【备课】高中物理教科2019版必修3：第二章8.焦耳定律电路中的能量转化学案

8.焦耳定律电路中的能量转化课标要求思维导图1.理解电功、电功率及焦耳定律．2．深入理解电功和电功率的概念；知道焦耳定律的物理意义；能从能量转化角度推导焦耳定律；关注焦耳定律在生产、生活中的应用．3．了解纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量转化；从能量转化和能量守恒的角度理解电功和电热的区别．必备知识·自主学习——突出基础性素养夯基一、电功电功率1．电功(1)实质：导体中的恒定电场对自由电荷的________所做的功．(2)公式：W＝________．(3)国际单位：________，符号为________．(4)意义：电功是________转化为其他形式的能的量度，即电功是多少就有多少________转化为其他形式的能．2．电功率(1)定义：电流所做的功W与做这些功所用时间t的比叫作电功率，数值上等于单位________内电流所做的功．(2)公式：P＝Wt(3)单位：________，符号：________，1W＝1J/s.(4)物理意义：表示电流做功的________．二、焦耳定律热功率1．焦耳定律(1)内容：电流通过电阻产生的热量Q跟________________成正比、跟导体的________成正比、跟________成正比．(2)表达式：Q＝________．(3)焦耳热：电流通过电阻而产生的热称为焦耳热．2．热功率(1)定义：电流通过电阻所产生的热量Q与产生这些热量所用时间t的比叫作热功率；数值上等于________内电流通过电阻所产生的热量．(2)表达式：P热＝________．(3)物理意义：表示电流________的物理量．(4)在非纯电阻电路(外电路消耗的电能没有全部转化为内能)中，电功率的公式为P电＝UI，热功率的公式仍然为P热＝________，此时P电大于P热．三、电路中的能量转化1．外电路的能量转化(1)外电路为纯电阻电路：P电＝________．(2)外电路为非纯电阻电路：P电＝________．2．闭合电路中的能量转化(1)表达式：IE＝IU＋I2r.(2)物理意义：电源把其他形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．(3)特例：当外电路短路时，路端电压U等于零，电源释放的能量全部转化为内电路的________，若电源内阻很小，则短路电流很大，可能造成电源损坏或引起火灾，故绝不可以让电源________．[导学1]纯电阻电路中只有电热产生，非纯电阻电路中既有电热又有其他形式的能产生．如白炽灯、电炉、电烙铁等只产生电热，而电解槽、电动机等消耗电能转化为化学能或机械能的同时，有热能产生．[提醒]电动机运转时，有机械能和热能产生，一旦转子被卡住，停止转动，电动机只有热能输出，此时发热功率很大，容易烧坏电动机，应立即断电．[导学2](1)计算电热时Q＝I2Rt在任何电路中均适用，但Q＝U2(2)计算电功时，W＝UIt适用于任何电路，但W＝U2Rt＝I关键能力·合作探究——突出综合性素养形成探究点一电功和电功率导学探究将额定电压均为1.5V，额定功率分别为0.3W和0.5W的小灯泡A、B串联起来接在电压为U的电源上，两灯泡均发光．(1)A、B两灯泡的电压能否同时达到额定电压？(2)A、B两灯泡中，哪个灯泡更亮一些？归纳总结1.对电功的理解(1)从力的角度看，电流做功的实质是静电力对自由电荷做功．(2)从能的角度看，电流做功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．(3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用．2．对电功率的理解(1)电功率P＝Wt＝UI(2)额定功率和实际功率①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率．②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率．典例示范例1如图所示，把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中，甲电路两端的电压为8V，乙电路两端的电压为16V．