2020-2021學(xué)年高中物理 第五章 電能與能源的可持續(xù)發(fā)展 第一節(jié) 電路中的能量學(xué)案 粵教版必修3

1、2020-2021學(xué)年高中物理 第五章 電能與能源的可持續(xù)發(fā)展 第一節(jié) 電路中的能量學(xué)案 粵教版必修32020-2021學(xué)年高中物理 第五章 電能與能源的可持續(xù)發(fā)展 第一節(jié) 電路中的能量學(xué)案 粵教版必修3年級：姓名：- 15 -第一節(jié)電路中的能量新 課 程 標(biāo) 準(zhǔn)學(xué) 業(yè) 質(zhì) 量 目 標(biāo)1.理解電功、電功率及焦耳定律。2.能用焦耳定律解釋生產(chǎn)生活中的電熱現(xiàn)象。合格性考試1.對電功、電功率的概念有初步的了解;能夠用焦耳定律解釋一些自然現(xiàn)象,并將其應(yīng)用在生活中。2.會區(qū)分純電阻電路和非純電阻電路,并在生活中找到相應(yīng)的例子。3.了解科學(xué)技術(shù)與社會環(huán)境的關(guān)系,具有節(jié)約能源的意識,培養(yǎng)自覺保護(hù)環(huán)境的行為習(xí)

2、慣。選擇性考試1.深入理解電功和電功率的概念;知道焦耳定律的物理意義;了解純電阻電路和非純電阻電路中的能量轉(zhuǎn)化;從能量轉(zhuǎn)化和能量守恒的角度理解電功和電熱的區(qū)別。2.能從能量轉(zhuǎn)化角度推導(dǎo)焦耳定律;關(guān)注焦耳定律在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。必備知識自主學(xué)習(xí)一、電功和電功率現(xiàn)代生活中隨處都可以見到各種用電器,如電燈、電風(fēng)扇等。那么你知道這些用電器中的能量是通過什么途徑轉(zhuǎn)化的嗎?提示:通過電流做功來實現(xiàn),即導(dǎo)體中的恒定電場對自由電荷的靜電力做功。1.電功:(1)實質(zhì):導(dǎo)體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。(2)公式:w=uit。(3)國際單位:焦,符號為j。(4)意義:電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的量度,

3、即電功是多少就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。2.電功率:(1)含義:單位時間內(nèi)電流所做的功。(2)公式:p=ui。(3)單位:瓦,符號:w。(4)物理意義:表示電流做功的快慢。(5)決定用電器電功率大小的因素有。電功;通電時間;電壓;電流;電阻。二、焦耳定律1.焦耳定律:(1)內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比,跟導(dǎo)體的電阻及通電時間成正比。(2)表達(dá)式:q=i2rt。2.熱功率:(1)定義:單位時間內(nèi)的發(fā)熱量稱為熱功率。(2)表達(dá)式:p=i2r。(3)物理意義:表示電流發(fā)熱快慢的物理量。(4)計算電路中某電阻(滿足歐姆定律)的熱功率時,可以用到的公式是。p=ui;p=i2r;p

4、=;p=;p=。三、閉合電路中的能量1.電源提供的電功率為ei。2.外電路上消耗的電功率為u外i。3.內(nèi)電路上消耗的電功率為u內(nèi)i。4.閉合電路中的功率關(guān)系:ei=u外i+u內(nèi)i。(1)電流做功的過程就是電能向其他形式的能量轉(zhuǎn)化的過程。()(2)電功率越大,表示電流做功越多。()(3)電功與能量的單位都是焦耳,電功就是電能。()(4)電動機(jī)消耗的電能,一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,一部分轉(zhuǎn)化為線圈內(nèi)阻上的電熱。()(5)電功w=uit只能用來計算純電阻電路中電流所做的功。()(6)焦耳定律的表達(dá)式為q=i2rt,此式適用于任何電路。()關(guān)鍵能力合作學(xué)習(xí)知識點一電功、電熱與焦耳定律的理解1.電功與電功率:

