高一物理人教版選修3-1導(dǎo)學(xué)案：2.5-焦耳定律(2篇)

2-5焦耳定律[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道并理解電功、電功率的概念，并能利用公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算2.清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系3.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點(diǎn)和區(qū)別[學(xué)習(xí)過(guò)程]任務(wù)一：閱讀課本，并回答下面兩個(gè)問(wèn)題。1.如圖1所示，電路中電流為I，通電時(shí)間為t，那么在這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)這段電路的電荷量是多少？如果電路左、右兩端的電勢(shì)差是U，在電荷q從左端移到右端的過(guò)程中．靜電力做的功是多少？2.電流做功的“快慢”與電流做功的“多少”是否相同，兩者間有何關(guān)系？1.電功的實(shí)質(zhì)：電流通過(guò)一段電路所做的功，實(shí)質(zhì)是電場(chǎng)力在這段電路中所做的功．電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，即電功等于電路中電能的減少量．2.電功的計(jì)算公式：W＝IUt.電功的單位：焦耳，符號(hào)為J.常用的單位還有：千瓦時(shí)(kW·h)，也稱“度”，1kW·h＝3.6×106J．3.電功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功．它表示電流做功的快慢．電功率的計(jì)算公式：P＝eq\f(W,t)＝IU,_電功率的單位：瓦特，符號(hào)為W.任務(wù)二：某一電路中只含有某一電器元件，即白熾燈、電動(dòng)機(jī)、電爐、電容器、電熨斗、電飯鍋、電解槽其中的一種，分析哪些屬于純電阻電路，哪些屬于非純電阻電路．任務(wù)三：閱讀課本，寫(xiě)出焦耳定律的表達(dá)式，并說(shuō)出適用條件。1.焦耳定律(1)電流通過(guò)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(shí)間成正比．(2)公式：Q＝I2Rt.2.熱功率(1)電阻通電所產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生這些熱量所用時(shí)間的比值，叫做熱功率．(2)表達(dá)式：P＝eq\f(Q,t)＝I2R.3.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．此時(shí)電功等于電熱W＝Q＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t,電功率等于熱功率P＝P熱＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R).4.非純電阻電路：含有電動(dòng)機(jī)或電解槽的電路稱為非純電阻電路．在非純電阻電路中，電流做的功一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能，還有一小部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．此時(shí)電功大于電熱：W＝UIt＝Q＋E其他>Q＝I2Rt，電功率大于熱功率：P＝UI＝P熱＋P其他>P熱＝I2R.任務(wù)四：完成以下練習(xí)，檢測(cè)本節(jié)課學(xué)習(xí)效果。1.關(guān)于三個(gè)公式P＝UI，P＝I2R，P＝eq\f(U2,R)的適用范圍，以下說(shuō)法正確的是()A.第一個(gè)公式普遍適用于求電功率，后兩式普遍適用于求熱功率B.在純電阻電路中，三個(gè)公式既可適用于求電功率，又可適用于求熱功率C.在非純電阻電路中，第一個(gè)公式可適用于求電功率，第二個(gè)公式可用于求熱功率，第三個(gè)公式?jīng)]有意義D.由U＝IR可知，三個(gè)公式?jīng)]有任何區(qū)別，它們表達(dá)相同的意義，所求P既是電功率，也是熱功率2.一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻與一只電爐的電阻相同，都通過(guò)相同的電流，在相同時(shí)間內(nèi)()A.電爐放熱與電動(dòng)機(jī)放熱相等B.電爐兩端電壓小于電動(dòng)機(jī)兩端電壓C.電爐兩端電壓等于電動(dòng)機(jī)兩端電壓D.電動(dòng)機(jī)消耗的功率大于電爐的功率3.