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1.电路中的能量转化学习目标思维导图1.理解电功、电功率的概念,并能利用公式进行有关计算。2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系。3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别。必备知识自我检测一、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。电流做功把电能转化为其他形式的能。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、通电的时间t三者的乘积。(2)公式:W=Uq=UIt。(3)单位:国际单位为焦耳,符号为J。3.电功率(1)物理意义:表示电流做功快慢的物理量(2)定义:电流在一段电路中做功的功率等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积。(3)公式:P=𝑊𝑡=UI。(4)单位:瓦特,符号W。必备知识自我检测二、焦耳定律1.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。2.电热功率(1)定义:电流在单位时间内的发热量通常称为电热功率。(2)表达式P热=I2R。三、电路中的能量转化以电动机为例,设电动机消耗的功率为P电,电动机对外做功,输出的功率为P机,另外,电动机工作时自身也有能量损失,对应的功率为P损,它们之间满足P电=P机+P损。设电动机两端的电压为U,通过电动机线圈的电流为I,电动机线圈的电阻为R,P电=UI,P损=P热=I2R,P机=UI-I2R。必备知识自我检测1.正误判断。(1)电功与电能的单位都是焦耳,电功就是电能。()解析:电功是过程量,电能是状态量,两者只是单位相同,有本质的区别,电能的变化要依靠电流做功来实现,电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。答案:×(2)电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多。()解析:电功率公式为P=UI,功率越大,表示电流做功越快。但是电流做功的快慢只表示电能转化的快慢,转变成什么能与用电器有关,转化的多少还与时间有关。答案:×必备知识自我检测(3)电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。()解析:功是能量转化的量度,电流做多少功就有多少电能转化为其他形式的能量。答案:√(4)电功率越大,表示电流做功越多。()解析:电功率表示电流做功的快慢,电功率大,表示电流做功快,但做功不一定多。答案:×(5)W=UIt适用于任何电路求电功。()答案:√(6)Q=I2Rt适用于任何电路求热量。()答案:√必备知识自我检测2.R1和R2分别标有“2Ω1.0A”和“4Ω0.5A”,将它们串联后接入电路中,如图所示,则此电路中允许消耗的最大功率为()A.1.5WB.3.0WC.5.0WD.6.0W解析:把R1和R2串联后,由于R2的最大电流较小,故串联后的最大电流为0.5A,串联后的总电阻为6Ω,所以电路的最大功率为P=I2R=0.52×6W=1.5W,A正确。答案:A必备知识自我检测3.(多选)一只电炉的电阻丝电阻和一台电动机线圈电阻相同,都为R,设通过的电流相同,则(在相同时间内)下列说法正确的是()A.电炉和电动机产生的电热相等B.电动机消耗功率大于电炉消耗功率C.电炉两端电压小于电动机两端电压D.电炉和电动机两端电压相等解析:因为电热Q=I2Rt,所以当电流I、电阻R都相等时,在相同时间内产生电热也相等;电炉两端的电压U=IR,但电动机两端的电压除了发热还要工作,即U=IR+U',所以电炉两端电压小于电动机两端电压,由P=UI可知电动机消耗功率大于电炉消耗功率。答案:ABC探究一探究二随堂检测电功和电功率情景导引如图所示,已知电路两端的电势差为U,电路中的电流为I,在t时间内通过导体某截面的电荷量是多少?把这些电荷从左端移到右端,电场力做功是多少?要点提示:由电流的定义式可得通过某截面的电荷量q=It,根据静电力做功的公式W=qU,可得W=IUt。探究一探究二随堂检测知识归纳1.对电功的理解(1)从力的角度看,电流做功的实质是静电力对自由电荷做功。(2)从能的角度看,电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程,电功的大小量度了电能的减少量,标志着电能转化为其他形式的能的多少。(3)电功W=UIt=qU对任何电路都适用。2.对电功率的理解(1)电功率P==UI对任何电路都适用。(2)额定功率和实际功率①额定功率:用电器正常工作所消耗的功率。②实际功率:用电器在实际电压下电流做功的功率。为了使用电器不被烧毁,要求实际功率不能大于其额定功率。𝑊𝑡探究一探究二随堂检测3.串、并联电路中的功率关系串联电路并联电路功率分配各个电阻消耗的电功率与它们的电阻成正比,即P1P2=R1R2各个电阻消耗的电功率与它们的电阻成反比,即P1P2=R2R1功率关系总功率等于各个电阻上消耗的功率之和,即P=P1+P2+…+Pn画龙点睛串联电路中大电阻功率大,并联电路中小电阻功率大,无论串联与并联,总功率都是各个电阻消耗的电功率之和。探究一探究二随堂检测实例引导例1一根电阻丝,通过2C的电荷量所消耗的电能是8J。若在相同的时间内通过4C的电荷量,该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是()A.4V,16JB.8V,16JC.4V,32JD.8V,32J解析:设电阻丝电阻为R,开始所加电压为U1,则W1=q1U1,故U1=4V。设后来所加电压为U2,产生的热量为W2,则I2=𝑞2𝑡=𝑈2𝑅①又I1=𝑞1𝑡=𝑈1𝑅②由①②得U2=𝑞2𝑞1U1=42×4V=8VW2=q2U2=4×8J=32J。答案:D探究一探究二随堂检测变式训练1不考虑温度对电阻的影响,对一个“220V40W”的灯泡,下列说法正确的是()A.接在110V的电路上时的功率为20WB.接在110V的电路上时的功率为10WC.接在440V的电路上时的功率为160WD.接在220V的电路上时的功率为80W解析:由P=𝑈2𝑅得,灯泡的电阻R=220240Ω=1210Ω,所以电压为110V时,P=11021210W=10W。