5、電流做功的實質(zhì)是導(dǎo)體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。靜電力對自由電荷做功的過程,就是電荷的電勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程。(1)電功的計算公式:w=uit=pt。(2)電功的單位:在國際單位制中電功的單位是焦耳,常用單位還有“度”,1度=1千瓦時=3.6106焦耳。(3)額定功率與實際功率:額定功率:用電器在額定電壓下工作的功率;實際功率:用電器在實際電壓下工作的功率。為了用電器不被燒毀,實際功率不能大于額定功率。2.焦耳定律:(1)推導(dǎo):設(shè)導(dǎo)體的電阻為r,通過的電流為i,由歐姆定律可知,導(dǎo)體兩端的電壓u=ir,又因為q=w=uit,可得,q=i2rt。(2)注意:焦耳定律是實驗規(guī)律,這

6、里的推導(dǎo)過程只是為了方便大家理解。(3)在推導(dǎo)過程中用到q=w,即電熱等于電功,但其實在非純電阻電路中,焦耳定律依然成立?！镜淅?多選)用一個額定電壓為220 v的電熱水器煮沸一壺水需要t s,如果不考慮電熱絲電阻受溫度的影響,那么()a.當(dāng)線路電壓為110 v時,煮沸一壺水需要2t sb.當(dāng)線路電壓為110 v時,煮沸一壺水需要4t sc.當(dāng)線路電壓為55 v時,煮沸一壺水需要4t sd.當(dāng)線路電壓為55 v時,煮沸一壺水需要16t s【解析】選b、d。由公式q=t,煮沸一壺水所需的熱量為q=t j。當(dāng)電壓變?yōu)樵瓉淼臅r,煮沸一壺水所需熱量沒變,因此時間要變?yōu)樵瓉淼?倍,即4t s,故a項錯

7、誤,b項正確;當(dāng)電壓變?yōu)樵瓉淼臅r,時間要變?yōu)樵瓉淼?6倍,即16t s,故c項錯誤,d項正確。1.(2020中山高二檢測)通過電阻r的電流為i時,在t時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為q, 若電阻為r, 電流為2i, 則在時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為()a.4qb.2qc.d.【解析】選b。通過電阻r的電流為i,根據(jù)焦耳定律得出在時間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量q=i2rt。通過電阻r的電流為i時,在t時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為q,則q=i2rt;若在時間內(nèi),通過電阻r的電流為2i,根據(jù)焦耳定律:q=(2i)2rt=2i2rt=2q,故a、c、d錯誤,b正確;故選b。2.如圖為一種服務(wù)型機(jī)器人,其額定功率為48 w,額定工作電壓為24 v,

8、機(jī)器人的鋰電池容量為20 ah。則機(jī)器人()a.額定工作電流為20 ab.充滿電后最長工作時間為2 hc.電池充滿電后總電量為7.2104 cd.以額定電流工作時每分鐘消耗能量為1 440 j【解析】選c。由p=ui知額定電流i=2 a,故a項錯誤;充滿電后,鋰電池容量為20 ah,最長工作時間t=10 h,故b項錯誤;電池充滿電后總電量q=it=203 600 c=7.2104 c,故c項正確;以額定電流工作時每分鐘消耗能量w=uit=2 880 j,故d項錯誤?！炯庸逃?xùn)練】改革開放以來,人們的生活水平和生活質(zhì)量有了較大的改善,電冰箱、空調(diào)、電視機(jī)等家用電器得到了普遍使用。根據(jù)圖中銘牌上提供

