1．電路中的能量轉化第十二章電能能量守恒定律整體感知·自我新知初探[學習任務]

1．理解電功、電功率和焦耳定律的概念，會運用其公式進行相關的計算。2．理清電功和電熱、電功率和熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。3．知道純電阻電路和非純電阻電路的特點和區(qū)別。4．從能量守恒的角度認識用電器能量的轉化問題。[問題初探]

問題1．電流做功的實質是什么？問題2．P＝UI與P＝I2R有何區(qū)別？問題3．電吹風工作時，將電能轉化為什么能？[提示]問題1．恒定電場對自由電荷的靜電力做正功，電勢能減小，其他形式的能增加。問題2．P＝UI指一切電流做功的功率，是總功率。P＝I2R專指電流發(fā)熱的功率，稱為熱功率。問題3．電吹風工作時，將電能轉化為內能和機械能。[自我感知]經過你認真的預習，結合你對本節(jié)課的理解和認識，請畫出本節(jié)課的知識邏輯體系。探究重構·關鍵能力達成1．電流做功的實質：導體中的恒定電場對自由電荷的________在做功。2．電功(1)定義：電流在一段電路中所做的功等于這段電路兩端的_______、電路中的_______、通電_______三者的乘積。(2)公式：W＝_____。(3)單位：國際單位是______，符號是___。知識點一電功和電功率靜電力電壓U電流I時間tUIt焦耳J

通電時間UI瓦特W如圖所示是三種發(fā)光原理不同的照明燈具，LED燈是直接把電轉化為光，熒光燈是電磁輻射后發(fā)光，白熾燈是由燈絲通電加熱發(fā)光。在同等亮度下，白熾燈消耗的電能是熒光燈的5倍，是LED燈的15倍。問題1．選用哪種照明燈具更加節(jié)能和環(huán)保，為什么？提示：正常工作時，亮度相同，但LED燈消耗的電能少，所以選用LED燈更加節(jié)能和環(huán)保。問題2．如果三種照明燈具的額定電壓相同，則這三種燈具在相同時間內電流所做的功之比為多少？提示：由題意可得W白∶W熒∶WLED＝15∶3∶1。問題3．電能轉化為其他形式的能是怎樣實現(xiàn)的？提示：電能轉化為其他形式的能是通過電流做功來實現(xiàn)的。1．對電功的理解(1)從力的角度看，電流做功的實質是靜電力對自由電荷做功。(2)從能的角度看，電流做功的過程是電能轉化為其他形式的能的過程，電功的大小量度了電能的減少量，標志著電能轉化為其他形式的能的多少。(3)電功W＝UIt＝qU和電功率P＝UI對任何電路都適用。2．串、并聯(lián)電路中的電功率

串聯(lián)電路并聯(lián)電路特點電流相同I1＝I2電壓相同U1＝U2電功率計算公式P＝I2R功率關系總功率P＝P1＋P2＋…＋PnP＝P1＋P2＋…＋Pn3．額定功率和實際功率(1)用電器正常工作時所消耗的電功率叫作額定功率。當實際電壓達到額定電壓時，實際功率等于額定功率。(2)為了用電器不被燒毀，實際功率不能大于額定功率。【典例1】(電功、電功率的概念)(多選)關于電功和電功率，下列說法正確的是(

)A．電流做功就是靜電力對電荷做功，從而把電能轉化為其他形式的能B．電功率越大，電流做功越多C．電功率越大，電流做功越快D．在相等時間內，額定功率越大的用電器，電流做功一定越多√√AC

[從電功的實質可知A正確；電功率是描述電流做功快慢的物理量，B錯誤，C正確；額定功率是用電器正常工作時的功率，而電流做功的多少由用電器的實際功率和做功所用時間共同決定，D錯誤。]【典例2】

(串、并聯(lián)電路的功率的計算)有額定電壓都是110V，額定功率PA＝100W、PB＝40W的電燈兩盞，若接在電壓是220V的電路上，兩盞電燈均能正常發(fā)光且電路中消耗功率最小的電路是(

)A

BC

D√[思路點撥]

