第十二章 电能 能量守恒定律知识点 学案 -高中物理人教版（2019）必修第三册

《电能能量守恒定律》知识点电路中的能量转化一、电功和电功率1．电功和电功率：W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路．2．电热和热功率：Q＝I2Rt是电热的计算式，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率．三、电路中的能量转化1．纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为内能．2．非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能．3．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路举例白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅电动机、电解槽能量转化情况电功和电热的关系W＝Q即IUt＝I2RtW＝Q＋E其他UIt＝I2Rt＋E其他电功率和热功率的关系P＝P热即IU＝I2RP＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他欧姆定律是否成立U＝IR，I＝eq\f(U,R)成立U＞IR，I＜eq\f(U,R)不成立说明W＝UIt、P电＝UI适用于任何电路计算电功和电功率．Q＝I2Rt、P热＝I2R适用于任意电路计算电热和热功率．只有纯电阻电路满足W＝Q，P电＝P热；非纯电阻电路W>Q，P电>P热注意：解决电动机问题的一般方法(1)电动机两端的电压UM、通过的电流IM的求解是关键，但由于不是纯电阻电路不满足欧姆定律，UM、IM都是利用电路规律间接求解的．(2)对电动机，求电功率P电＝IMUM，求热功率P热＝Ieq\o\al(2,M)r，求输出机械功率P出＝P电－P热．(3)求电动机输出的机械功率还可用P出＝F牵v.第二节闭合电路的欧姆定律一、电动势1．闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路．2．电源(1)作用：把正电荷从负极搬运到正极的过程中，非静电力做功，使电荷的电势能增加．(2)概念：电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置．3．电动势(1)物理意义：表征电源把其他形式的能转化为电势能本领大小的物理量．(2)定义：非静电力所做的功与所移动的电荷量之比叫作电动势，用E表示，即E＝eq\f(W,q)．非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多，则电动势越大．(3)单位：与电势、电势差的单位相同，为伏特．(4)大小的决定因素：由电源中非静电力的特性决定，跟外电路无关，对于常用的干电池来说，跟电池的体积无关．注意:公式E＝eq\f(W,q)是电动势的定义式而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的，不同种类的电源电动势大小不同．二、闭合电路欧姆定律及其能量分析1．闭合电路的组成及电势变化(1)内电路：如图所示，电源内部的电路叫内电路，电源的电阻叫内电阻．内电路中电流由电源负极流向正极，沿电流方向电势升高．(2)外电路：电源外部的电路叫外电路，外电路的电阻称为外电阻，在外电路中电流由电源正极流向负极，沿电流方向电势降低．2．闭合电路的欧姆定律(1)内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比．(2)表达式：I＝eq\f(E,R＋r).(3)表达式也可以写为：E＝U外＋U内，即电源的电动势等于内、外电路电势降落之和．注意：闭合电路欧姆定律的几种表达形式(1)I＝eq\f(E,R＋r)、E＝IR＋Ir只适用于外电阻为纯电阻的闭合电路．(2)U外＝E－Ir，E＝U外＋U内适用于任意闭合电路．三、路端电压与负载的关系1．路端电压的表达式：U＝E－Ir．电源的U－I图像：如图所示是一条倾斜的直线，图像中纵轴截距表示电源电动势E，横轴截距等于短路电流I0(纵、横坐标都从零开始)，斜率的绝对值表示电源的内阻．2．路端电压随外电阻(纯电阻)的变化规律(1)当外电阻R减小时，由I＝eq\f(E,R＋r)可知电流I增大，路端电压U＝E－Ir减小．(2)当外电阻R增大时，由I＝eq\f(E,R＋r)可知电流I减小，路端电压U＝E－Ir增大．(3)两种特殊情况①断路：当外电路断开时，电流I为0，U＝E．即断路时的路端电压等于电源电动势．②短路：当电源两端短路时，外电阻R＝0，此时I＝eq\f(E,r).补充:闭合电路欧姆定律的应用类型一闭合电路的动态分析问题分析方法：局部→整体→局部①分析电路，明确各部分电路的串、并联关系及电流表或电压表的测量对象；②由局部电阻变化判断总电阻的变化；③由I＝eq\f(E,R＋r)判断总电流的变化；④据U＝E－Ir判断路端电压的变化；⑤由欧姆定律及串、并联的规律判断各部分电路电压及电流的变化．类型二闭合电路的功率和效率1．电源的总功率P总＝EI；电源内耗功率P内＝U内I＝I2r；电源输出功率P出＝U外I.2.对于纯电阻电路，电源的输出功率P出＝I2R＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(E,R＋r)))eq\s\up12(2)R＝eq\f(E2,\f(（R－r）2,R)＋4r)，当R＝r时，电源的输出功率最大，其最大输出功率为P＝eq\f(E2,4r).电源输出功率随外电阻的变化曲线如图所示．3．电源的效率：指电源的输出功率与电源的总功率之比，即η＝eq\f(P出,P总)＝eq\f(IU,IE)＝eq\f(U,E).