8版高中物理沪科版选修3-1学案：4.4电路中的能量转化与守恒.pdf

学案学案 4电路中的能量转化与守恒电路中的能量转化与守恒目标定位 1.理解电功、电功率的概念与公式并能进行相关计算.2.理解电功和电热、电功率与热功率的区别与联系，知道纯电阻电路、非纯电阻电路中热量的计算.3.明确闭合电路的效率与功率，会分析闭合电路电源的最大输出功率一、电功和电功率1.如图 1 所示，电路中电流为 I，通电时间为 t，那么在这段时间内通过这段电路的电荷量是多少？如果电路左、右两端的电势差是 U，在电荷 q 从左端移到右端的过程中静电力做的功是多少？图 12电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是否相同，两者间有何关系？要点总结1电流做了多少功，就有多少_转化为其他形式的能，即电功等于电路中_的减少量2电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是_力在这段电路中所做的功3电功的计算公式：W_.单位：_，符号为 J.常用单位：千瓦时(kWh)，也称“度”，1 kWh_ J.4电功率：_内电流所做的功它表示电流做功的_公式：P_，单位：_，符号为_Wt例 1一根电阻丝，通过 2 C 的电荷量所消耗的电能是 8 J若在相同的时间内通过 4 C 的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是()A4 V,16 J B8 V,16 JC4 V,32 J D8 V,32 J二、焦耳定律1某一电路中只含有某一电器元件，即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中的一种，分析哪些属于纯电阻电路，哪些属于非纯电阻电路2在电流通过电炉时，能量是如何转化的？在电流通过电动机时，能量又是如何转化的？要点总结1焦耳定律(1)电流通过导体时产生的热量跟_成正比，跟导体的_及_成正比(2)公式：Q_.2热功率(1)单位时间内电流通过导体发出的热叫做热功率(2)表达式：P _.Qt3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_此时电功等于电热 WQUItI2Rtt,电功率等于热功率 PP热UII2RU2RU2R4非纯电阻电路：含有_或_的电路称为非纯电阻电路在非纯电阻电路中，电流做的功一部分转化为_或_还有一小部分转化为内能此时电功大于电热：WUItQE其他 QI2Rt，电功率大于热功率：PUI P热P其他P热I2R.延伸思考小明家有电炉、日光灯、电视机、电脑、电吹风等用电器，小明查了所有用电器的电阻，它们电阻的总和为 R，已知小明家所接电网电压为 U，于是小明很快算出了他家用电器的总功率：P，小明这种算法正确吗？U2R例 2(多选)用一个额定电压为 220 V 的电热水器煮沸一壶水需要 t s，如果不考虑电热水器的电热损失和电热丝电阻受温度的影响，那么()A当线路电压为 110 V 时，煮沸一壶水需要 2t sB当线路电压为 110 V 时，煮沸一壶水需要 4t sC当线路电压为 55 V 时，煮沸一壶水需要 4t sD当线路电压为 55 V 时，煮沸一壶水需要 16t s三、闭合电路中的能量转化与守恒闭合电路中，电源电动势为 E，内、外电路的电阻分别是 r 和 R，电路中的电流为 I.t 时间内电源把多少其他形式的能转化为电能？外电路产生的热量是多少？内电路产生的热量是多少？三者之间有何关系？要点总结1电源是把其他形式的能转化为_能的装置电源提供的能量一部分消耗在_上，一部分消耗在_上，转化为内能2能量关系：电源提供的能量等于内、外电路消耗的能量之和，即 EIt_U内It.功率关系：电源提供的电功率等于内、外电路消耗的电功率之和，即：EI_U内I.3对于外电路是纯电阻的电路，其能量关系和功率关系分别为：EIt_I2rt，EI_I2r.电源的效率 100%100%.UIEIUE延伸思考1纯电阻电路中电源的输出功率与外电阻之间有怎样的关系？什么时候电源的输出功率最大？2电源的效率与外电阻有怎样的关系？输出功率最大时，电源的效率也最高吗？