9、的信息,判斷在12小時內(nèi)正常使用的電冰箱與連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電風(fēng)扇消耗電能的情況是() a.電冰箱比電風(fēng)扇消耗電能多b.電風(fēng)扇比電冰箱消耗電能多c.電風(fēng)扇與電冰箱消耗電能一樣多d.電冰箱比電風(fēng)扇消耗電能可能多,也可能少【解析】選b。依據(jù)電冰箱銘牌可知,電冰箱在12 h內(nèi)消耗電能0.25 kwh,而電風(fēng)扇在12 h內(nèi)消耗電能w=pt=0.78 kwh,b項正確。知識點二純電阻電路和非純電阻電路1.純電阻電路:電流通過純電阻電路做功時,電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。2.非純電阻電路:含有電動機(jī)或電解槽等的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中,電流做功將電能除了部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外,還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能等其他形

10、式的能。3.純電阻電路和非純電阻電路的比較:純電阻電路非純電阻電路舉例白熾燈、電爐、電熨斗、電飯鍋電動機(jī)、電解槽能量轉(zhuǎn)化情況電功和電熱的關(guān)系w=q即iut=i2rtw=q+e其他uit=i2rt+e其他電功率和熱功率的關(guān)系p=p熱,即iu=i2rp=p熱+p其他即iu=i2r+p其他歐姆定律是否成立u=ir,i=,成立uir,iq,p電p熱?！镜淅咳∫粋€玩具小電機(jī),其內(nèi)阻r=1.0 ,把它接在如圖所示的電路中。(1)先夾住電機(jī)軸,閉合電鍵,小電機(jī)不轉(zhuǎn)。調(diào)整滑動變阻器的阻值,使電壓表的示數(shù)為0.50 v,記下電流表的示數(shù),算出小電機(jī)消耗的電功率和熱功率,并加以比較。(2)再松開夾子,使小電機(jī)轉(zhuǎn)

11、動,調(diào)整滑動變阻器的阻值,使電壓表的示數(shù)為2.0 v(此電壓為小電機(jī)的額定電壓),電流表的示數(shù)為0.4 a,算出小電機(jī)消耗的電功率和熱功率,并加以比較?！窘馕觥?1)小電機(jī)不轉(zhuǎn)時,電機(jī)是一個純電阻元件,電機(jī)的內(nèi)阻與滑動變阻器串聯(lián),u=0.50 v,由歐姆定律i=0.50 a則p電=ui=0.500.50 w=0.25 wp熱=i2r=0.5021.0 w=0.25 wp電=p熱(2)小電機(jī)轉(zhuǎn)動時,電機(jī)是非純電阻元件,u=2.0 v,i=0.40 a,p電=ui=2.00.40 w=0.80 wp熱=i2r=0.4021.0 w=0.16 wp電p熱答案:(1)0.25 w,0.25 w電功率等

12、于熱功率(2)0.80 w,0.16 w電功率大于熱功率1.一電動機(jī)線圈電阻為r,在它兩端加上電壓u,電動機(jī)正常工作,測得通過它的電流為i,電動機(jī)的機(jī)械功率是()a.i2rb.c.ui-i2rd.ui【解析】選c。電動機(jī)為非純電阻元件,電動機(jī)的電功率p=ui,熱功率p熱=i2r,所以機(jī)械功率是p機(jī)=p-p熱=ui-i2r,故c項正確。2.在如圖所示的電路中,輸入電壓u恒為8 v,燈泡l標(biāo)有“3 v6 w”字樣,電動機(jī)線圈的電阻rm=0.5 ,若燈泡恰能正常發(fā)光,整個電路消耗的電功率是_w。【解析】燈泡正常發(fā)光,則電路的電流i= a=2 a整個電路消耗的功率p總=ui=8 v2 a=16 w答案

