2024-2025學(xué)年高中物理第3章恒定電流第3節(jié)焦耳定律學(xué)案魯科版選修3-1

PAGE7-第3節(jié)焦耳定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．知道電功的概念，駕馭電功和電功率的計(jì)算。(物理觀念)2．知道焦耳定律，會(huì)依據(jù)焦耳定律計(jì)算用電器產(chǎn)生的電熱。(科學(xué)思維)3．知道純電阻電路與非純電阻電路的差別，會(huì)結(jié)合實(shí)際，區(qū)分電功和電熱。(科學(xué)思維)一、電能電功和電功率電功電功率概念電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的自由電荷所做的功單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功公式W＝qU＝UItP＝eq\f(W,t)＝UI單位焦耳，符號(hào)J瓦特，簡(jiǎn)稱(chēng)瓦，符號(hào)W物理意義描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少描述電流做功的快慢二、焦耳定律1．內(nèi)容：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導(dǎo)體的電阻成正比，與通電時(shí)間成正比。2．公式：Q＝I2Rt。3．適用：用于任何電路電熱的計(jì)算。三、身邊的電熱1．電熱水器、電飯鍋等家用電器是利用了電流的熱效應(yīng)，其電阻絲都是由電阻率較大的材料制成的。2．電焊是在焊接的金屬接觸面上通過(guò)電流，利用接觸電阻產(chǎn)生的熱量得到適合焊接的高溫，從而對(duì)接觸面進(jìn)行焊接的一種方法。3．插頭和插座之間、電線連接處假如接觸不良，都會(huì)產(chǎn)生大電阻，簡(jiǎn)單發(fā)熱，甚至迸出火花。4．電視機(jī)和顯示器的后蓋有許多孔，計(jì)算機(jī)的CPU要安裝散熱片及風(fēng)扇，都是為了散熱。1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)千瓦時(shí)(kW·h)是電功的常用單位。1kW·h＝3.6×106J。 (√)(2)電流做功的過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。 (√)(3)電功率越大，電流做功肯定越快。 (√)(4)任何電路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 (×)[提示]只有純電阻電路中W＝Q。2．(多選)對(duì)電功及焦耳定律公式的理解正確的是()A．焦耳定律適用于一切電路的焦耳熱的求解B．電功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都適合于任何電路，因此W不肯定等于QC．非純電阻電路中的電功可能等于焦耳熱D．電功的另一表達(dá)式W＝eq\f(U2,R)t適用于任何電路AB[任何電路的熱功以及焦耳熱的求解都可用焦耳定律求解，A正確；B選項(xiàng)中的兩個(gè)公式均適合于任何電路，但W不肯定等于Q，B正確；在非純電阻電路中的電功肯定大于焦耳熱，C錯(cuò)誤；W＝eq\f(U2,R)t只適用于純電阻電路，D錯(cuò)誤。]3．在直流電路中，兩個(gè)電阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通過(guò)的電流之比I1∶I2＝2∶1，則在相等時(shí)間內(nèi)兩個(gè)電阻產(chǎn)生的熱量之比Q1∶Q2為()A．1∶1 B．2∶1C．4∶1 D．8∶1D[已知兩個(gè)電阻的阻值之比是2∶1，通過(guò)的電流之比是2∶1，則相等時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比eq\f(Q1,Q2)＝eq\f(I\o\al(2,1)R1t,I\o\al(2,2)R2t)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,1)))eq\s\up12(2)×eq\f(2,1)＝eq\f(8,1)，故D正確。]電功和電功率電熱和熱功率1．對(duì)電功的理解(1)從力的角度看，電流做功的實(shí)質(zhì)是電場(chǎng)力對(duì)自由電荷做功。(2)從能的角度看，電流做功過(guò)程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程，電功的大小量度了電能的削減量，標(biāo)記著電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少。(3)電功W＝UIt＝qU對(duì)任何電路都適用。2．對(duì)電功率的理解電功率描述電流做功的快慢，電功率大電流做功快，電功率小電流做功慢。(1)電功率P＝eq\f(W,t)＝UI對(duì)任何電路都適用。(2)額定功率和實(shí)際功率①額定功率：用電器正常工作所消耗的功率。②實(shí)際功率：用電器在實(shí)際電壓下電流做功的功率。3．電熱和熱功率(1)電熱的計(jì)算公式為Q＝I2Rt(焦耳定律)。(2)熱功率的計(jì)算公式為P熱＝I2R。4．電功和電熱的比較電功電熱實(shí)質(zhì)電場(chǎng)力對(duì)自由電荷做的功由于電流的熱效應(yīng)，電流通過(guò)導(dǎo)體發(fā)熱計(jì)算公式W＝qU＝UItQ＝I2Rt聯(lián)系與區(qū)分純電阻電路中，電功等于電熱，即W＝Q在非純電阻電路中，電功大于電熱，即W>Q電功率與熱功率純電阻電路中，電功率等于熱功率，即P＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R)非純電阻電路中，電功率大于熱功率，即UI>I2R【例1】(多選)有一內(nèi)阻為4.4Ω的直流電動(dòng)機(jī)和一盞標(biāo)有“110V60W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220V的直流電源兩端，燈泡正常發(fā)光，則()A．