1、1电路中的能量转化 第十二章 电能 能量守恒定律 核心素养明目标 核心素养学习目标 物理观念(1)理解电功、电功率和焦耳定律的概念。(2)理解电功和电热的区别和联系。科学思维(1)通过推导电功公式和焦耳定律，能用焦耳定律解释生活中的相关现象。(2)通过实例分析，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功实现的。核心素养学习目标 科学探究从能量转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，加深对功与能量转化关系的认识。科学态度与责任联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。自主预习探新知 NO.1知识点一 知识点二 知识点三 知识点一 电功和电功率
2、1电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的_做功。2电功(1)定义：电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的_、电路中的_、通电_三者的乘积。(2)公式：W_。(3)单位：国际单位是_，符号是_。静电力电压U电流I时间tUIt焦耳J 3电功率(1)定义：电流在一段电路中所做的功与_之比。(2)公式：PWt _。(3)单位：国际单位是_，符号是_。通电时间UI瓦特W 对于纯电阻电路，由欧姆定律 IUR可得(1)WUItI2RtU2R t。(2)PUII2RU2R。1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)电功与电能不同，电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。()(2)电
3、功率越大，表示电流做功越多。()(3)三个公式 PUI、PI2R、PU2R 没有任何区别，它们表达相同的意义，所示 P 即是电功率。()知识点二 焦耳定律 1内容：电流通过导体产生的热量跟_成正比，跟_及_成正比。2表达式：Q_。电流的二次方导体的电阻通电时间I2Rt3热功率发热量快慢Qt在任何电路中，总有(1)WQ(2)IUI2R 只有在纯电阻电路中，(1)电能全部转化为电热，即 QW(2)电功率等于热功率 IUI2R。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多。()(2)WUItI2RtU2R t，对任何电路都适用。()(3)UIR
4、 对于纯电阻电路和非纯电阻电路都适用。()(4)QI2Rt 适用于任何电路。()知识点三 电路中的能量转化 1电动机的作用：电动机从电源获得能量，一部分转化为_，还有一部分转化为内能。2能量转化关系式：P电_，其中 P电_、P机为_，P 损P 热_。3正在充电的电池：电源的电能除了转化为电池的_之外，还有一部分转化为_。机械能P机P损UI输出功率I2R化学能内能3：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)非纯电阻用电器两端所加电压 U1 与其内阻分得电压 U2 相等。()(2)电动机消耗了电能，一部分转化为机械能，一部分转化为电热。()合作探究提素养 NO.2考点1 考点2 考点3 考点
5、1 电功和电功率 千瓦时是电功的单位还是电功率的单位？电能表是测量电路中消耗的电功率还是电功？提示：千瓦时是电功的单位；电能表是测量电路中消耗的电功。1串联电路功率关系(1)各部分电路电流 I 相同，根据 PI2R，各电阻上的电功率与电阻成正比。(2)总功率 P 总UI(U1U2Un)IP1P2Pn。2并联电路功率关系(1)各支路电压相同，根据 PU2R，各支路电阻上的电功率与电阻成反比。(2)总功率 P 总UIU(I1I2In)P1P2Pn。3结论 无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。【典例 1】有额定电压都是 110 V，额定功率 PA100 W，PB4