如圖所示，直流電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為R，當(dāng)該電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端電壓為U，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為I，則()A.電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱功率為I2RB.電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率為IUC.電動(dòng)機(jī)的總功率為IUD.電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率為IU－I2R4.有規(guī)格為“220V1000W”的電爐，問(wèn)它在正常工作時(shí)的電阻；如果電壓只有200V，求它實(shí)際消耗的功率．

5焦耳定律學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.理解電功和電功率的概念，知道電流做功的實(shí)質(zhì)．(重點(diǎn))2．理解電功和電熱的區(qū)別，會(huì)區(qū)分純電阻電路和非純電阻電路．(難點(diǎn))3．理解電功率和熱功率．(重點(diǎn))4．會(huì)從能量守恒角度理解焦耳定律．(難點(diǎn))電功和電功率eq\o([先填空])1．電功(1)定義：電流在一段電路中所做的功等于這段電路兩端的電壓、電路中的電流、通電時(shí)間三者的乘積．(2)公式：W＝IUt.(3)單位：國(guó)際單位是焦耳，符號(hào)是J.(4)意義：描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的多少．2．電功率(1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功．(2)公式：P＝IU.(3)單位：瓦特，符號(hào)是W.(4)意義：描述電能轉(zhuǎn)化為其他能的快慢或者是電流做功的快慢eq\o([再判斷])1．電功與電能的單位相同，電功就是電能．(×)2．電功率越大，電功越大．(×)3．1千瓦時(shí)＝3.6×106J．(√)eq\o([后思考])用電器額定功率越大，接在電路中電流做的功越多，這樣說(shuō)法對(duì)嗎？【提示】不對(duì)，電流做功一方面與電功率有關(guān)，另一方面還與通電時(shí)間有關(guān)，只有電功率與時(shí)間乘積大時(shí)，電流做功才多．eq\o([合作探討])將額定電壓均為1.5V，額定功率分別為0.3W和0.5W的小燈泡A、B串聯(lián)起來(lái)接在電壓為U的電源上，兩燈泡均發(fā)光．探討1：A、B兩燈泡的電壓能否同時(shí)達(dá)到額定電壓？【提示】不能．探討2：A、B兩燈泡中，哪個(gè)燈泡更亮一些？【提示】由R＝eq\f(U2,P)可知，RA＞RB，兩燈泡串聯(lián)時(shí)，由P＝I2R可知，PA＞PB，故A燈更亮一些．eq\o([核心點(diǎn)擊])1．串聯(lián)電阻的功率分配(1)分配規(guī)律：各電阻上的電功率與電阻成正比，即eq\f(P1,P2)＝eq\f(R1,R2)，eq\f(Pn,P總)＝eq\f(Rn,R總).證明：串聯(lián)電阻各部分電流相同，由P＝I2R知P1＝I2R1，P2＝I2R2，Pn＝I2Rn，P總＝I2R總，則eq\f(P1,P2)＝eq\f(R1,R2)，eq\f(Pn,P總)＝eq\f(Rn,R總).(2)總功率：電阻消耗的總功率等于各電阻消耗的功率之和．證明：P總＝IU總＝I(U1＋U2＋…＋Un)＝IU1＋I(xiàn)U2＋…＋I(xiàn)Un＝P1＋P2＋…＋Pn2．并聯(lián)電阻的功率分配(1)分配規(guī)律：各支路電阻上的電功率與電阻成反比，即eq\f(P1,P2)＝eq\f(R2,R1)，eq\f(Pn,P總)＝eq\f(R總,Rn).證明：并聯(lián)電阻各部分電壓相同，由P＝eq\f(U2,R)知P1＝eq\f(U2,R1)，P2＝eq\f(U2,R2)，Pn＝eq\f(U2,Rn)，P總＝eq\f(U2,R總)，則eq\f(P1,P2)＝eq\f(R2,R1)，eq\f(Pn,P總)＝eq\f(R總,Rn).(2)總功率：電路消耗的總功率等于各電阻消耗的功率之和，即P總＝P1＋P2＋…＋Pn.證明：P總＝IU＝(I1＋I(xiàn)2＋…＋I(xiàn)n)U＝I1U＋I(xiàn)2U＋…＋I(xiàn)nU＝P1＋P2＋…Pn.3．額定功率和實(shí)際功率的比較額定功率實(shí)際功率區(qū)別用電器上標(biāo)著的功率，即用電器正常工作時(shí)的功率．額定功率的大小是由用電器本身的因素決定的，與外加因素?zé)o關(guān)用電器實(shí)際工作時(shí)消耗的電功率．