1、1电路中的能量转化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。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。知识点一电功和电功率1电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。2电功(1)定义：电流在一段电路中所做的功，等于这段电
2、路两端的电压U、电路中的电流I、通电时间t三者的乘积。(2)公式：WUIt。(3)单位：国际单位是焦耳，符号是J。3电功率(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。(2)公式：PUI。(3)单位：国际单位是瓦特，符号是W。对于纯电阻电路，由欧姆定律I可得(1)WUItI2Rtt。(2)PUII2R。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)电功率越大，表示电流做功越多。()(3)三个公式PUI、PI2R、P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
3、热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。2表达式：QI2Rt。3热功率在任何电路中，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)WUItI2Rtt，对任何电路都适用。()(3)UIR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，一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。2能量转化关系式：P电P机P损，其中P
4、电UI、P机为输出功率，P损P热I2R。3正在充电的电池：电源的电能除了转化为电池的化学能之外，还有一部分转化为内能。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。() 考点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
5、关系(1)各支路电压相同，根据P，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，PB40 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()ABCD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UB1
6、10 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P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
7、、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”
8、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I2RUI。【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
9、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P1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P2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的电流为I时，在t时
10、间内产生的热量为Q，则通过电阻R的电流为2I时，在时间内产生的热量为()A4QB2QCDB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时间内产生的热量为Q(2I)2R2I2Rt2Q，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
11、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？提示：当电压为U110 V，电动机内阻r 5 当电压为U236 V时，P出P总P热U2I2Ir31 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能外其他形式的能的用电器欧姆定律是否适用适用，I不适用，UIR或I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、电解槽等功能关系直观图WQWQQWE其他WQE其他Q适用
12、公式电功WUItI2Rtt电热QI2RtUItt电功率PUII2R热功率P热I2RUI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
13、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 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
14、IR 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)电动机的发热功率P热Ir20 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m53 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Ir，求输出的机械功率用P机P电P热。(3)
15、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 WB电动机的电功率为1 WC物体匀速上升时的速率为0.2 m/sD电动机的热功率为4 WC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v m/s0.2 m/s，C正确。1下列关于电功、电功率和焦耳定
16、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WI2Rtt只适用于纯电阻电路C在非纯电阻电路中，UII2RD焦耳热QI2Rt适用于任何电路A电功率公式为P，功率越大，表示电流做功越快。对于一段电路，有PIU，I，焦耳热QRt，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WI2Rtt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。2(2021广东
17、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 WB64 WC320 WD640 WDLED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，屏幕消耗的功率PnUI10 0003.20.02 W640 W，选项D正确。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
18、下关于飞行器的输出功率正确的是()A4UIB4C4I2rD4UI4I2rD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。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()API2RBPCPIUDPI2RC家用电器中有
19、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，已知其质量为3 kg，它与地面的有效接触面积为0.01 m2。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
20、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。(教师用书独具)焦耳及焦耳定律焦耳(18181889)是英国人，1818年12月24日出生在曼彻斯特市一家啤酒厂主的家庭里，从小就跟着父
21、亲酿酒，没有进过学校。然而焦耳天资聪明，喜欢读书，常常一边劳动一边认字，自学到不少知识。后来，他幸运地认识了著名化学家道尔顿教授，便常常到他那里请教。从此，焦耳对自然科学，特别是实验科学产生了浓厚的兴趣。1841年在焦耳24岁时，焦耳开始对通电导体放热的问题进行了深入的研究。他把父亲的一间房子改成了实验室，一有空便钻到实验室里忙个不停。焦耳首先把电阻丝盘绕在玻璃管上，做成了1个电热器。然后把电热器放入1个玻璃瓶中，瓶中装有已知质量的水。给电热器通电并开始计时，用鸟羽毛轻轻搅动水，使水温度均匀。从插在水中的温度计，可随时观察到水温的变化。同时用电流计测出电流的大小。焦耳做了大量的实验，精确地确定
22、了电流产生的热量跟电阻、电流大小和通电时间的定量关系：电流通过导体时产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。物理学把这个规律叫作焦耳定律。焦耳定律可以用能量转化和守恒的观点来解释：电流通过导体时，电阻越大，电流越大，时间越长，电流做的功就越多，所产生的热量就越多。在工农业生产和日常生活中，人们有时候要利用电流产生热量。电烙铁、电炉、电熨斗、电烤箱等设备，都是常见的电热器，它们设计都以焦耳定律作为理论依据。当然，电流产生的热量也有不利的一面，例如通过电视机的电流比较大，机内元件发出的热量就比较多，夏天收看电视节目时，如果开机时间过长又不注意通风，电视机容易过热而损坏。试猜想电视机发热的原因。提示：电视机内部元件有电阻。