第十二章-电能能量守恒总结提升--(2019人教版必修第三册)(原卷版).docx

第十二章 电能能量守恒

第一部分 知识总结

内容1：电路中的能量转化
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：W＝UIt。
（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：P＝＝UI。
（3）单位：国际单位是瓦特，符号是W。
二、焦耳定律
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

三、电路中的能量转化
1．电动机工作时的能量转化
（1）能量关系：电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。
（2）功率关系：电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和，即：P电＝P机＋P损，P电＝UI，P损＝I2R。
2．电池充电时的能量转化
电池从电源获得的能量一部分转化为化学能，还有一部分转化为内能。
知识演练
1. （多选）一个电热器电阻为，当它两端电压为，通过时间消耗电能为，若使它消耗的电能为，下列方法正确的是（　　）
A. 电阻不变，电压不变，通电时间变为原来的2倍
B. 电阻减半，电压增大1倍，通电时间减半
C. 电阻不变，电压增大1倍，通过时间不变
D. 电阻减半，电压不变，通电时间不变
2. 如图所示的电路中，、都是“、”的电阻，是“、”的电阻，则间允许消耗的最大功率是（　　）

A. B. C. 8W D. 9W
3.（多选）一辆电动车蓄电池的电动势为E，内阻不计，当空载的电动车以速度v在水平路面上匀速行驶时，流过电动机的电流为I，电动车的质量为m，受到的阻力是车重的k倍，忽略电动车内部的摩擦，则（ ）
A. 电动机的内阻为r＝E/I
B. 电动机的内阻为
C. 如果电动机突然被卡住而停止转动，则电源消耗的功率将变小
D. 如果电动机突然被卡住而停止转动，则电源消耗的功率将变大
4.（多选）下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是（　　）
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
B. W=UIt适用于任何电路，而只适用于纯电阻电路
C. 在非纯电阻电路中，UI>I2R
D. 焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
5. 一台小型电动机在6V电压下正常工作，用此电动机提升重为10 N的物体时，在10s内使该物体在竖直方向匀速上升了1.1 m，上述过程中，通过电动机的电流为0.2 A．不计除电动机线圈生热外的其他能量损失．求：
（1）电动机输出的机械功率；
（2）电动机线圈的电阻．

6. 小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V、4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，求：
（1）通过电动机的电流；
（2）电动机的输出功率P出；
（3）电动机的效率．

内容2：闭合电路的欧姆定律
一、电动势
1．闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路。用电器和导线组成外电路，电源内部是内电路。
2．非静电力：在电源内部把正电荷从负极搬运到正极的力。
3．电源：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。
4．电动势
1）物理意义：表征电源把其他形式的能转化为电势能的本领。
（2）定义：非静电力所做的功与所移动的电荷量之比。
（2）定义式：E＝。
（4）单位：伏特，符号是V。
二、闭合电路欧姆定律及其能量分析
1．部分电路欧姆定律：I＝。
2．内电阻：电源内电路中的电阻。
3．闭合电路中的能量转化：如图所示，A为电源正极，B为电源负极，电路中电流为I，在时间t内，非静电力做功等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和，即EIt＝I2Rt＋I2rt。

4．闭合电路的欧姆定律
（1）内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。
（2）表达式：I＝。
（4）常见的变形公式：E＝U外＋U内。
三、路端电压与负载的关系
1．负载：外电路中的用电器。
2．路端电压：外电路的电势降落。
3．路端电压与电流的关系
（1）公式：U＝E－Ir。
（2）结论：①外电阻R减小→I增大→U减小。
②外电路断路→I＝0→U＝E。
③外电路短路→I＝→U＝0。
（3）电源的U­I图像