直流電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為120WB．直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率為60WC．直流電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為60WD．電路消耗的總功率為120W思路點(diǎn)撥：①流過(guò)電動(dòng)機(jī)和燈泡的電流相等。②依據(jù)公式P＝UI和P＝I2r計(jì)算電功率和熱功率。CD[“燈泡正常發(fā)光”說(shuō)明燈泡的實(shí)際電壓為110V，電流I＝eq\f(60,110)A＝eq\f(6,11)A，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為110V，電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為110V×eq\f(6,11)A＝60W，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，C正確；直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(6,11)))eq\s\up12(2)×4.4W＝1.3W，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電路消耗的總功率為eq\f(6,11)×220W＝120W，選項(xiàng)D正確。]四個(gè)電學(xué)公式的適用范圍(1)電功W＝UIt＝qU普遍適用。(2)I＝eq\f(q,t)為電流的定義式，普遍適用。(3)I＝eq\f(U,R)只適用于純電阻電路。(4)電熱Q＝I2Rt普遍適用。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．在現(xiàn)代生活中，充電寶是手機(jī)一族出行的必備品。當(dāng)充電寶電量不足時(shí)，須要給充電寶充電，此時(shí)充電寶相當(dāng)于可充電的電池，充電過(guò)程可簡(jiǎn)化為如圖所示電路。先給一充電寶充電，充電電壓為5V，充電電流為1000mA，充電寶的內(nèi)阻為0.2Ω。試求：(1)充電寶的輸入功率；(2)充電寶內(nèi)阻消耗的熱功率；(3)一分鐘內(nèi)充電寶儲(chǔ)存的電能。[解析](1)充電寶的輸入功率為P入＝UI＝5×1000×10－3W＝5W。(2)充電寶內(nèi)阻消耗的熱功率為P熱＝I2r＝12×0.2W＝0.2W。(3)一分鐘內(nèi)充電寶儲(chǔ)存的電能為Q＝P入t－P熱t(yī)＝5×60J－0.2×60J＝288J。[答案](1)5W(2)0.2W(3)288J純電阻電路和非純電阻電路1．純電阻電路與非純電阻電路(1)純電阻電路：電流通過(guò)純電阻電路做功時(shí)，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(dòng)機(jī)或電解槽的電路稱(chēng)為非純電阻電路。在非純電阻電路中，電流做的功將電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能。2．純電阻電路和非純電阻電路的比較項(xiàng)目純電阻電路非純電阻電路能量轉(zhuǎn)化狀況電功和電熱的關(guān)系W＝Q即IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝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＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝P熱＋P其他即IU＝I2R＋P其他歐姆定律是否成立U＝IR，I＝eq\f(U,R)成立U＞IR，I＜eq\f(U,R)不成立【例2】小明打算參與玩具賽車(chē)競(jìng)賽，他想通過(guò)試驗(yàn)選擇一只能量轉(zhuǎn)換效率較高的電動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)時(shí)他先用手捏住電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使其不轉(zhuǎn)動(dòng)，然后放手，讓電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，分別將2次試驗(yàn)的有關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表格中。請(qǐng)問(wèn)：電動(dòng)機(jī)的電壓/V電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流/A0.2不轉(zhuǎn)動(dòng)0.42.0正常轉(zhuǎn)動(dòng)1.0(1)這只電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為多少？(2)當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率是多少？(3)當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作1min時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗的電能是多少？(4)該玩具電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率是多少？