6、0 W 的电灯两盏，若接在电压是 220 V 的电路上，两盏电灯均能正常发光，那么电路中消耗功率最小的电路是()A BC D 思路点拨：(1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和。(2)串联电路中，功率与电阻成正比；并联电路中，功率与电阻成反比。C 若要两灯均正常发光，亦即每灯的电压均为 110 V，对 A 电路，因为 RARB，所以 UAUB，即 UB110 V，B 灯将被烧坏；对B 电路，UBU 并，B 灯将被烧坏；对 C 电路，RA 可能等于 B 灯与变阻器并联后的电阻，所以 UA 可能等于 UB，等于 110 V，两灯可能正常发光，且电路消耗总功率为 200 W；对 D 电路，变阻器
7、电阻可能等于两灯并联后总电阻，可能有 UAUBU 并110 V，两灯可能正常发光，且电路中消耗总功率为 280 W。综上可知，C 正确。电功率与电阻的关系(1)在串联电路中电流处处相同，由 PI2R 可知，电功率与电阻成正比。(2)在并联电路中电路两端的电压相同，由 PU2R 可知电功率与电阻成反比。跟进训练 1有两盏电灯 L1 和 L2，用图中所示的两种方式连接到电路中，已知电压 U 相同，且两盏电灯均能发光，比较在甲、乙两个电路中电灯 L1 的亮度，则()甲 乙 A甲图电路中灯 L1 比乙图电路中灯 L1 亮 B乙图电路中灯 L1 比甲图电路中灯 L1 亮 C两个电路中灯 L1 一样亮 D
8、不知它们的额定电压和额定功率，无法判断 B 因为电压 U 相同，两盏电灯串联后，L1 两端电压小于 U；两盏电灯并联后，加在电灯两端的电压都为 U，因此并联后的灯泡较亮，选项 B 正确。考点 2 焦耳定律与热功率 如图所示为常用的家庭用电器，当给图中的用电器通电时，用电器的表面会发热，这是为什么呢？提示：给图中的用电器通电后，有电流流过用电器，电流做功产生热量，导致用电器表面温度升高。对公式 PUI 和 PI2R 的理解 1PUI 和 PI2R 两式都是电流做功的功率表达式，但两式中“P”的含义是不同的。PUI 是在一般情况下推导的，没有对电路的性质做任何限制，所以 PUI 中的“P”指电流做
9、功的功率。PI2R 中的“P”专指发热的功率。2PI2R 计算的结果只是电能转化为内能的那部分功率，要计算电流做功的总功率，只能利用 PUI。在任何电路中，始终有电功率大于或等于热功率，即 UII2R，只有在纯电阻电路中，才有 I2RUIU2R。【典例 2】(2021鞍山一中月考)某种热水器工作时有两种状态：一种是水烧开以前的加热状态，另一种是水烧开后的保温状态。如图所示是该热水器的电路图，R1 是一个电阻，R2 是加热用的电阻丝，保温状态时，R1、R2 产生的热量均用以保温。(1)自动开关 S 闭合和断开时，该热水器分别处于哪种状态？通过计算加以说明；(2)现在分别用加热状态和保温状态烧开相
10、等质量的水，要使保温状态下所用时间是加热状态下的 3 倍，R1R2 应该是多少？(不考虑能量损失)解析(1)自动开关 S 闭合时，只有 R2 接入电路，该热水器的热功率为 P1U2R2 自动开关 S 断开时，R1 和 R2 串联后接入电路，该热水器的热功率为 P2U2R1R2 显然 P1P2，所以自动开关 S 闭合时该热水器处于加热状态，断开时处于保温状态。(2)烧开相等质量的水所需要的热量 Q 相同，应用焦耳定律 QI2Rt 和 PI2R 可知 QPt，有 QP1t1，QP2t2。根据题意，有 3t1t2。联立解得 R1R221。答案(1)见解析(2)21 跟进训练 2若通过电阻 R 的电流
11、为 I 时，在 t 时间内产生的热量为 Q，则通过电阻 R 的电流为 2I 时，在t2时间内产生的热量为()A4Q B2Q CQ2 DQ4 B 由题意知，QI2Rt。若通过电阻 R 的电流为 2I 时，则根据焦耳定律可知在t2时间内产生的热量为 Q(2I)2R t22I2Rt2Q，故B 正确，A、C、D 错误。考点 3 纯电阻电路和非纯电阻电路 如图是某款能一键自动上水的全自动智能电热壶，当壶内水位过低时能自动加满水，当壶内加热后的水变凉时能自动加热使水再次达到设定温度。某同学为了研究其工作原理，经进一步查阅厂家相关技术说明了解到：“一键加水”是由一水泵(电动机)和传感器来实现的，单独对电动机