知识演练
1. 关于电压和电动势，下列说法正确的是（　　）
A. 电压和电动势的单位都是伏特，所以电动势和电压是同一物理量的不同说法
B. 电动势就是反映电源把其他形式的能转化为电能本领强弱的物理量
C. 电动势E越大，表明电源储存的电能越多
D. 电动势公式E=中的W与电压U=中的W是一样的，都是电场力做的功
2. 如图是某智能手机电池上的信息，支持低压大电流充电，则（ ）

A. 表示该电池的电动势
B. 表示该电池能提供的电量
C. 表示该电池能提供的电能
D. 该电池充满电后以的电流工作时，可连续工作30小时
3.飞行器在太空飞行，主要靠太阳能电池提供能量．若一太阳能电池板，测得它的开路电压为800 mV，短路电流为40 mA．若将该电池板与一阻值为20 Ω的电阻器连成一闭合电路，则它的路端电压是(　　)
A. 0.10 V B. 0.20 V C. 0.30 V D. 0.40 V
4. （多选）如图所示是某电源的路端电压与电流的关系图像，下列结论正确的是（　　）

A. 电源的电动势为6.0 V
B. 电源的内阻为12 Ω
C. 电源的短路电流为0.5 A
D. 电流为0.3 A时的外电阻是18 Ω
5. 如图甲所示的电路中，R1、R2均为定值电阻，且R1＝100 Ω， R2的阻值未知，R3是一个滑动变阻器，在其滑片从最左端滑至最右端的过程中，测得电源的路端电压U随电流I的变化图线如图乙所示，其中图线上的A、B两点是滑片在变阻器两个不同端点时分别得到的。求：
（1）电源的电动势和内电阻；
（2）定值电阻R2的阻值；
（3）滑动变阻器R3的最大值。

6. 如图所示，E＝8 V，r＝2 Ω，R1＝8 Ω，R2为变阻器接入电路中的有效阻值，问：
（1）要使变阻器获得的电功率最大，则R2的取值应是多大？这时R2的功率是多大？
（2）要使R1得到的电功率最大，则R2的取值应是多大？R1的最大功率是多少？这时电源的效率是多大？
（3）调节R2的阻值，能否使电源以最大的功率输出？为什么？

内容3：能源与可持续发展内容
一、能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
二能量转移或转化的方向性
1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2．能量耗散：在能量转化过程中流散到周围环境中的内能很难再收集起来重新利用的现象。
3．节约能源的根本原因：在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，即从便于利用的能源变为不便于利用的能源。
4．自然界中的宏观过程具有方向性。
三、能源的分类与应用
1．能源的分类
（1）不可再生能源：像煤炭、石油和天然气这类无法在短时间内再生的能源，煤炭、石油和天然气也叫化石能源。
（2）可再生能源：像水能、风能、潮汐能这类在自然界可以再生的能源。
2．我国能源的开发
① 太阳能发电；② 水力发电；③ 风能发电；④ 核能发电。
四、能源与社会发展
1．人类利用能源的三个时期：柴薪时期、煤炭时期、石油时期。
2．利用不可再生能源带来的危害
（1）改变大气的成分，加剧气候的变化，如温室效应。
（2）形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化土壤。
（3）产生光化学烟雾，产生浮尘。
知识演练
1. 下列关于能的转化和守恒定律的认识不正确的是（　　）
A. 某种形式的能减少，一定存在其他形式的增加
B. 某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加
C. 不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机不可能制成
D. 石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
2. （多选）关于“能量耗散”的下列说法中，正确的是（　　）
A. 能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量耗散
B. 能量在转化过程中变少的现象叫能量耗散
C. 能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量的数量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，而自然界的能量是守恒的
D. 能量耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的
3. 关于能源、能量，下列说法正确的是（　　）
A. 可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向
B. 核能的利用会造成放射性污染，所以应该关闭核电站
C. 能量是守恒的，不会发生能源危机
D. 化石能源、水能、核能，不能在短期内从自然界得到补充，这类能源称为不可再生能源
4. 如图所示是我国某风能发电基地，全球可利用的风能为2×107 MW（1 MW＝106 W），比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，我国风能资源总储量约1.6×105 MW 。2012年7月4日装机容量达到2 240万千瓦的三峡水电站，已成为全世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地。下列说法正确的是（　　）