对于纯电阻电路，电源的效率η＝eq\f(I2R,I2（R＋r）)＝eq\f(R,R＋r)＝eq\f(1,1＋\f(r,R))，所以当R增大时，效率η提高．当R＝r(电源有最大输出功率)时，效率仅为50%，效率并不高．类型三含容电路的分析与计算1．首先确定电路的连接关系及电容器和哪部分电路并联．电路稳定后，电容器所在支路无电流通过，所以在此支路中的电阻上无电压，因此电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压．2．当电容器和电阻并联后接入电路时，电容器两极板间的电压与其并联电阻两端的电压相等．根据欧姆定律求并联部分的电压即为电容器两极板间的电压．3．电路的电流、电压变化时，将会引起电容器的充、放电．如果电容器两端电压升高，电容器将充电；如果电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电．根据公式Q＝CU或ΔQ＝CΔU，求电荷量及其变化量．第三节实验：电池电动势和内阻的测量一、实验原理1．原理图如图所示．2．原理：通过改变滑动变阻器的阻值，用电压表和电流表测出每种状态(最少两种)下的U、I值，列出两个方程，即可求出电动势E和内阻r.即eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋I1r,E＝U2＋I2r))联立求解可得eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝\f(I2U1－I1U2,I2－I1),r＝\f(U1－U2,I2－I1)))三、实验器材被测电池(干电池)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关和导线等．四、实验步骤1．确定电流表、电压表的量程，按电路原理图把器材连接好，如图所示．2．把变阻器的滑片移到一端使阻值最大．3．闭合开关，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组电流表和电压表的示数，用同样的方法测量并记录几组I和U的值．4．断开开关，整理好器材．五、数据处理1．代数法：运用方程组eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋I1r,E＝U2＋I2r))求解E和r.为了减小实验的偶然误差，应该利用U、I值多求几组E和r的值，算出它们的平均值．2．图像法：对于E、r一定的电源，路端电压U与通过干路的电流I的U－I图像是一条直线，这条直线与纵轴U的交点表示电源的电动势E，与横轴I的交点表示短路电流，图线斜率的绝对值表示电源的内阻r.在读图时应注意图像的纵坐标是否是从零开始的，若从零开始，如图甲所示，则r＝eq\f(E,I0)，若不是从零开始，如图乙所示，则r＝eq\f(E－U1,I1).六、注意事项1．为使电池的路端电压有明显变化，应选取内阻较大的旧干电池和内阻较大的电压表．2．实验中不能将电流调得过大，且读数要快，读完后立即切断电源，防止干电池大电流放电时内阻r的明显变化．3．若干电池的路端电压变化不很明显，作图像时，纵轴单位可取得小一些，且纵轴起点可不从零开始．如图所示，此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E，但图线与横轴交点不再是短路电流，内阻要在直线上取较远的两点用r＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))求出．4．为了提高测量的精确度，在实验中I、U的变化范围要大一些，计算E、r时，U1和U2、I1和I2的差值要大一些．七、误差分析1．偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作U－I图像时描点不很准确．2．系统误差(1)电流表内接时电路如图甲所示，产生实验误差的原因是电压表的分流，测量值与真实值的关系为：E测<E真；r测<r真．(2)电流表外接时电路如图乙所示，产生实验误差的原因是电流表的分压，测量值与真实值的关系为：E测＝E真；r测>r真．八、实验创新(测电源E、r的其他方案)创新方案一：伏阻法测电动势和内阻1．电路图：如图所示．2．实验原理：E＝U＋eq\f(U,R)r3．数据处理(1)计算法：由eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝U1＋\f(U1,R1)r,E＝U2＋\f(U2,R2)r))解方程组可求得E和r.(2)图像法：由E＝U＋eq\f(U,R)r得：eq\f(1,U)＝eq\f(1,E)＋eq\f(r,E)·eq\f(1,R).故eq\f(1,U)－eq\f(1,R)图像的斜率k＝eq\f(r,E)，纵轴截距为eq\f(1,E)，如图．由图像的斜率和截距求解．创新方案二：安阻法测电动势和内阻1．电路图：如图所示．2．实验原理：E＝IR＋Ir.3．数据处理(1)计算法：由eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(E＝I1R1＋I1r,E＝I2R2＋I2r))解方程组求得E、r.(2)图像法：由E＝I(R＋r)得：eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)R＋eq\f(r,E)eq\f(1,I)－R图像的斜率k＝eq\f(1,E)，纵轴截距为eq\f(r,E)(如图甲)又R＝E·eq\f(1,I)－rR－eq\f(1,I)图像的斜率k＝E，纵轴截距为－r(如图乙)．由图像的斜率和截距求解．第四节能源与可持续发展一、能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式