调节变阻器R1和R2使两灯都正常发光，此时变阻器消耗的功率分别为P1和P2，两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，则下列关系中正确的是()A．P甲<P乙B．P甲>P乙C．P1>P2D．P1＝P2素养训练1重庆市正将主干道上的部分高压钠灯换成LED灯，已知高压钠灯功率为400W，LED灯功率为180W，若更换4000盏，则一个月(取30天，每天约10h)可节约的电能约为()A．9×102kW·hB．3×105kW·hC．6×108kW·hD．1×1011kW·h素养训练2一根电阻丝，在通过2C的电荷量时电功为8J，若在相同的时间内通过4C的电荷量，求此时电阻丝上的电流做的功和所加的电压分别是多少．探究点二焦耳定律的理解及应用导学探究如图所示，电压U恒为12V，灯泡L上标有“6V12W”，电动机线圈的电阻RM＝0.50Ω.(1)灯泡L上流过的电流是否可以用IL＝UR(2)若灯泡恰好正常发光，则电动机消耗的功率和发热功率各多大？归纳总结1.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内能．(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，电流做的功除了将电能转化为内能外，还转化为机械能或化学能．2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较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W＝Q即IUt＝I2Rt＝U2W＝Q＋E其他即UIt＝I2Rt＋E其他电功率和热功率的关系P＝P热即IU＝I2R＝UP＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他欧姆定律是否成立U＝IR，I＝URU>IR，I<UR3.电动机的功率和效率(1)电动机的输入功率指电动机消耗的总功率，P入＝UI.(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2r.(3)电动机的输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，P出＝IU－I2r.(4)电动机的效率：η＝P出P入典例示范例2有一个直流电动机，把它接入0.2V电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是0.4A；若把它接入2V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1A.(1)求电动机正常工作时的输出功率．(2)如在正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率为多大？素养训练3(多选)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，现将它们串联到电路中，结果电动机不转而电炉都能正常工作，那么在相同时间内()A．电炉放热与电动机放热相等B．电炉两端电压小于电动机两端电压C．电炉两端电压等于电动机两端电压D．电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率素养训练4两个电阻R1＝8Ω、R2＝2Ω，并联在电路中．要使这两个电阻消耗的电功率相等，可行的办法是()A．用一个阻值为2Ω的电阻与R2串联B．用一个阻值为6Ω的电阻与R2串联C．用一个阻值为6Ω的电阻与R1串联D．用一个阻值为2Ω的电阻与R1串联随堂演练·自主检测——突出创新性素养达标1．近年来，电动汽车以车载电源为动力，因对环境的污染小，节约能源深受大众青睐．某品牌的一款电动汽车的车载电源额定输出电压为360V，电池容量为213A·h.该款汽车现以额定输出电压在平直公路上匀速行驶，速度大小为100km/h，此时电源的输出功率为18kW.若不考虑各种能量的转化效率，下列说法正确的是()A．电源的电动势一定为360VB．干路电流为5AC．电动汽车所受阻力为180ND．充满电的该款汽车在这种情况下，最多可以行驶426km2．为了使电炉消耗的功率减小到原来的一半，可行的办法是()A．使通过它的电流减半B．使两端的电压减半C．