电压为440V时,超过灯泡的额定电压一倍,灯泡烧坏,P=0。电压为220V时,P=40W,选项B正确。答案:B探究一探究二随堂检测焦耳定律情景导引(1)某一电路中只含有某一元件,即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中的一种,分析哪些属于纯电阻电路,哪些属于非纯电阻电路。(2)纯电阻电路中,消耗的电能转化为什么形式的能?对于电动机的电路,消耗的电能转化为什么形式的能?要点提示:(1)纯电阻电路有:白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅;非纯电阻电路有:电动机、电解槽、电容器。(2)内能。内能和机械能。探究一探究二随堂检测知识归纳1.纯电阻电路和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的能的用电器欧姆定律是否适用欧姆定律适用,I=UR欧姆定律不适用,UIR或IUR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、电解槽等探究一探究二随堂检测2.电功与电热的比较电功电热电功与电热的比较电功实质是静电力移动电荷做的功,W=qU=UIt电热是由于电流的热效应,电流通过导体发热,Q=I2Rt电功与电热的联系与区别纯电阻电路电流做功全部转化为内能:W=Q=UIt=I2Rt=U2Rt非纯电阻电路电流做功转化为内能和其他形式的能量:电功W=UIt;电热Q=I2Rt。W=Q+W其他探究一探究二随堂检测电功电热电功率与热功率的关系纯电阻电路中,P=UI=I2R=U2R非纯电阻电路中UII2R,U2Rt既不能表示电功,也不能表示电热画龙点睛不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路,计算电功时都可以用W=UIt,电功率都可以用P=UI,热量都可以用Q=I2Rt,热功率都可以用P=I2R。若用变形式时,就要考虑是否是纯电阻电路。探究一探究二随堂检测实例引导例2规格为“220V36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,求:(1)接上220V的电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率。(2)如果接上220V的电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率。探究一探究二随堂检测解析:(1)排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为I=𝑃𝑈=36220A≈0.16A,发热功率为P热=I2R=(0.16)2×40W≈1W。转化为机械能的功率为P机=P-P热=36W-1W=35W。(2)扇叶被卡住不能转动后,电动机成为纯电阻用电器,电流做功全部转化为热能,此时电动机中电流为I'=𝑈𝑅=22040A=5.5A,电动机消耗的功率即电功率等于热功率:P电'=P热'=UI'=220×5.5W=1210W。答案:(1)35W1W(2)1210W1210W探究一探究二随堂检测画龙点睛电动机电路的分析与计算(1)当电动机正常工作时,要注意分清电功和电热的关系,电动机消耗的电能也就是电流做的功W=UIt,电动机产生的内能必须用Q=I2Rt来求。另外,还要注意能量守恒定律的应用,即W=Q+E(E为其他形式的能)或P电=P机+P热,其中P电=UI,P热=I2R,P机为机械功率。(2)当电动机被卡住时,非纯电阻电路转变为纯电阻电路,电动机消耗的电能全部转化为电动机产生的内能,W=Q,即UIt=I2Rt。探究一探究二随堂检测变式训练2如图所示,有一内阻为4.4Ω的电解槽和一盏标有“110V60W”的灯泡串联后接在电压为220V的直流电路两端,灯泡正常发光,则()A.电解槽消耗的电功率为120WB.电解槽的发热功率为60WC.电解槽消耗的电功率为60WD.电路消耗的总功率为60W解析:灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110V电压,且干路电流I=I灯=60110A,则电解槽消耗的功率P=P灯=60W,选项A错误,选项C正确;电解槽的发热功率P热=I2R内≈1.3W,选项B错误;整个电路消耗的总功率P总=220×60110W=120W,选项D错误。答案:C探究一探究二随堂检测1.(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是()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=IUt适用于任何电路,而W=I2Rt=𝑈2𝑅t只适用于纯电阻电路C.在非纯电阻电路中,IUI2RD.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路解析:电功率公式P=𝑊𝑡,表示电功率越大,电流做功越快。对于一段电路,有P=IU,I=𝑃𝑈,焦耳热Q=𝑃𝑈2Rt,可见Q与P、U、t都有关,所以P越大,Q不一定越大,A错。W=IUt是电功的定义式,适用于任何电路,而I=𝑈𝑅只适用于纯电阻电路,B正确。在非纯电阻电路中,电流做的功=焦耳热+其他形式的能,所以WQ,即IUI2R,C正确。Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路,D正确。答案:BCD探究一探究二随堂检测2.(多选)日常生活用的电吹风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,得到的热风可将头发吹干。设电动机线圈的电阻为R1,它与电热丝的电阻R2相串联,接到直流电源上,电吹风机两端电压为U,通过的电流为I,消耗的电功率为P,则以下选项正确的是()A.IUPB.IU=PC.PI2(R1+R2)D.P=I2(R1+R2)解析:电吹风机消耗的电功率即消耗的电能的功率为P=UI,大于电阻上的热功率,选项B、C正确。答案:BC探究一探究二随堂检测3.A、B为“220V100W”的两盏相同的灯泡,C、D为“220V40W”的两盏相同灯泡,A、B灯的电阻为Ω;C、D电阻为Ω。现将四盏灯泡接成如图所示电路,并将两端接入电路,各灯实际功率分别为PA、PB、PC、PD,则实际功率的大小顺序是。