例 3(多选)如图 2 所示，一台电动机提着质量为 m 的物体，以速度 v 匀速上升已知电动机线圈的电阻为 R，电源电动势为 E，通过电源的电流为 I，当地重力加速度为 g，忽略一切阻力及导线电阻，则()图 2A电源内阻 r REIB电源内阻 r REImgvI2C如果电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源消耗的功率将变大D如果电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源消耗的功率将变小1(功率 PUI、PI2R、P的区别)(多选)关于三个公式 PUI、PI2R、P的适U2RU2R用范围，以下说法正确的是()A第一个公式普遍适用于求电功率，后两式普遍适用于求热功率B在纯电阻电路中，三个公式既适用于求电功率，又适用于求热功率C在非纯电阻电路中，第一个公式可适用于求电功率，第二个公式可用于求热功率，第三个公式没有意义D由 UIR 可知，三个公式没有任何区别，它们表达相同的意义，所求 P 既是电功率也是热功率2(非纯电阻电路与纯电阻电路的对比)(多选)一台电动机的线圈电阻与一个电炉的电阻相同，都通过相同的电流，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3.(非纯电阻电路的特点)(多选)如图 3 所示，直流电动机线圈的电阻为 R，当该电动机正常工作时，电动机两端电压为 U，通过电动机的电流为 I，则()图 3A电动机内部的发热功率为 I2RB电动机的机械功率为 IUC电动机的总功率为 IUD电动机机械功率为 IUI2R4.(闭合电路的功率和效率)电源的效率 定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率之比，如图 4 所示，直线 A 为电源 a 的路端电压与电流的关系图线，直线 B 为电源 b 的路端电压与电流的关系图线直线 C 为电阻 R 两端的电压与电流的关系图线，将这个电阻 R 分别接到 a、b 两电源上，那么()图 4AR 接到电源 a 上，电源的效率较低BR 接到电源 b 上，电源的输出功率较大CR 接到电源 a 上，电源的输出功率较大，电源效率较高DR 接到电源 b 上，电源的输出功率较小，电源效率较高答案精析答案精析知识探究一、1ItIUt2不相同电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少电流做功的快慢用电功率表示，电流做功的多少用电功表示电流做功的多少与做功的时间和做功的快慢有关要点总结1电能电能2电场3IUt焦耳3.61064单位时间快慢IU瓦特W典型例题例 1D设电阻丝电阻为 R，开始所加电压为 U1，则 W1q1U1即 82U1，故 U14 V.设后来所加电压为 U2，产生的热量为 W2，则 I2q2tU2R又 I1q1tU1R由得 U2U1 4 V8 Vq2q142W2q2U248 J32 J二、1纯电阻电路有：含白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅的电路；非纯电阻电路有：含电动机、电解槽、电容器的电路2在电炉电路中，电流做的功即消耗的电能全部转化为电热，即 WQ.在电动机电路中，电流做的功即消耗的电能除一部分转化为电热之外，大部分转化为机械能，即 WQE其他，此时 WQ.要点总结1(1)电流的平方电阻通电时间(2)I2Rt2(2)I2R3内能4电动机电解槽机械能化学能延伸思考不正确，因为小明家有些用电器不是纯电阻用电器，在此 P不适用U2R典型例题例 2BD由公式 Qt，煮沸一壶水所需的热量为 Qt J当电压变为原来的U2R220 V2R时，所需热量没变，因此时间要变为原来的 4 倍，即 4t s，选项 B 正确当电压变为原来12的 时，时间要变为原来的 16 倍，即 16t s，选项 D 正确14三、EItI2RtI2rtEItI2RtI2rt要点总结1电外电路内电阻2U外ItU外I3I2RtI2R延伸思考1电源的输出功率是指外电路消耗的功率当外电路为纯电阻电路时，(1)P出与外电阻 R 的函数关系图像如图所示，从图中看出当 Rr 时，若 R 增大，P出增大；当 Rr 时，若 R 增大，P出减小(2)电源的输出功率P出I2RR，由此可知当 Rr 时，电源有最大输出E2Rr2E2RRr24RrE2Rr2R4r功率 P出 max.E24r2，可见，外电阻 R 越大，电源的效率越高，当P出PIUIEUEIRIRrRRr11rR电源有最大输出功率时 Rr，50%，此时电源的效率并不是最高典型例题例 3BC由闭合电路能量守恒得：EII2rI2Rmgv，解得：r R；当电动EImgvI2机被卡住时，电动机变成纯电阻元件，总电流 I总，电流增大，故电源消耗的功率ERrP 增大，所以选项 B、C 正确达标检测1BC2.ABD3.ACD4.C