2021-2022学年高二物理人教版选修3-1学案：2.5-焦耳定律-Word版含答案.docx

5焦耳定律学习目标1.理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质(重点) 2.理解电功和电热的区分，能够区分纯电阻电路和非纯电阻电路(难点) 3.电功率和热功率的理解(重点) 4.能从能量守恒角度理解焦耳定律(难点)电功和电功率先填空1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压、电路中的电流、通电时间三者的乘积(2)公式：WIUt.(3)单位：国际单位是焦耳，符号是J.(4)意义：描述电能转化为其他形式能的多少2电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功(2)公式：PIU.(3)单位：瓦特，符号是W.(4)意义：描述电能转化为其他能的快慢或者是电流做功的快慢再思考用电器额定功率越大，接在电路中电流做的功越多，这样说法对吗？【提示】不对，电流做功一方面与电功率有关，另一方面还与通电时间有关，只有电功率与时间乘积大时，电流做功才多后推断(1)电功与电能的单位相同，电功就是电能()(2)电功率越大，电功越大()(3)1千瓦时3.6106 J()焦耳定律先填空1内容：电流通过导体产生的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热功率再思考标有“220 V40 W”的白炽灯泡和“220 V40 W”的电动机，把它们并联后接到220 V的照明电路中，二者都能正常工作，它们在相同的时间内产生的电热相同吗？【提示】不同，“220 V40 W”白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而“220 V40 W”的电动机，通电后消耗的电能一部转化内能另一部分转化为机械能后推断(1)电流流过笔记本电脑时，电功确定等于电热()(2)依据I可导出P，该公式用于任何用电器()(3)电流通过电解槽时，电功大于电热()预习完成后，请把你认犯难以解决的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3问题4同学分组探究一纯电阻电路和非纯电阻电路中的电功与电热(对比分析)第1步探究分层设问，破解疑难1电动机与电炉接在电路中有何区分？2如何分析电路中能量的转化？第2步结论自我总结，素能培育1纯电阻电路与非纯电阻电路的比较两种电路比较内容纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件，只能把电能转化为内能除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的用电器欧姆定律听从欧姆定律，I不听从欧姆定律，UIR或I能量转化电流做功，电能全部转化为内能电流做功，电能除转化为内能外还要转化为其他形式的能元件举例电阻、电炉丝、白炽灯等电动机、电解槽等2.电功与电热的比较(1)电功与电热纯电阻电路非纯电阻电路能量转化电功WUItI2RttWUIt电热QUItI2RttQI2Rt关系WQWQ(2)电功率与热功率纯电阻电路非纯电阻电路电功率P电UII2RP电UI热功率P热UII2RP热I2R关系P电P热P电P热第3步例证典例印证，思维深化规格为“220 V36 W”的排气扇，线圈电阻为40 ，求：(1)接上220 V的电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)假如接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的电功率和发热的功率【思路点拨】(1)排气扇正常工作时为非纯电阻电路(2)排气扇被卡住时为纯电阻电路【解析】(1)排气扇在220 V电压下正常工作的电流为I A0.16 A发热功率P热I2R(0.16)240 W1 W转化为机械能的功率P机PP热(361) W35 W.(2)排气扇扇叶被卡住不能转动后，电动机相当于纯电阻，电能全部转化为热能，此时通过排气扇的电流为I A5.5 A电动机消耗的电功率等于发热功率，即P机P热IU5.5220 W1 210 W.【答案】(1)P机35 W，P热1 W(2)P机P热1 210 W电功和电热、电功率和热功率的计算不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电功时都用WUIt，功率均用PUI，热量都用QI2Rt，热功率均用PI2R，其他变形只用于纯电阻电路第4步巧练精选习题，落实强化1(多选)理发用的电吹风机中有电动机和电热丝，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，得到热风将头发吹干，设电动机的线圈电阻为R1，它与电热丝的电阻R2串联，接到直流电源上，电吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的电功率为P，则有()APUIBPI2(R1R2)CPUI DPI2(R1R2)【解析】电动机电路在电机正常转动时，电动机消耗的功率PUI，且大于发热功率，选项C、D正确【答案】CD2电阻R和电动机M串联接到电路中，如图251所示，已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等，开关接通后，电动机正常工作设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2，经过时间t，电流通过R做功为W1，产生的热量为Q1，电流通过电动机做功为W2，产生的热量为Q2，则有()AU1U2，Q1Q2 BU1U2，Q1Q2CW1W2，Q1Q2 DW1W2，Q1Q2图251【解析】电动机是非纯电阻，其两端电压U2IRU1，B错误；电流做的功W1U1It，W2U2It，故W1W2，C错误；产生的热量由QI2Rt可推断Q1Q2，A正确，D错误【答案】A同学分组探究二串并联电路中电功、电功率的分析计算(深化理解)第1步探究分层设问，破解疑难1如何计算串联电路、并联电路各支路电功率？