13、:16【加固訓(xùn)練】電動自行車因輕便、價格相對低廉、污染和噪聲小而受到市民喜愛。某國產(chǎn)品牌電動自行車的銘牌如下,則此車所配電機(jī)的內(nèi)阻為()規(guī)格后輪驅(qū)動直流永磁電機(jī)車型:20電動自行車電機(jī)輸出功率175 w電源輸出電壓36 v額定工作電壓/電流36 v/5 a整車質(zhì)量40 kg額定轉(zhuǎn)速240 r/mina.7.2 b.0.2 c.7.0 d.7.4 【解析】選b。由額定電壓和額定電流可知電動自行車的輸入功率為:p1=365 w=180 w,由此可知電機(jī)的發(fā)熱功率為p2=180 w-175 w=5 w,根據(jù)公式:p2=i2r得:r=0.2 。知識點三閉合電路的功率問題1.閉合電路中的幾類功率:功率名

14、稱通用表達(dá)式純電阻表達(dá)式電源總功率p總=eip總=i2(r+r)內(nèi)部消耗功率p內(nèi)=i2rp內(nèi)=i2r電源輸出功率p外=u外ip外=i2r三者關(guān)系p總=p外+p內(nèi)2.純電阻電路中電源的輸出功率:p出=ui=i2r=。電源輸出功率隨外電阻變化關(guān)系如圖所示:(1)當(dāng)r=r時,電源的輸出功率最大,pm=。(2)當(dāng)rr時,隨著r增大,p出減小。(3)當(dāng)rr2+r。在滑動變阻器的滑片p由左端a向右滑動的過程中,以下說法正確的是()a.電源的輸出功率變小b.r2消耗的功率先變大后變小c.滑動變阻器消耗的功率先變大后變小d.以上說法都不對【解析】選c。滑片向右移動,滑動變阻器接入電路部分電阻變小,電路中的電流

15、變大,電源內(nèi)阻和電阻r2都是定值電阻,所以消耗的功率變大,故b項錯誤;在滑動的過程中內(nèi)阻始終小于外電阻,所以電源的輸出功率增大,故a項錯誤;考慮滑動變阻器上的功率消耗時可以把r2看成電源的一部分,當(dāng)滑動變阻器的阻值等于2r時,消耗的功率最大,當(dāng)滑動變阻器阻值小于2r時,消耗的功率變小,故c項正確。(多選)如圖所示,直線a為電源a的路端電壓與電流的關(guān)系圖線;直線b為電源b的路端電壓與電流的關(guān)系圖線;直線c為一個電阻r兩端電壓與電流的關(guān)系圖線。將這個電阻分別接到a、b兩電源上,那么()a.r接到b電源上時電源的效率高b.r接到b電源上時電源的輸出功率較大c.r接到a電源上時電源的輸出功率較大,但電

16、源效率較低d.r接到a電源上時電阻的發(fā)熱功率較大,電源效率也較高【解析】選a、c。由圖像可知,電源a給電阻r供電時,r兩端的電壓大,通過r的電流大。由p出=iu知,r接到a電源上,電源的輸出功率大。因為電源的效率=,而rarb,所以電源a的效率低,選項a、c正確。【加固訓(xùn)練】如圖所示,直線oac為某一直流電源的總功率隨電流i變化的圖線,曲線obc表示同一直流電源內(nèi)部的熱功率隨電流i變化的圖線。若a、b點的橫坐標(biāo)均為1 a,那么ab線段表示的功率為()a.1 wb.6 wc.2 wd.2.5 w【解析】選c。由圖像不難看出,在c點,電源的總功率等于電源內(nèi)部的熱功率,所以電源的電動勢為e=3 v,

17、短路電流為i=3 a,所以電源的內(nèi)阻為r=1 。圖像上ab段所表示的功率為pab=p總-i2r= (1 3-121) w=2 w。故正確選項為c?！就卣估}】考查內(nèi)容:閉合電路中功率極值問題【典例】如圖所示,電路中e=3 v,r=0.5 ,r0=1.5 ,滑動變阻器的最大阻值r=10 。(1)在滑動變阻器的阻值r為多大時,滑動變阻器上消耗的功率最大?最大為多大?(2)在滑動變阻器的阻值r為多大時,定值電阻r0上消耗的功率最大?最大為多大?【解析】(1)把r0歸入電源內(nèi)電阻,則滑動變阻器上消耗的功率,也就是電源的輸出功率。即當(dāng)r=r+r0=2 時,r消耗功率最大為:pm= w= w。(2)定值電

