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：W＝IUt.
(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：P＝IU.
(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＝3.6×106 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：Q＝I2Rt.
3．热功率

[再思考]
标有“220 V　40 W”的白炽灯泡和“220 V　40 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 V　40 W”白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而“220 V　40 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，U＞IR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
W＝UIt＝I2Rt＝t
W＝UIt
电热
Q＝UIt＝I2Rt＝t
Q＝I2Rt
关系
W＝Q
W>Q
(2)电功率与热功率

纯电阻电路
非纯电阻电路
电功率
P电＝UI＝I2R＝
P电＝UI
热功率
P热＝UI＝I2R＝
P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 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，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＝＝ A＝0.16 A
发热功率P热＝I2R＝(0.16)2×40 W＝1 W
转化为机械能的功率P机＝P－P热＝(36－1) W＝35 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′＝＝ A＝5.5 A
电动机消耗的电功率等于发热功率，即
P机＝P热＝I′U＝5.5×220 W＝1 210 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W＝UIt，功率均用P＝UI，热量都用Q＝I2Rt，热功率均用P＝I2R，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(　　)
A．P＜UI　　　　　　 B．P＝I2(R1＋R2)
C．P＝UI D．P＞I2(R1＋R2)

【解析】　电动机电路在电机正常转动时，电动机消耗的功率P＝UI，且大于发热功率，选项C、D正确．
【答案】　CD
2．电阻R和电动机M串联接到电路中，如图2－5－1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(　　)
A．U1＜U2，Q1＝Q2
B．U1＝U2，Q1＝Q2
C．W1＝W2，Q1＞Q2
D．W1＜W2，Q1＜Q2

图2－5－1

【解析】　电动机是非纯电阻，其两端电压U2＞IR＝U1，B错误；电流做的功W1＝U1It，W2＝U2It，故W1＜W2，C错误；产生的热量由Q＝I2Rt可推断Q1＝Q2，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PA＝100 W，PB＝40 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P＝UI＝，可知：RA＜RB，对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110 V，B灯被烧毁，A错误．
对于B电路，由于RB＞RA，A灯又并联变阻器，并联电阻更小于RB，所以UB＞U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UA＝UB＝110 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UA＝UB＝110 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(IA－IB)×110，而D电路中变阻器功率为(IA＋IB)×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2－5－2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2－5－2

【解析】　由电路图可知：I1＝0.2 A，I2＝0.3 A－0.2 A＝0.1 A，
(1)P1＝UI1＝8×0.2 W＝1.6 W.
(2)Q＝W＝UI2t＝8×0.1×60 J＝48 J.
【答案】　(1)1.6 W　(2)48 J
4．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2－5－3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2－5－3
(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(U＝220 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R1＝121 Ω，R2＝1 089 Ω.
【答案】　(1)闭合时，加热；断开时，保温
(2)121 Ω　1 089 Ω

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2－5－4所示，P出＝mg·v(设重物匀速上升)．

图2－5－4

4．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：η＝×100%.

图2－5－5
　如图2－5－5所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈电阻r＝1 Ω，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＝I2r＝12×1 W＝1 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＝IU＝1×5 W＝5 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 W－1 W＝4 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t＝mgh，解得h＝＝ m＝2 m.
(4)机械效率η＝×100%＝×100%＝80%.
【答案】　(1)1 W　(2)5 W　4 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2－5－6所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻r＝0.6 Ω，R＝10 Ω，U＝160 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2－5－6

【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
U1＝110 V，U2＝U－U1＝(160－110) V＝50 V.
通过电动机的电流为I，则I＝＝ A＝5 A.
(2)输入到电动机的电功率P电，P电＝IU1＝110×5 W＝550 W.
(3)电动机中发热的功率P热，
P热＝I2r＝52×0.6 W＝15 W.
(4)电动机工作1 h所产生的热量Q，Q＝I2rt
＝52×0.6×3 600 J＝54 000 J.
【答案】　(1)5 A　(2)550 W　(3)15 W　(4)54 000 J