A. 风力发电是把风的内能转化为电能 B. 我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量
C. 风力发电过程违反能量守恒定律 D. 水能和风能都是清洁能源且都是不可再生能源

内容4：实验：电池电动势和内阻的测量
一、实验原理和方法
实验电路如图所示，根据闭合电路的欧姆定律，改变R的阻值，测出两组U、I的值，根据闭合电路的欧姆定律可列出两个方程：

⇒
二、实验器材
待测电池一节，电流表(0～0.6 A)、电压表(0～3 V)各一块，滑动变阻器一只，开关一只，导线若干。
三、实验步骤
1．选定电流表、电压表的量程，按照电路图把器材连接好。
2．把滑动变阻器滑片移到电阻最大的一端(图中左端)。

3．闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显示数，读出电压表示数U和电流表示数I，并填入事先绘制好的表格(如下表)。
实验序号
1
2
3
4
5
6
I/A

U/V

4.多次改变滑片的位置，读出对应的多组数据，并一一填入表中。
5．断开开关，整理好器材。
四、数据处理
1．公式法
把测量的几组数据分别代入E＝U＋Ir中，然后两个方程为一组，解方程求出几组E、r的值，最后对E、r分别求平均值作为测量结果。
2．图像法
（1）以I为横坐标，U为纵坐标建立直角坐标系，根据几组I、U的测量数据在坐标系中描点。
（2）用直尺画一条直线，使尽量多的点落在这条直线上，不在直线上的点，能大致均衡地分布在直线两侧。
3）如图所示：
①图线与纵轴交点为E。
②图线与横轴交点为I短＝。
③图线的斜率大小表示r＝。
五、误差分析
1．偶然误差：主要来源于电压表和电流表的读数以及作U­I图像时描点不准确。
2．系统误差：主要原因是未考虑电压表的分流作用，使得电流表上读出的数值比实际的总电流(即流过电源的电流)要小一些。U越大，电流表的读数与总电流的偏差就越大。将测量结果与真实情况在U­I坐标系中表示出来，如图所示，可见E测表的量程：实验用的是一节干电池，因此电压表量程在大于1.5 V的前提下，越小越好，实验室中一般采用量程为0～3 V的电压表。
（3）电流表的量程：对于电池来讲允许通过的电流最大为0.5 A，故电流表的量程选0～0.6 A的。
（4）滑动变阻器：干电池的内阻较小，为了获得变化明显的路端电压，滑动变阻器选择阻值较小一点的。
2．电路的选择：伏安法测电源电动势和内阻有两种接法，由于电流表内阻与干电池内阻接近，所以电流表应采用内接法，即一般选择误差较小的甲电路图。

甲　　　　　　　　乙
3．实验操作：电池在大电流放电时极化现象较严重，电动势E会明显下降，内阻r会明显增大，故长时间放电不宜超过0.3 A，短时间放电不宜超过0.5 A。因此，实验中不要将I调得过大，读电表示数要快，每次读完后应立即断电。
4．数据处理
（1）当路端电压变化不是很明显时，作图像时，纵轴单位可以取得小一些，且纵轴起点不从零开始，把纵坐标的比例放大。
（2）画U­I图像时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均衡分布在直线的两侧，个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑。这样，就可使偶然误差得到部分抵消，从而提高精确度。
知识演练
1. 用如图所示电路测量电源的电动势和内阻．实验器材：待测电源（电动势约3V，内阻约2Ω），保护电阻R1（阻值10Ω）和R2（阻值5Ω），滑动变阻器R，电流表A，电压表V，开关S，导线若干．

