧毁或A灯不可以正常发光．对于C电路，B灯与滑动变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110V，两灯能够正常发光．对于D电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110V，两灯能够正常发光．比较C、D两个电路，因为C电路中滑动变阻器功率为(IA－IB)×110V，而

D电路中滑动变阻器功率为

(I

A＋I

B)×110V，所以

C电路消耗电功率最小．答案C三、非纯电阻电路的特色及计算例3如图1所示的电路中，电源电动势E＝10V，内阻r＝0.5Ω，电动机的电阻R0＝1.0Ω，电阻R1＝1.5Ω.电动机正常工作时，电压表的示数U1＝3.0V，求：图1电源开释的电功率；电动机耗费的电功率和将电能转变为机械能的功率；电源的输出功率和效率．分析

(1)电动机正常工作时，总电流为

U13.0I＝R1＝1.5A＝2A，电源开释的电功率为P释＝EI＝10×2W＝20W.电动机两头的电压为U＝E－Ir－U1＝(10－2×0.5－3.0)V＝6V电动机耗费的电功率为：P电＝UI＝6×2W＝12W电动机的热功率为：P热＝I2R0＝22×1W＝4W依据能量守恒定律，电动机将电能转变为机械能的功率P机＝P电－P热＝12W－4W＝8W电源的输出功率为P出＝P释－P内＝P释－I2r＝(20－22×0.5)WP出1818W，η＝P释×100%＝20×100%＝90%.答案

(1)20W

(2)12W

8W

(3)18W

90%针对训练

一台电动机内阻为

1Ω，接到

120V

的电源上．当电动机工作时，电流为10A．问：电动机输入功率是多少？电动机发热功率是多少？输出的机械功率是多少？答案

(1)1200W

(2)100W

(3)1100W分析

(1)电动机的输入功率

P电＝UI＝120×10W＝

1200W.电动机的发热功率P热＝I2r＝102×1W＝100W.输出的机械功率P机＝P电－P热＝1200W－100W＝1100W.环节四：师生共同总结环节五：课后作业2U21．(功率P＝UI，P＝IR，P＝R的差别)对于三个公式P＝UI，P＝2I2R，P＝U的合用范围，以下说法正确的选项是()RA．第一个公式广泛合用于求电功率，后两式广泛合用于求热功率B．在纯电阻电路中，三个公式既可合用于求电功率，又可合用于求热功率C．在非纯电阻电路中，第一个公式可合用于求电功率，第二个公式可用于求热功率，第三个公式没存心义D．由U＝IR可知，三个公式没有任何差别，它们表达同样的意义，所求P既是电功率，也是热功率答案BC分析第一要明确，欧姆定律U＝IR只合用于纯电阻电路，所以三个公式在纯电阻电路中没有差别，但在非纯电阻电路中它们互不同样．其次，P＝UI表示电功率，而P＝I2R表示热功率．所以，在纯电阻电路中，UI＝I2R，耗费的电能所有转变为内能；而在非纯电阻电路中，UI>I2R，即耗费的电能只有部分转变为内能．2.(

非纯电阻电路

)如图

2所示，直流电动机线圈的电阻为

R，电源内阻为

r.

当该电动机正常工作时，

路端电压为

U，经过电动机的电流为

I

，则(

)图

2A．电动机内部的发热功率为

I2RB．电动机的机械功率为IUC．电源的电动势为I(R＋r)D．电源的输出功率为IU＋I2R答案A分析电动机正常工作时，属于非纯电阻电路，欧姆定律已不合用，则C错误；由焦耳定律可知电动机的发热功率为I2R，A正确；由电路的特色可知，电动机的输入功率等于电源的输出功率，即P＝UI，由能量守恒定律可得，电动机的机械功率为P＝UI－I2R，B、D错误．3．(非纯电阻电路)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻同样，都经过同样的电流，在同样时间内()A．电炉放热与电动机放热相等B．电炉两头电压小于电动机两头电压C．电炉两头电压等于电动机两头电压D．电动机耗费的功率大于电炉耗费的功率答案ABD分析电炉属于纯电阻元件，电动机属于非纯电阻元件，对于电炉有：U＝IR，放热Q＝I2Rt，耗费功率P＝I2R.对于电动机有：U>IR，放热Q＝I2Rt，耗费功率P＝UI>I2R.4．(纯电阻电路功率的计算)有规格为“220V1000W”的电炉，问它在正常工作时的电阻；假如电压只有功率．答案48.4Ω826.4W