2总功率与各支路功率有何关系？第2步结论自我总结，素能培育对于纯电阻电路中，用电器串并联时电功率的关系如下1串联电路功率关系2并联电路功率关系第3步例证典例印证，思维深化额定电压都是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，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是()【思路点拨】电路中消耗总功率最小时应为总电压最小总电流也最小【解析】对灯泡有PUI，可知：RARB，对于A电路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110 V，B灯被烧毁，A错误对于B电路，由于RBRA，A灯又并联变阻器，并联电阻更小于RB，所以UBU并，B灯被烧毁，B错误对于C电路，B灯与变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UAUB110 V，两灯可以正常发光对于D电路，若变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UAUB110 V，两灯可以正常发光比较C、D两个电路，由于C电路中变阻器功率为(IAIB)110，而D电路中变阻器功率为(IAIB)110，所以C电路消耗电功率最小【答案】C解答串并联电路电功率问题应留意的问题1求解串、并联电路中的功率支配问题，比例法求解会使问题简化，但确定要确定是正比还是反比关系2当分析用电器的功率问题时，确定要留意用电器的平安，即不要超过用电器的额定电压、额定电流第4步巧练精选习题，落实强化3如图252所示，电源电压8 V，闭合开关后，电流表的示数为0.2 A，电流表的示数为0.3 A试求：(1)R1的电功率；(2)1 min内R2消耗的电能图252【解析】由电路图可知：I10.2 A，I20.3 A0.2 A0.1 A，(1)P1UI180.2 W1.6 W.(2)QWUI2t80.160 J48 J.【答案】(1)1.6 W(2)48 J4电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器，它们一般具有加热和保温功能，其工作原理大致相同如图253所示为某种电热式电器的简化电路图，主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S.图253(1)当自动开关S闭合和断开时，用电器分别处于什么状态？ (2)用电器由照明电路供电(U220 V)，设加热时用电器的电功率为400 W，保温时用电器的电功率为40 W，则 R1和R2分别为多大？ 【解析】(1)由P可判定S闭合时处于加热状态，S断开时处于保温状态(2)由电功率表达式P知：闭合时P1，断开时P2解以上两式得R1121 ，R21 089 .【答案】(1)闭合时，加热；断开时，保温(2)121 1 089 含电动机电路的功率问题分析1电动机的等效处理：电动机是一种非纯电阻性用电器，它把电能转化为机械能和内能在电路计算中，常把电动机等效为阻值等于其内阻的电阻r和无电阻的转动线圈串联而成，电流通过r时把电能转化为热能，而线圈把电能转化为机械能2输入功率：也叫电动机的总功率，由电动机电路的电流和电压打算，计算公式P总UI.3输出功率：电动机做有用功的功率如图254所示，P出mgv(设重物匀速上升)图2544热功率：电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要发热，热功率P热I2r.5功率关系：P总P出P热6电动机的效率：100%.图255如图255所示为电动机提升重物的装置，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，重物A重20 N不计摩擦力，求：(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少？(2)电动机的输入功率和输出功率各是多少？(3)10 s内，可以把重物A匀速提升多高？(4)这台电动机的机械效率是多少？【解析】(1)依据焦耳定律，热功率为P热I2r121 W1 W.(2)输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积P入IU15 W5 W.输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率P出P入P热5 W1 W4 W.(3)电动机的输出功率用来提升重物，转化为机械功率，在10 s内P出tmgh，解得h m2 m.(4)机械效率100%100%80%.【答案】(1)1 W(2)5 W4 W(3)2 m(4)80%先看名师指津解决电动机问题留意分两种状况(1)当电动机正常工作时，要分别搞清电动机的总功率、输出功率和热功率，把握它们之间的关系：P总P出P热(2)当电动机因故障或其他缘由不转动时，相当于一个纯电阻电路再演练应用如图256所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻r0.6 ，R10 ，U160 V，电压表的读数为110 V，求：(1)通过电动机的电流是多少？(2)输入到电动机的电功率是多少？(3)电动机中发热的功率是多少？(4)电动机工作1 h所产生的热量是多少？图256【解析】(1)设电动机两端的电压为U1，电阻R两端的电压为U2，则U1110 V，U2UU1(160110) V50 V.通过电动机的电流为I，则I A5 A.(2)输入到电动机的电功率P电，P电IU11105 W550 W.(3)电动机中发热的功率P热，P热I2r520.6 W15 W.(4)电动机工作1 h所产生的热量Q，QI2rt520.63 600 J54 000 J.【答案】(1)5 A(2)550 W(3)15 W(4)54 000 J