為了使用電器不被燒壞，要求其實(shí)際功率不能大于額定功率計(jì)算當(dāng)用電器兩端電壓達(dá)到額定電壓U額時(shí)，電流達(dá)到額定電流I額，電功率也達(dá)到額定功率P額，且P額＝U額I額，對(duì)于純電阻用電器P額＝Ieq\o\al(2,額)R＝eq\f(U\o\al(2,額),R)用電器兩端的實(shí)際電壓為U實(shí)，實(shí)際電流為I實(shí)，則P實(shí)＝I實(shí)U實(shí)，對(duì)于純電阻用電器，P實(shí)＝Ieq\o\al(2,實(shí))R＝eq\f(U\o\al(2,實(shí)),R)聯(lián)系用電器兩端所加電壓為額定電壓時(shí)，用電器的實(shí)際功率等于額定功率注意無(wú)論用電器是否在額定電壓下工作，通常認(rèn)為用電器的電阻是恒定不變的，這是利用用電器的額定值計(jì)算實(shí)際功率的一個(gè)關(guān)鍵和橋梁1．如圖2-5-1所示，把兩個(gè)相同的燈泡分別接在甲、乙電路中，甲電路兩端的電壓為8V，乙電路兩端的電壓為16V．調(diào)節(jié)變阻器R1和R2使兩燈都正常發(fā)光，此時(shí)變阻器消耗的功率分別為P1和P2，兩電路中消耗的總功率分別為P甲和P乙，則下列關(guān)系中正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：34522026】圖2-5-1A．P甲<P乙 B．P甲>P乙C．P1>P2 D．P1＝P2【解析】由燈都正常發(fā)光可知，R1中電流是R2中電流二倍，R1兩端電壓是R2兩端電壓的二分之一，兩變阻器消耗的功率相等，兩電路中消耗的總功率相等，選項(xiàng)D正確，A、B、C錯(cuò)誤．【答案】D2．額定電壓都是110V，額定功率PA＝100W，PB＝40W的電燈兩盞，若接在電壓是220V的電路上，使兩盞電燈均能正常發(fā)光，且電路中消耗功率最小的電路是()ABCD【解析】對(duì)燈泡有P＝UI＝eq\f(U2,R)，可知：RA<RB，對(duì)于A電路，由于RA<RB，所以UB>UA，且有UB>110V，B燈被燒毀，UA<110V不能正常發(fā)光，A錯(cuò)誤．對(duì)于B電路，由于RB>RA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UB>U并，B燈被燒毀．對(duì)于C電路，B燈與變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110V，兩燈可以正常發(fā)光．對(duì)于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UA＝UB＝110V，兩燈可以正常發(fā)光．比較C、D兩個(gè)電路，由于C電路中變阻器功率為(IA－IB)×110，而D電路中變阻器功率為(IA＋I(xiàn)B)×110，所以C電路消耗電功率最?。敬鸢浮緾求解功率的三個(gè)技巧(1)在純電阻電路中，比較用電器的電功率時(shí)，要根據(jù)已知條件靈活選用公式，如用電器電流相同時(shí)，用P＝I2R比較；若電壓相同時(shí)，用P＝eq\f(U2,R)比較；若電阻相同時(shí)，可根據(jù)I或U的關(guān)系比較．(2)求解串、并聯(lián)電路中的功率分配問(wèn)題，比例法求解會(huì)使問(wèn)題簡(jiǎn)化，但一定要明確是正比還是反比關(guān)系．(3)當(dāng)求解用電器的功率時(shí)，要明確求解的是什么功率．實(shí)際功率與額定功率不一定相等．焦耳定律eq\o([先填空])1．內(nèi)容：電流通過(guò)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(shí)間成正比．2．表達(dá)式：Q＝I2Rt.3．熱功率eq\o([再判斷])1．電流流過(guò)筆記本電腦時(shí)，電功一定等于電熱．(×)2．根據(jù)I＝eq\f(U,R)可導(dǎo)出P＝eq\f(U2,R)，該公式用于任何用電器．(×)3．電流通過(guò)電解槽時(shí)，電功大于電熱．(√)eq\o([后思考])標(biāo)有“220V40W”的白熾燈泡和“220V40W”的電動(dòng)機(jī)，把它們并聯(lián)后接到220V的照明電路中，二者都能正常工作，它們?cè)谙嗤臅r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電熱相同嗎？【提示】不同，“220V40W”白熾燈通電時(shí)將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而“220V40W”的電動(dòng)機(jī)，通電后消耗的電能一部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能另一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．