12、进行测试时发现，当其两端所加电压 U110 V 时，电动机带不动负载，因此不转动，此时通过它的电流 I12 A；当其两端所加电压U236 V 时(通过变压器实现)，电动机能带动负载正常运转，这时电流I21 A。怎样求解电动机正常工作时的输出功率？产品型号：MD-0625额定电压：220 V频率：50 Hz额定功率：1 500 W容量：1.5 L 提示：当电压为 U110 V，电动机内阻 rU1I1 102 5 当电压为 U236 V 时，P 出P 总P 热U2I2I22r31 W。1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 元件特点只有电阻元件除电阻元件外还包括能把电能转化为除内
13、能外其他形式的能的用电器 欧姆定律是否适用适用，IUR不适用，UIR 或 IUR 纯电阻电路非纯电阻电路 能量转化电流做的功全部转化为电热电流做的功除转化为电热外还要转化为其他形式的能 元件举例电阻、电热器等电动机、电解槽等 纯电阻电路非纯电阻电路 功能关系直观图WQWQQWE 其他WQE 其他Q纯电阻电路非纯电阻电路 适用公式电功 WUItI2RtU2R t电热 QI2RtUItU2R t电功率 PUII2RU2R热功率 P 热I2RUIU2R电功 WUIt电热 QI2Rt电功率 PUI热功率 P 热I2R2含电动机的电路分析(1)若只考虑线圈发热产生的能量损失，则当电动机正常工作时，电能转
14、化为机械能和内能，此时电路为非纯电阻电路。要区分电动机的总功率、输出功率和热功率，可以从能量守恒的角度入手，将电动机等效为一个阻值等于其内阻 rD 和一个无电阻的转动线圈 D 串联而成的电阻(如图所示)，电阻将电能转化为内能，而线圈将电能转化为机械能。(2)当电动机因故障或其他原因不转动时，电能全部转化为内能，此时电动机相当于一个纯电阻，阻值大小就等于其内阻。【典例 3】如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图。电动机内阻 r0.8，电路中另一电阻 R10。直流电压 U160 V，电压表示数 UV110 V。(1)求通过电动机的电流；(2)求输入电动机的电功率；(3)若电动机以 v1
15、m/s 的速度匀速竖直向上提升重物，则该重物的质量为多少？(g 取 10 m/s2)思路点拨 电动机是非纯电阻元件，其电流和电压只能根据串、并联规律间接求解(串联电路中的电流相等，并联电路中各支路两端电压相等)，电动机转化为机械能的功率 P 机UII2r，电动机对外做功的功率也可以根据 P 机F 牵v 求解。解析(1)由电路中的电压关系可得电阻 R 两端的电压 URUUV(160110)V50 V 流过电阻 R 的电流 IRURR 5010 A5 A 即通过电动机的电流 IMIR5 A。(2)电动机两端的电压 UMUV110 V 输入电动机的功率 P 电IMUM550 W。(3)电动机的发热功
16、率 P 热I2Mr20 W 电动机输出的机械功率 P 机P 电P 热530 W 又 P 机mgv，所以 mP机gv53 kg。答案(1)5 A(2)550 W(3)53 kg 分析涉及电动机的功率问题的注意点(1)电动机两端的电压 UM、通过电动机的电流 IM 的求解是解题关键，但由于电动机不是纯电阻元件，不满足欧姆定律，所以 UM、IM 都是利用电路规律及能量守恒定律间接求解的。(2)对非纯电阻元件，如电动机，求电功率用 P电IMUM，求热功率用 P 热I2Mr，求输出的机械功率用 P 机P 电P 热。(3)电动机输出的机械功率还可用 P 机F 牵v 求解。跟进训练 3如图所示为电动机提升重
17、物的装置示意图，电动机线圈电阻r1，电动机两端电压为 5 V，电路中的电流为 1 A，物体的重力为 20 N，不计摩擦力，物体匀速上升，则()A电动机的机械功率为 5 W B电动机的电功率为 1 W C物体匀速上升时的速率为 0.2 m/s D电动机的热功率为 4 W C 电动机的热功率 P 热I2r1 W，电动机消耗的总功率 PUI5 W，电动机的机械功率 P 出PP 热4 W，A、B、D 错误；电动机的机械功率等于绳子拉力的功率，当物体匀速上升时，有 P 出FTvmgv，则物体匀速上升时的速率 vP出mg 420 m/s0.2 m/s，C 正确。当堂达标夯基础 NO.31 2 3 4 1下