(1)電路的總功率等于各用電器消耗的功率之和。(2)串聯(lián)電路中，功率與電阻成正比；并聯(lián)電路中，功率與電阻成反比。C

[若要兩燈均正常發(fā)光，即每盞燈的電壓均為110V，對A電路，因為RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110V，B燈將被燒壞；對B電路，由于RB>RA，A燈又并聯(lián)滑動變阻器，則RB>R并，UB＞U并，B燈將被燒壞；對C電路，RA可能等于B燈與變阻器并聯(lián)后的電阻，所以UA可能等于UB，等于110V，兩燈可能正常發(fā)光，且電路消耗總功率為200W；對D電路，滑動變阻器電阻可能等于兩燈并聯(lián)后的總電阻，可能有UA＝UB＝U并＝110V，兩燈可能正常發(fā)光，且電路中消耗總功率為280W。綜上可知，C正確。][鏈接教材]

如圖所示是教材中提供的電熱水器，若電熱水器的電阻為R，流過其電阻的電流為I，如何計算電熱水器產生的熱量？知識點二焦耳定律提示：根據(jù)Q＝I2Rt計算。1．內容：電流通過導體產生的熱量跟______________成正比，跟____________及__________成正比。2．表達式：Q＝________。3．熱功率電流的二次方導體的電阻通電時間I2Rt快慢發(fā)熱量如圖所示是生活中常用的電烙鐵和電熨斗。問題1．如圖所示的是電烙鐵和電熨斗，為什么這些用電器通電后會發(fā)熱呢？提示：電流通過用電器時因電流做功，將電能轉化為內能。問題2．電烙鐵通電后，電烙鐵的烙鐵頭熱得能把金屬熔化，而與電烙鐵相連的導線卻不怎么熱，為什么？提示：由Q＝I2Rt可知，電烙鐵的烙鐵頭電阻比導線的電阻大很多，因此相同時間內，Q烙鐵頭?Q導線。

(2)在非純電阻電路中①電功大于電熱，W＝Q＋W其他，電功只能用W＝UIt計算，電功率只能用P＝UI計算。②電熱只能用Q＝I2Rt計算，熱功率只能用P＝I2R計算。③歐姆定律不成立，由UIt>I2Rt得U>IR。

√√

【典例4】

(焦耳定律的應用)有兩個不同的電烙鐵，電阻不變，其中甲的規(guī)格為“220V

800W”，乙的規(guī)格為“220V

1600W”。當兩電烙鐵分別接通電源時，通過甲的電流為I1＝0.4A，通過乙的電流為I2＝0.2A，則甲工作t1＝10s，乙工作t2＝20s后釋放的熱能分別為多少？

[答案]

96.8J

24.2J1．電動機的作用：電動機從電源獲得能量，一部分轉化為________，還有一部分轉化為內能。2．能量轉化關系式：P電＝__________，其中P電＝____，P機為__________，P損＝P熱＝_____。3．正在充電的電池：電源的電能除了轉化為電池的________之外，還有一部分轉化為______。知識點三電路中的能量轉化機械能P機＋P損UI輸出功率I2R化學能內能如圖所示為一正常工作的電動機，其工作電壓為220V。問題1．電動機消耗的電能會全部轉化為線圈產生的內能嗎？提示：不會，只有一部分轉化為內能。

提示：不能。問題3．若電動機兩端電壓為U，內部線圈的電阻為r，流過電阻的電流為I，則電動機的輸出功率P機是多少？提示：P機＝UI－I2r。1．純電阻電路和非純電阻電路

純電阻電路非純電阻電路元件特點電路中只有電阻元件除含有電阻外還含有其他負載歐姆定律服從歐姆定律不服從歐姆定律能量轉化電流做功全部轉化為電熱電流做功除轉化為內能外還要轉化為其他形式的能元件舉例電阻、電爐、白熾燈等電動機、電解槽等

√

【典例6】

(電路中的能量轉化)如圖所示為直流電動機提升重物的裝置，電動機的內阻一定，閉合開關K，當把它接入電壓為U1＝0.2V的電路時，電動機不轉，測得此時流過電動機的電流是I1＝0.5A；當把電動機接入電壓為U2＝4.0V的電路中，電動機正常工作且電動機勻速提升重物，工作電流是I2＝1.0A，求：(1)電動機線圈的電阻r；(2)當U2＝4.0V時，電動機正常工作的輸出功率；(3)如果重物質量m＝1.0kg，當U2＝4.0V時電動機提升重物的速度大小。(g取10m/s2)

[答案]