eq\o([合作探討])如圖2-5-2所示，電壓U恒為12V，燈泡L上標(biāo)有“6V12W”，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻RM＝0.50Ω.圖2-5-2探討1：燈泡L上流過(guò)的電流是否可以用IL＝eq\f(U,RL＋RM)求解？為什么？【提示】不可以，因?yàn)橛须妱?dòng)機(jī)工作的電路不是純電阻的電路．探討2：若燈泡恰好正常發(fā)光，則電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱功率各多大？【提示】P＝IMUM＝eq\f(PL,UL)(U－UL)＝12W.P熱＝Ieq\o\al(2,M)RM＝(eq\f(PL,UL))2·RM＝2W.eq\o([核心點(diǎn)擊])1．純電阻電路和非純電阻電路純電阻電路非純電阻電路元件特點(diǎn)電路中只有電阻元件電路中除電阻外，還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的用電器電流、電壓、電阻三者的關(guān)系遵循歐姆定律I＝eq\f(U,R)不遵循歐姆定律，U>IR或I<eq\f(U,R)能量轉(zhuǎn)化形式電流做功，電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能電流做功，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和其他形式的能量元件舉例電阻、電爐絲、白熾燈電動(dòng)機(jī)、電解槽2.電功與電熱的比較純電阻電路非純電阻電路能量轉(zhuǎn)化電功W＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝UIt電熱Q＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tQ＝I2Rt關(guān)系W＝QW＞Q3.電功率與電熱功率的比較純電阻電路非純電阻電路電功率P電＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R)P電＝UI熱功率P熱＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R)P熱＝I2R關(guān)系P電＝P熱P電＞P熱3．下列關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是()A．電功率越大，電流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多B．W＝UIt適用于任何電路，而W＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t只適用于純電阻電路C．在非純電阻電路中，UI>I2RD．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路【解析】電功率公式為P＝eq\f(W,t)，功率越大，表示電流做功越快．對(duì)于一段電路，有P＝IU，I＝eq\f(P,U)，焦耳熱Q＝(eq\f(P,U))2Rt，可見(jiàn)Q與P、U、t都有關(guān)．所以，P越大，Q不一定越大，A錯(cuò)；W＝UIt是電功的定義式，適用于任何電路，而I＝eq\f(U,R)只適用于純電阻電路，B正確；在非純電阻電路中，電流做的功＝焦耳熱＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C正確；Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路中產(chǎn)生的焦耳熱，D正確．【答案】A4．(多選)如圖2-5-3所示是一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電路圖，其中電動(dòng)機(jī)內(nèi)電阻r＝1Ω，電路中另一電阻R＝9Ω，直流電壓U＝180V，理想電壓表示數(shù)UV＝135V，電動(dòng)機(jī)正以v＝1m/s勻速豎直向上提升某重物，g取10m/s2，下列判斷正確的是()圖2-5-3A．通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流是18AB．輸入電動(dòng)機(jī)的電功率是675WC．電機(jī)的輸出功率是25WD．重物的質(zhì)量是65kg【解析】通過(guò)R的電流為：I＝eq\f(U－UV,R)＝eq\f(180－135,9)A＝5A，故A錯(cuò)誤；電動(dòng)機(jī)的輸入功率為：P1＝UVI＝135×5W＝675W，故B正確；電動(dòng)機(jī)內(nèi)電阻的發(fā)熱功率為：P2＝I2r＝52×1W＝25