200V，求它实质耗费的分析

因为电炉是纯电阻电路，故

U2P＝R，则

U22202R＝P＝1000

Ω＝

48.4Ω当电压为200V时，则实质耗费的功率U′22002P′＝R＝48.4W≈826.4W环节六：自我检测题组一电功率的理解及相关计算1．以下对于电功率的说法中，正确的选项是()A．用电器的额定功率与用电器的实质电压和实质电流相关B．用电器的实质功率取决于用电器的额定功率C．白炽灯正常工作时，实质功率等于额定功率D．电功率越小，则电流做功越少答案C分析用电器的额定功率是它正常工作时的功率，其值是由用电器自己的构造决定的，与实质电流和实质电压没关，故A错，C对；用电器实质功率的大小是由加在它两头的电压和经过它的电流决定的，B错；电流做功的多少不单与功率的大小相关，还与通电时间相关，D错．2．一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36W与36V．若把此灯泡接到输出电压为18V的电源两头，则灯泡耗费的电功率(

)A．等于

36W

B．小于

36W，大于

9WC．等于

9W

D．小于

9W答案

BU2分析

白炽灯在正常工作时的电阻为

R，由

P＝R变形得

R＝36

Ω，当接入

18V

电压时，假定灯泡的电阻也为

36Ω，则它耗费的功U′2

182率为

P′＝

R＝36W＝9W，可是当灯泡两头接入

18V

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

36Ω，其实质功率要大于

9W，应选项

B正确．如图1所示的电路中，L1、L2是两个不一样的小灯泡，a、b间有恒定的电压，它们都正常发光，当滑动变阻器的滑片向右滑动时，发生的现象是()图1A．L1亮度不变，L2变暗B．L1变暗，L2变亮C．电路耗费的总功率变小D．流过滑动变阻器的电流变小答案BCD分析滑动变阻器的滑片向右滑动时阻值增大，并联部分的电阻变大，分得电压变大，所以L2两头电压增大，变亮．L1分得电压变小，L1变暗，A错，B对．因为滑动变阻器电阻变大，总电阻变大，由PU2＝R可知，U必定，P减小，即电路总功率减小，C对．又因为总电阻增大，总电流减小，而L2电压变大，电流变大，所以流过变阻器的电流减小，D正确．4．三只电阻R1、R2和R3按如图2所示电路连结，在电路的A、B端加上恒定电压后，电阻R1耗费的功率最大，则三只电阻的阻值大小关系为()图2A．R1>R2>R3B．R2>R1>R3C．R3>R2>R1D．R1>R3>R2答案B分析电阻R1、R2并联，电阻两头的电压相等，因为电阻R1耗费的U2功率最大，由功率公式P＝R，可判断R2>R1，由串、并联电路的特点可知，经过电阻R1的电流小于经过电阻R3的电流，依据功率公式P＝I2R，可判断R1>R3，应选

B.题组二

焦耳定律的理解及应用5．经过电阻

R的电流为

I

时，在

t

时间内产生的热量为

Q，若电I阻为

2R，电流强度为

2，则在时间

t

内产生的热量为

(

)QA．4QB．2QC.4D.2答案

D分析

依据

Q＝I

2Rt

得，当电阻为

2R，电流强度为

I2时，在时间

t内产生的热量

I1Q′＝(2)2×2R×t＝2I

2QRt＝2，D正确．6．把两根电阻同样的电热丝先串连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∶1B．2∶1C．4∶1D．1∶4答案CRU2分析设每根电热丝电阻为R，则R串＝2R，R并＝2.由Q＝W＝Rt得t串∶t并＝4∶1.题组三非纯电阻电路的特色7．额定电压、额定功率均同样的电电扇、电烙铁和日光灯，各自在额定电压下正常工作了同样的时间．比较它们产生的热量，结果是()A．电电扇最多B．电烙铁最多C．日光灯最多D．同样多答案B分析在三种用电器中，只有电烙铁是纯电阻用电器．将电能所有转变为内能，故B选项正确．如图3所示，有一内电阻为4.4Ω的电解槽和一盏标有“110V60W”的灯泡串连后接在电压为220V的直流电路两头，灯泡正常发光，则()图3A．电解槽耗费的电功率为120WB．电解槽的发热功率为60WC．电解槽耗费的电功率为60WD．电路耗费的总功率为60W答案