(1)0.4Ω

(2)3.6W

(3)0.36m/s規(guī)律方法

電動機電路的分析與計算

√2．如圖所示是一提升重物用的直流電動機工作時的電路圖。電動機內阻r＝0.8Ω，電路中另一電阻R＝10Ω。直流電壓U＝160V，電壓表示數(shù)UV＝110V。(1)求通過電動機的電流。(2)求輸入電動機的電功率。(3)若電動機以v＝1m/s的速度勻速豎直向上提升重物，則該重物的質量為多少？(g取10m/s2)(4)在提升過程中電動機被卡住，求電動機消耗的功率。

[答案]

(1)5A

(2)550W

(3)53kg

(4)176W應用遷移·隨堂評估自測1．(多選)下列關于電功、電功率和焦耳定律的說法正確的是(

)A．電功率越大，電流做功越快，電路中產生的焦耳熱一定越多B．W＝UIt適用于任何電路，而W＝I2Rt只適用于純電阻電路C．在非純電阻電路中，UI＞I2RD．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路√243題號1√√

243題號12．一根電阻絲，通過2C的電荷量所消耗的電能是8J。若在相同的時間內通過4C的電荷量，該電阻絲上所加電壓和消耗的電能分別是(

)A．4V，16J B．8V，16JC．4V，32J D．8V，32J23題號14√23題號14

3．在如圖所示的電路中，有四盞燈，L1和L2都標有“220V

100W”字樣，L3和L4都標有“220V

40W”字樣，把電路接通后，最暗的是(

)A．L1 B．L2C．L3 D．L423題號41√

23題號414．(多選)如圖為手持電風扇，因其小巧便攜、可充電等特點深受人們的喜愛。某品牌手持風扇電阻為0.5Ω，正常工作時的電壓為3.7V、功率為4.44W。機內電池容量為1800mA·h。則(

)A．該風扇正常工作時的電流為7.4AB．該風扇正常工作時電動機的發(fā)熱功率為0.72WC．該風扇連續(xù)正常工作的時間為2.5hD．若風扇葉片卡住不動，則電動機的發(fā)熱功率可達27.38W243題號1√√

243題號1回歸本節(jié)知識，完成以下問題：1．如何從微觀角度理解“電能轉化為其他形式的能，是通過電流做功來實現(xiàn)的”？提示：當在一段導體兩端加上電壓后，這段導體內部產生電場，在靜電力作用下，自由電荷定向移動形成電流，靜電力對自由電荷做功，電荷的電勢能減少，減少的電勢能轉化為其他形式的能。2．電流的熱效應實質是什么？提示：電流的熱效應實質上是電能通過電流做功轉化為導體的內能。3．根據(jù)U＝IR和W＝UIt也可以得到Q＝I2Rt，是不是電流做了多少功，就產生多少的熱量呢？提示：不是，因為電流做功并不一定全部轉化為內能，有可能同時轉化為其他形式的能。閱讀材料·拓寬物理視野焦耳及焦耳定律焦耳(1818—1889)是英國人，1818年12月24日出生在曼徹斯特市一家啤酒廠主的家庭里，從小就跟著父親釀酒，沒有進過學校。然而焦耳天資聰明，喜歡讀書，常常一邊勞動一邊認字，自學到不少知識。后來，他幸運地認識了著名化學家道爾頓教授，便常常到他那里請教。從此，焦耳對自然科學，特別是實驗科學產生了濃厚的興趣。1841年，在焦耳23歲時，焦耳開始對通電導體放熱的問題進行了深入的研究。他把父親的一間房子改成了實驗室，一有空便鉆到實驗室里忙個不停。焦耳首先把電阻絲盤繞在玻璃管上，做成了1個電熱器。然后把電熱器放入1個玻璃瓶中，瓶中裝有已知質量的水。給電熱器通電并開始計時，用鳥的羽毛輕輕攪動水，使水溫度均勻。通過插在水中的溫度計可隨時觀察到水溫的變化，同時用電流計測出電流的大小。焦耳做了大量的實驗，精確地確定了電流產生的熱量跟電阻、電流大小和通電時間的定量關系：電流通過導體時產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。物理學把這個規(guī)律叫作焦耳定律。焦耳定律可以用能量轉化和守恒的觀點來解釋：電流通過導體時，電阻越大，電流越大，時間越長，電流做的功就越多，所產生的熱量就越多。在工農業(yè)生產和日常生活中，人們有時候要利用電流產生熱量。電烙鐵、電爐、電熨斗、電烤箱等設備，都是常見的電熱器，它們的設計都以焦耳定律作為理論依據(jù)。當然，電流產生的熱量也有不利的一面，例如通過電視機的電流比較大，機內元件發(fā)出的熱量就比較多，夏天收看電視節(jié)目時，如果開機時間過長又不注意通風，電視機容易因為過熱而損壞。問題試猜想電視機發(fā)熱的原因。提示：電視機內部元件有電阻。