使电炉的电阻减半D．使它两端的电压和电阻均减半3．一标有“12V12W”的电动机正常工作，已知其线圈电阻为2Ω，则正常工作1分钟产生的焦耳热为()A．720JB．144JC．120JD．4320J4．两根相同材料做成的导体，若它们的横截面积之比为2∶1，长度之比为4∶1，则将它们串联起来通以相同的电流，在相同的时间内，它们产生的热量之比为()A．2∶1B．4∶1C．1∶2D．1∶45.如图，电动机M与灯泡L串联在电路中，M的线圈电阻为2Ω，电源的电动势为16V、内阻为1Ω，灯泡电阻为5Ω.闭合开关S后，M正常运转，M线圈上产生的热功率为2W，V为理想电压表，则()A．电压表示数为2VB．电动机的输出功率为8WC．电源的输出功率为16WD．电源的效率为87.5%8．焦耳定律电路中的能量转化必备知识·自主学习一、1．(1)静电力(2)UIt(3)焦耳J(4)电能电能2．(1)时间(2)UI(3)瓦特W(4)快慢二、1．(1)电流I的二次方电阻R通电时间t(2)I2Rt2．(1)单位时间(2)I2R(3)发热快慢(4)I2R三、1．(1)P热(2)P热＋P其他2．(3)内能短路关键能力·合作探究探究点一【导学探究】提示：(1)不能．(2)由R＝U2P可知，RA>RB，两灯泡串联时，由P＝I2R可知，PA>P【典例示范】例1解析：由灯都正常发光可知，R1中电流是R2中电流的二倍，R1两端电压是R2两端电压的二分之一，两变阻器消耗的功率相等，两电路中消耗的总功率相等，选项D正确，A、B、C错误．答案：D素养训练1解析：一个月可节约的电能为ΔW＝ΔPt＝(400－180)×4000×10×30W·h≈3×105kW·h，B正确．答案：B素养训练2解析：设电阻丝的电阻为R，据W＝UIt＝Uq得U1＝4V，在相同时间内通过的电荷量变为原来的2倍．据I＝qt知：I2＝2I又据欧姆定律I＝UR得U2＝2U1电流的功W2＝U2I2t＝4W1＝32J.答案：32J8V探究点二【导学探究】提示：(1)不可以，因为有电动机工作的电路不是纯电阻的电路．(2)P＝IMUM＝PLUL(U－P热＝IM2RM＝PLU【典例示范】例2解析：(1)电动机不转时，说明电动机无机械能输出，它消耗的电能完全转化为热能，此时电动机可看成纯电阻，则r＝U1当所加电压为2V、电流为1A时，电动机正常工作，有机械能输出，此时电动机为非纯电阻电路，消耗的电能等于转化的机械能和热能之和．转化的热功率为P热＝I22总功率P总＝U2I2＝2W，则输出功率P出＝P总－P热＝1.5W.(2)若在电动机正常工作时被卡住，电动机无机械能输出，看作纯电阻电路，此时的电热功率为：P′热＝U22r答案：(1)1.5W(2)8W素养训练3解析：电炉电路和电动机电路焦耳定律都适用．根据焦耳定律Q＝I2rt，电炉和电动机的电阻相同，电流相同，则在相同的时间内电炉和电动机产生的电热相等，故A正确；因电动机不转，视为纯电阻，欧姆定律同样适用，故由U＝IR可知，电炉两端电压等于电动机两端电压，故B错误，C正确；由以上分析可知，电动机和电炉两端电压相等，电流相等，则由P＝UI可知，电动机消耗的功率等于电炉消耗的功率，故D错误．答案：AC素养训练4解析：两个电阻并联，由P＝U2R可知P1∶P2＝R2∶R1＝1∶4，要使这两个电阻消耗的电功率相等，应使P2减小为原来的14；只要使R2两端的电压减半(R2不变)，电功率就可以减小为原来的14，所以串联一个等值电阻(2Ω)即可．若电阻与R1答案：A随堂演练·自主检测1．解析：根据闭合电路欧姆定律可知电源电动势等于输出电压和内电压之和，所以电源的电动势一定大于360V，故A错误；干路电流为I＝PU＝50A，B错误；当汽车匀速行驶时，阻力与牵引力大小相等，则f＝Pv＝648N，C错误．充满电的该款汽车在这种情况下，最多可以行驶的时间为t＝qI＝4.26h，最多可以行驶的距离为s答案：D2．解析：根据发热功率P热＝I2R，当电流减半时，发热功率减小为14，电炉是纯电阻电路，电功率等于发热功率，故A错误；根据欧姆定律I＝UR，电压减小为一半，电流减小为一半，根据电功率表达式P＝UI，电功率减小为14，故B错误；电炉的电阻减半而电压不变，根据欧姆定律I＝UR，电流增加为2倍，根据电功率表达式P＝UI，电功率增加为2倍，故C错误；电压和电阻均减半，根据欧姆定律I＝UR，电流不变，根据电功率表达式P答案：D3．解析：由题意可知电动机正常