实验主要步骤：
（ⅰ）将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大，闭合开关；
（ⅱ）逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值，记下电压表的示数U和相应电流表的示数I；
（ⅲ）以U为纵坐标，I为横坐标，作U—I图线（U、I都用国际单位）；
（ⅳ）求出U—I图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a．
回答下列问题：
（1）电压表最好选用______；电流表最好选用______．
A．电压表（0-3V，内阻约15kΩ） B．电压表（0-3V，内阻约3kΩ）
C．电流表（0-200mA，内阻约2Ω） D．电流表（0-30mA，内阻约2Ω）
（2）滑动变阻器的滑片从左向右滑动，发现电压表示数增大，两导线与滑动变阻器接线柱连接情况是______．
A．两导线接在滑动变阻器电阻丝两端的接线柱
B．两导线接在滑动变阻器金属杆两端的接线柱
C．一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱，另一条导线接在电阻丝左端接线柱
D．一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱，另一条导线接在电阻丝右端接线柱
（3）选用k、a、R1、R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式E=______，r=______，代入数值可得E和r的测量值．
2. 某同学利用如图甲所示的电路测量电源的电动势和内阻，所用的实验器材有：一个电压表V、一个电阻箱R、一个5.0Ω的定值电阻R0，一个开关和导线若干：

（1）根据电路图，用笔画代替导线，将实物图连成完整电路________；
（2）该同学为了用作图法来确定电源的电动势和内阻，以为纵坐标、为横坐标做出的图像如图丙所示，则该图像的函数表达式为：_____（用含有U、R、R0、E、r的函数表达式表示）
（3）由图像可求得，该电源的电动势E=____V，内阻r=____Ω(结果均保留两位有效数字)
3. 用实验测一电池的内阻r和一待测电阻的阻值Rx。已知电池的电动势约6V，电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧。可选用的实验器材有：电流表A1（量程0~30mA）；电流表A2（量程0~100mA）；电压表V（量程0~6V）；滑动变阻器R1（阻值0~5Ω）；滑动变阻器R2（阻值0~300Ω）；开关S一个，导线若干条。某同学的实验过程如下：
Ⅰ.设计如图所示的电路图

Ⅱ.正确连接电路，将R的阻值调到最大，闭合开关，逐次调小R的阻值，测出多组U和I的值，并记录。以U为纵轴，I为横轴，得到如图所示的图线

Ⅲ.断开开关，将Rx改接在B、C之间，A与B直接相连，其他部分保持不变。重复Ⅱ的步骤，得到另一条U-I图线，图线与横轴I的交点坐标为（I0，0），与纵轴U的交点坐标为（0，U0）。回答下列问题：
①电流表应选用 ___________ ，滑动变阻器应选用 ___________ ；
②由图的图线，得电源内阻r= ___________ Ω；
③用I0、U0和r表示待测电阻的关系式Rx= ___________ ，代入数值可得Rx；
④若电表为理想电表，Rx接在B、C之间与接在A、B之间，滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置，两种情况相比，电流表示数变化范围 ___________ ，电压表示数变化范围 ___________ 。（选填“相同”或“不同”）

专题1：纯电阻电路和非纯电阻电路
1.对于纯电阻电路(如白炽灯、电炉丝等构成的电路)，电流做功将电能全部转化为内能，W＝Q＝UIt＝t＝Pt。
2．对于非纯电阻电路(如含有电动机、电解槽等的电路)电功大于电热。在这种情况下，不能用I2Rt或t来计算电功，电功用W＝UIt来计算，电热用Q＝I2Rt计算。
【例1】　如图所示，电解槽A和电炉B并联后接到电源上，电源内阻r＝1 Ω，电炉电阻R＝19 Ω，电解槽电阻r′＝0.5 Ω。当S1闭合、S2断开时，电炉消耗功率为684 W；S1、S2都闭合时电炉消耗功率为475 W(电炉电阻可看作不变)。试求：