思路點(diǎn)撥：[解析](1)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是純電阻電路，依據(jù)歐姆定律得：r＝eq\f(Ur,Ir)＝eq\f(0.2,0.4)Ω＝0.5Ω。(2)當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，P機(jī)＝UI－I2r＝(2×1－12×0.5)W＝1.5W。(3)當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作1分鐘時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗的電能E＝UIt＝2×1×60J＝120J。(4)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率η＝eq\f(P機(jī),P總)×100%＝eq\f(1.5,2)×100%＝75%。[答案](1)0.5Ω(2)1.5W(3)120J(4)75%若上例中用此電機(jī)豎直吊起質(zhì)量為m＝0.1kg的物體，則其正常工作時(shí)物體勻速上升的速度是多大？(取g＝10m/s2)[解析]由例題可知，該電機(jī)正常工作時(shí)，輸出功率P機(jī)＝1.5W。由P機(jī)＝mg·v可知v＝eq\f(P機(jī),mg)＝eq\f(1.5,1)m/s＝1.5m/s。[答案]1.5m/s電動(dòng)機(jī)電路的分析與計(jì)算[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．某一電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電壓U1＝10V時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載，因此不轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電流為I1＝2A。當(dāng)電壓為U2＝36V時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)電流為I2＝1A。則這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率是多少瓦？[解析]當(dāng)電壓U1＝10V時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電流為I1＝2A，依據(jù)歐姆定律，有：R＝eq\f(U1,I1)＝eq\f(10,2)Ω＝5Ω，當(dāng)電壓為U2＝36V時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)電流為：I2＝1A，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率是：P＝U2I2－Ieq\o\al(2,2)R＝36×1W－12×5W＝31W。[答案]31課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)4個(gè)概念－－電功、電功率、電熱、熱功率4個(gè)公式－－W＝IUt、P＝IU、Q＝I2Rt、P熱＝I2R2個(gè)電路－－純電阻電路和非純電阻電路1．下列家用電器在工作時(shí)，主要利用電流熱效應(yīng)的是()A．電熨斗 B．電冰箱C．吸塵器 D．電風(fēng)扇A[電熨斗是利用了電流的熱效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生熱量的，故A正確。電冰箱利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作，利用了電流的磁效應(yīng)，故B錯(cuò)誤。吸塵器工作時(shí)，主要將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，不是利用電流的熱效應(yīng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。電風(fēng)扇主要是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是利用了電流的磁效應(yīng)，故D錯(cuò)誤。]2．(多選)甲、乙兩只一般照明燈泡的銘牌如圖所示，下列說(shuō)法正確的是()A．甲燈的實(shí)際功率肯定總是40WB．將乙燈接入110V電路中，它的額定功率仍為60WC．兩燈均正常發(fā)光時(shí)，甲燈燈絲電阻較大D．兩燈均正常發(fā)光時(shí)，甲燈消耗的電能較少BCD[燈泡的銘牌上標(biāo)記的是額定電壓和額定功率，當(dāng)工作電壓不是220V時(shí)，燈泡的實(shí)際功率不再是額定功率，但額定功率不會(huì)隨電壓改變而改變，A錯(cuò)誤，B、D正確；由R＝eq\f(U2,P)可知C正確。]3．下列說(shuō)法正確的是()A．家庭生活中，常說(shuō)的“1度”電，指的是電功率的單位B．功率是1千瓦的空調(diào)正常工作1個(gè)小時(shí)所消耗的電功是1度C．1度等于1000焦耳D．1度等于3.6×106瓦B[“度”是電功單位，1度＝1kW·h＝1×103W×3600s＝3.6×106J，故A、C、D錯(cuò)誤；功率為1千瓦的空調(diào)正常工作1個(gè)小時(shí)消耗的電功為W＝Pt＝1kW·h＝1度，B正確。]4．某商場(chǎng)安裝了一臺(tái)傾角為30°的自動(dòng)扶梯，該扶梯在電壓為380V的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下以0.4m/s的恒定速度向斜上方移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為4.9kW。不載人時(shí)測(cè)得電動(dòng)機(jī)中的電流為5A，若載人時(shí)扶梯的移動(dòng)速度和不載人時(shí)的移動(dòng)速度相同，則這臺(tái)自動(dòng)扶梯可同