題組一電功和電功率1．(多選)下列關于電功和電功率的說法正確的是(

)A．用電器的額定功率與用電器的實際電壓和實際電流有關B．電功是電能轉化為其他形式能的量度C．白熾燈正常工作時，實際功率等于額定功率D．電功率越小，則電流做功越少1題號23456789√10111213課時分層作業(yè)(十三)電路中的能量轉化√BC

[用電器的額定功率是它正常工作時的功率，其值是由用電器本身的結構決定的，與實際電流和實際電壓無關，A項錯誤，C項正確；功是能量轉化的量度，電功是量度電能轉化成其他形式能量的物理量，B項正確；電流做功的多少不僅與功率的大小有關，還與通電時間有關，D項錯誤。]1題號2345678910111213

√1題號2345678910111213√

1題號23456789101112133．把6個相同的電燈接成如圖甲、乙所示的兩電路，通過調節(jié)供電電壓與變阻器R1、R2的阻值，使兩組電燈均能正常發(fā)光，并且兩電路消耗的總電功率也相同，則R1、R2大小滿足(

)A．R2＝9R1B．R2＝6R1C．R2＝3R1D．R1＝R2√1題號2345678910111213A

[設每個燈泡正常發(fā)光時的電流為I，則題圖甲中總電流為3I，題圖乙中總電流為I；要使兩電路消耗的總電功率也相同，需使PR1＝PR2，即(3I)2R1＝I2R2，故R2＝9R1，所以選項A正確。]1題號2345678910111213

√1題號2345678910111213

1題號23456789101112135．在直流電路中，兩個電阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通過的電流之比I1∶I2＝2∶1，則在相等時間內兩個電阻產生的熱量之比Q1∶Q2為(

)A．1∶1

B．2∶1C．4∶1

D．8∶1√1題號2345678910111213

題組三電路中的能量轉化6．有三個用電器，分別為日光燈、電烙鐵和電風扇，它們的額定電壓和額定功率均為“220V

60W”。現(xiàn)讓它們在額定電壓下工作相同時間，產生的熱量(

)A．日光燈最多 B．電烙鐵最多C．電風扇最多 D．一樣多√1題號2345678910111213B

[電烙鐵是純電阻用電器，即以發(fā)熱為目的，電流通過它全部用來產生熱。而日光燈和電風扇是非純電阻用電器，電流通過它們時產生的熱量很少，電能主要轉化為其他形式的能(光能和葉片動能)。綜上所述，B正確。]1題號2345678910111213

√1題號2345678910111213

1題號23456789101112138．(多選)如圖所示，電阻R1＝20Ω，電動機的內阻R2＝10Ω。當開關斷開時，電流表的示數(shù)是0.5A，當開關合上后，電動機轉動起來，電路兩端的電壓不變，電流表的示數(shù)I和電路消耗的電功率P應是(

)A．I＝1.5A B．I＜1.5AC．P＝15W D．P＜15W√1題號2345678910111213√

1題號23456789101112139．為了生活方便，電熱水壺已進入千家萬戶，如果將一電熱水壺接在220V的電源兩端，經時間t0電熱水壺的開關自動切斷，假設熱量的損失不計、加熱絲的阻值不受溫度的影響。則(

)A．如果將電熱水壺接在110V的電源兩端，需經2t0的時間電熱水壺的開關自動切斷

B．如果將電熱水壺接在110V的電源兩端，需經16t0的時間電熱水壺的開關自動切斷1題號2345678910111213C．如果將電熱水壺接在55V的電源兩端，需經4t0的時間電熱水壺的開關自動切斷D．如果將電熱水壺接在55V的電源兩端，需經16t0的時間電熱水壺的開關自動切斷√1題號2345678910111213

1題號234567891011121310．某簡易電吹風簡化電路如圖所示，其主要部件為電動機M和電熱絲，部分技術參數(shù)如下表，電吹風在220V電壓下工作。下列說法正確的是(

)1題號2345678910111213A．開關S1、S2都閉合時電吹風吹冷風B．該電吹風中電動機的內電阻為440ΩC．吹熱風時電熱絲的功率為990WD．吹熱風時通過電熱絲的電流為4A1題號234567891011