（1）电源的电动势；
（2）S1、S2都闭合时，流过电解槽的电流大小；
（3）S1、S2都闭合时，电解槽中电能转化成化学能的功率。

【技巧与方法】
（1）电炉为纯电阻用电器，其消耗的电能全部转化为电热。
2）电解槽为非纯电阻用电器，其消耗的电能转化为电热和化学能两部分。

专题2：含容电路的分析
1.电容器充放电过程中：电路中电流、电压的变化可能会引起电容器的充、放电。若电容器两端电压升高，电容器将充电；若电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电。
2．电容器接入电路中，电流稳定后
（1）把电容器处的电路视为断路，简化电路时可以去掉，求电荷量时再在相应位置补上。
（2）与电容器串联的电路中没有电流，同支路的电阻相当于导线，即电阻不起降压的作用，但电容器两端可能出现电势差。
（3）如果电容器与电源并联，且电路中有电流通过，则电容器两端的电压不是电源电动势E，而是路端电压U。
【例2】　在如图所示的电路中，电源电动势E＝3.0 V，内电阻r＝1.0 Ω；电阻R1＝10 Ω，R2＝10 Ω，R3＝30 Ω，R4＝35 Ω；电容器的电容C＝100 μF，电容器原来不带电。求接通开关S后流过R4的总电荷量。

【技巧与方法】
如果变化前后极板带电的电性相同，那么通过每根引线的电荷量等于始、末状态电容器带电荷量之差；如果变化前后极板带电的电性改变，那么通过每根引线的电荷量等于始、末状态电容器带电荷量之和

专题3：实验中的仪器、仪表的选择
1.实验中的仪器、仪表的选择原则：
（1）安全性原则：选用电源、电流表、电压表时，要根据实验的要求，根据器材的参数，考虑所测电流，电压的最大值不能超出仪表的量程，以确保不损坏仪器。
（2）精确性原则：在实验电路中测量电流、电压时，电流表、电压表指针的偏角不能过小，以减小误差，电流表、电压表的读数为满刻度的以上时，读数较准确，能接近满刻度更好。
（3）方便性原则：选用滑动变阻器时，先要确保电路中电流不超过变阻器允许通过的最大电流，若用“限流式”一般选阻值适当大一点的，但不是越大越好，因阻值太大时，在实验中，可能只用到其阻值较小的一部分，滑动触头只能在很短的距离内移动，使用起来很不方便，一般是选变阻器总阻值与用电器的阻值比较接近的；若用“分压式”，应选择总阻值适当小一些的滑动变阻器，这样可使分出的电压大致上随滑动触头移动距离成正比例改变，调节起来比较方便。
2．选用器材的一般步骤：
（1）先找出实验中必须应用的器材；
（2）画出实验电路图；
（3）估算待测电路中I和U的最大值；
（4）考虑能否使电表指针偏转满刻度的以上；
（5）选择合适量程的电压表、电流表，合适的滑动变阻器和电源。
【例3】　小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω，阻值R随温度t的升高而增大。实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度。实验时闭合开关S，先将开关K与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1、t2、…和电流表的相应示数I1、I2、…。然后将开关K与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为I1、I2、…，分别记下电阻箱相应的示数R1、R2、…。

（1）有以下两种电流表，实验电路中应选用________。
A．量程0～100 mA，内阻约2 Ω
B．量程0～0.6 A，内阻可忽略
（2）实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是________。
①将旋钮a由“0”旋转至“1”
②将旋钮b由“9”旋转至“0”
③将旋钮c由“9”旋转至“0”
（3）实验记录的温度t和阻值R的数据如表所示。
温度t/℃
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
阻值R/Ω
9.6
10.4
11.1
12.1
12.8
请根据表中数据，作出R­t图线。

由图线求得阻值R随温度t的变化关系为R＝________Ω。
【技巧与方法】
选择仪表时安全性、准确性原则应同时考虑，如本题(1)问中，不能只由Im＝0.15 A＞100 mA得出B选项。