18、阻r0上消耗的功率可以表示為:p=i2r0,因為r0不變,當(dāng)電流最大時功率最大,此時應(yīng)有電路中電阻最小,即當(dāng)r=0時,r0上消耗的功率最大。pm=r0=1.5 w= w。答案:(1)2 w(2)0 w情境模型素養(yǎng)掃地機(jī)器人是智能家用電器的一種,正逐漸進(jìn)入我們的生活,如圖所示是一款集自動清掃技術(shù)和人工智能設(shè)計于一體的地面清掃機(jī)器人,已知其質(zhì)量為3 kg,它與地面的有效接觸面積為0.01 m2。探究:若該機(jī)器人工作時功率為75 w,在10 s內(nèi)沿直線勻速清掃的距離為5 m。(g取10 n/kg)掃地機(jī)器人在工作時,將什么能轉(zhuǎn)化為什么能?機(jī)器人做的功是多少?【解析】掃地機(jī)器人在工作時,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)

19、械能。機(jī)器人在10 s內(nèi)所做的功:w=pt=75 w10 s=750 j。答案:見解析家電待機(jī)耗電問題常常被市民所忽視。據(jù)有關(guān)部門測量,電視機(jī)待機(jī)一天的耗電量在0.2度左右。據(jù)統(tǒng)計濰坊市的常住人口900多萬人,以家庭300萬戶,用電器平均每天待機(jī)20小時計,參考表中數(shù)據(jù)。家庭常用電器電視機(jī)洗衣機(jī)空調(diào)電腦戶均數(shù)量/臺1121電器待機(jī)功耗/(w/臺)102310探究:試估算每年濰坊市家庭用電器待機(jī)耗電總量約為多少?【解析】一戶人家家電待機(jī)總功率為:p=10 w+2 w+23 w+10 w=28 w;一戶人家因待機(jī)一天消耗的電能為:e0=28203 600 j=2.016106 j;則每年濰坊市家庭

20、用電器待機(jī)耗電總量為:e=300104365e0;代入數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為度為單位可得:e=6.132108度,故每年濰坊市家庭用電器待機(jī)耗電總量約為6108度。答案:6108度課堂檢測素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.下列為幾種用電器銘牌上的標(biāo)稱值,當(dāng)用電器均正常工作時,電流最大的是()a.“6 v10 w”b.“6 v6 w”c.“110 v60 w”d.“220 v60 w”【解析】選a。由p=ui可知,a中電流為:ia= a= a; 由p=ui可知,b中電流為:ib= a=1 a;由p=ui可知,c中電流為:ic= a= a;由p=ui可知,d中電流為:id= a= a,故選a。2.額定電壓都是110 v、額定功率

21、pa=100 w、pb=40 w的燈泡兩盞,若接在電壓為220 v的電路上,使兩盞燈泡均能正常發(fā)光,且消耗功率最小的電路是()【解析】選c。判斷燈泡能否正常發(fā)光,就要判斷電壓是否是額定電壓,或電流是否是額定電流,對燈泡有p=ui=,可知rarb。對于a電路,由于raua,且有ub110 v,b燈被燒毀,uara,a燈又與滑動變阻器并聯(lián),并聯(lián)電阻小于rb,所以ubu并,b燈被燒毀,a燈不能正常發(fā)光。對于c電路,b燈與滑動變阻器并聯(lián),電阻可能等于ra,所以可能ua=ub=110 v,兩燈可以正常發(fā)光。對于d電路,若滑動變阻器的有效電阻等于a、b的并聯(lián)電阻,則ua=ub=110 v,兩燈可以正常發(fā)光