18、列关于电功、电功率和焦耳定律的说法错误的是()A电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多 BWUIt 适用于任何电路，而 WI2RtU2R t 只适用于纯电阻电路 C在非纯电阻电路中，UII2R D焦耳热 QI2Rt 适用于任何电路 5 1 2 3 4 A 电功率公式为 PWt，功率越大，表示电流做功越快。对于一段电路，有 PIU，IPU，焦耳热 QPU2Rt，可见 Q 与 P、U、t都有关。所以，P 越大，Q 不一定越大，A 错误；WUIt 是电功的定义式，适用于任何电路，而 WI2RtU2R t 只适用于纯电阻电路，B 正确；在非纯电阻电路中，电流做的功焦耳热其他形式的能，所以
19、 WQ，即 UII2R，C 正确；QI2Rt 是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热，D 正确。A 符合题意。5 1 2 3 4 2(2021广东联考联盟期末)由若干个 LED 灯组成的 LED 屏幕如图所示，每只 LED 灯在不同的电压下能发出不同颜色的光。当电压为 3.2 V 时，LED 灯会发出蓝光，发光时的工作电流约为 20 mA。若这块屏幕共有约 10 000 个 LED 灯，则整体发蓝光时这块屏幕消耗的功率约为()A6.4 W B64 W C320 W D640 W 5 1 2 3 4 D LED 灯发蓝光时的工作电流 I20 mA0.02 A，当所有的LED 灯均发蓝光时
20、，屏幕消耗的功率 PnUI10 0003.20.02 W640 W，选项 D 正确。5 1 2 3 4 3(2021广东佛山期末)如图所示，某型号无人机的飞行器由四个多旋翼电机并联组成，设每个电机内阻均为 r，正常工作时工作电流为 I，电压为 U，以下关于飞行器的输出功率正确的是()A4UIB4U2r C4I2rD4UI4I2r 5 1 2 3 4 D 无人机的飞行器正常工作时，其电路是非纯电阻电路，正常工作时工作电流为I，电压为U，所以飞行器消耗的总功率 P4 UI，每个电机内阻为 r，所以热功率 P 热4I2r，则飞行器的输出功率 P 出4UI4I2r，选项 D 正确。5 1 2 3 4
21、4如图所示，一幢居民楼里住着生活水平各不相同的 24 户居民，所以整幢居民楼里有各种不同的电器，例如电炉、电视机、微波炉、电脑等。停电时，用欧姆表测得 A、B 间电阻为 R；供电后，各家电器同时使用，测得 A、B 间电压为 U，进线电流为 I，则计算该幢居民楼用电的总功率可以用的公式是()API2R BPU2R CPIUDPI2RU2R 5 1 2 3 4 C 家用电器中有纯电阻元件也有非纯电阻元件，故总电功率只能用 PUI 来计算，C 正确。5 1 2 3 4 5 5情境：扫地机器人是智能家用电器的一种，正逐渐进入我们的生活，如图所示是一款集自动清扫技术和人工智能设计于一体的地面清扫机器人，
22、已知其质量为 3 kg，它与地面的有效接触面积为0.01 m2。1 2 3 4 5 问题：若该机器人工作时功率为 75 W，在 10 s 内沿直线匀速清扫的距离为 5 m。(g 取 10 m/s2)扫地机器人在工作时，将什么能转化为什么能？机器人做的功是多少？解析 扫地机器人在工作时，将电能转化为机械能。机器人在 10 s 内所做的功：WPt75 W10 s750 J。答案 见解析 回归本节知识，自我完成以下问题：1如何从微观角度理解“电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的”？提示：当在一段导体两端加上电压后，这段导体内部产生电场，在静电力作用下，自由电荷做定向移动形成电流，静电力对自由电荷做功，电荷的电势能减少，减少的电势能转化为其他形式的能。2电流的热效应实质是什么？提示：电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为导体的内能。3根据 UIR 和 WUIt，也可以得到 QI2Rt，是不是电流做了多少功，就产生多少的热量呢？提示：不是，因为电流做功并不一定全部转化为内能，有可能同时转化为其他形式的能。点击右图进入 课 后 素 养 落 实 谢谢观看 THANK YOU!