C分析

灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得

110V电压，且6干路电流

I＝I

灯＝11

A，则电解槽耗费的电功率

P＝P灯＝60W，A错，C对；电解槽的发热功率P热＝I2R内≈1.3W，B错；整个电路6耗费的总功率P总＝220×11W＝120W，D错．9.如图4所示的电路中，输入电压U恒为12V，灯泡L上标有“6V12W”字样，电动机线圈的电阻RM＝0.50Ω.若灯泡恰能正常发光，以下说法中正确的选项是()图4A．电动机的输入功率为24WB．电动机的输出功率为12WC．电动机的热功率为2.0WD．整个电路耗费的电功率为22W答案C分析电路中含电动机为非纯电阻电路，欧姆定律对电动机不再适P用．灯泡

L正常发光，则

IL＝U＝2A，所以电路中的电流

I

＝2A，故整个电路耗费的总功率

P总＝UI＝24W，D选项错误．电动机的输入功率

P入＝P总－P灯＝12W，A选项错误．电动机的热功率

P热＝I

2RM＝2.0W，C选项正确．电动机的输出功率为

P出＝P入－P热＝W，B选项错误．10.如图5所示，一台电动机提着质量为m的物体，以速度v匀速上涨．已知电动机线圈的电阻为R，电源电动势为E，经过电源的电流为I，当地重力加快度为g，忽视全部阻力及导线电阻，则()图5EA．电源内阻r＝I－REmgvB．电源内阻r＝I－I2－RC．假如电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源耗费的功率将变大D．假如电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源耗费的功率将变小答案BC分析此题主要考察欧姆定律合用范围、电功和电热的差别，要修业生娴熟掌握欧姆定律，电功率及焦耳定律的应用．因为电动机是非纯电阻元件，欧姆定律不再合用，电动机的输入功率P1＝UI，热功率

2P2＝IR，输出功率

P3＝mgv，P1＝P2＋P3，可解得：U＝IR＋

mgv，IEmgvE动机转轴被卡住时，电动机变为纯电阻元件，总电流I总＝R＋r，电流增大，故电源耗费的功率增大，所以选项B、C正确．如图6所示，电源电动势E＝30V，内阻r＝1Ω，灯泡上标有“6V12W”字样，直流电动机线圈电阻R＝2Ω，若灯泡恰巧能正常发光，求电动机输出的机械功率．图6答案36WP12分析因灯泡正常发光，所以I＝U＝6A＝2AU内＝Ir＝2×1V＝2V所以电动机两头电压为UM＝E－U内－U＝30V－2V－6V＝22V电动机输出的机械功率为P机＝

UMI

－I

2R＝22×2W－

22×2W＝

36W.12.如图

7所示的电路中，电炉电阻

R＝10

Ω，电动机线圈的电阻r＝1

Ω，电路两头电压

U＝100V，电流表的示数为

30A，问经过电动机的电流强度为多少？通电一分钟，电动机做的实用功为多少？图7答案20A9.6×104J分析题图中的两个支路分别为纯电阻电路(电炉)和非纯电阻电U路(电动机

)．在纯电阻电路中可运用欧姆定律

I＝R直接求出电流强度，而非纯电阻电路中的电流强度只好运用干路和支路中电流强度的关系求出．在非纯电阻电路中，电功大于电热，二者的差值才是实用功．U

100依据欧姆定律，经过电炉的电流强度为

I1＝R＝

10

A＝10A.依据并联电路中的干路电流和支路电流的关系，则经过电动机的电流强度为I2＝I－I1＝20A.电动机的总功率为P＝UI2＝100×20W＝2×103W.因发热而消耗的功率为2P′＝I2r＝400W.电动机的实用功率(机械功率)为P″＝P－P′＝1.6×103W，电动机通电1min做的实用功为W＝P″t＝1.6×103×60J＝9.6×104J.13．一台电电扇，内阻为20Ω，接上220V电压后，耗费功率66W．问：电电扇正常工作时经过电动机的电流是多少？电电扇正常工作时转变为机械能的功率是多少？转变为内能的功率是多少？电动机的效率是多少？假如接上电源后，电