高中物理：4.4《电路中的能量转化与守恒》课件（沪科版选修3-1）

欢迎进入物理课堂 1 根据我们的生活经验和所见所闻列举常见的用电器 并说明是电能主要转化为什么能 提示 1 电灯 把电能转化为光能 2 电热毯 电熨斗 电饭煲 电热水器 把电能转化为内能 热能 3 电动机 把电能转化为机械能 4 音响 把电能转化为声能 5 电解槽 把电能转化为化学能 2 试从力的角度和能的角度分析电功的实质是什么 提示 1 从力的角度看 电流做功的实质是电场力对自由电荷做功 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 电功率有何意义 用电器铭牌上所标的功率有何意义 提示 1 电功率是描述用电器电流做功快慢的物理量 2 用电器铭牌上所标功率指的是用电器的额定功率 即用电器能长时间正常工作时的最大功率 用电器实际工作时 其功率不一定等于额定功率 一般要小于或等于额定功率 典例1 规格为 220V 1000W 的电炉 求 1 电炉正常工作时 通过电阻丝的电流 2 电炉正常工作时的电阻 思路点拨 解此题要抓住以下两个方面 1 明确电炉正常工作时的电阻和通过的电流对应的电压和功率 2 能根据功率公式和电阻的定义式确定求电流和电阻的计算式 自主解答 1 由P UI知 电炉正常工作时 I P U 1000 220A 4 5A 2 电炉正常工作时的电阻 由P UI和R U I得R U2 P 48 4 1 分析比较纯电阻电路和非纯电阻电路中的电功和电热的关系 提示 1 纯电阻电路中 由于满足U IR 故UIt I2Rt 电功和电热在数值上相等 即W Q 2 非纯电阻电路中 由于U IR不再成立 UIt I2Rt 电功和电热不相等 一般是电功大于电热 例如电动机在工作时 电功在数值上等于电动机产生的电热与机械能之和 即W Q E机 2 试从微观和能的角度分析电热的本质是什么 提示 1 从微观的角度看 电热是自由电荷在导体中定向移动时 由于导体中金属离子的存在 自由电荷不断地与金属离子发生碰撞 使得金属离子运动的程度加剧 从而使导体温度升高 即产生电热 2 从能的角度看 电热表示电流通过导体时消耗的电能中转化为内能的部分 即电热是电能转化为内能的量度 3 列举日常生活中利用电流的热效应的用电器 指出电流热效应不利的方面 提示 1 利用电热的用电器有电热水器 电饭锅 电熨斗 电烤箱等 2 电流的热效应也有不利的一面 如插头与插座间发热 导线发热 发电机及电动机发热 还有计算机的CPU发热都会对用电器造成危害 4 探究讨论电功率与热功率的含义及计算公式分别是什么 它们是否相等 提示 1 电功率是指某段电路的全部电功率 或这段电路上消耗的全部电功率 计算公式P IU 热功率是指在这段电路上因发热而消耗的功率 计算公式P I2R 2 对于纯电阻电路 电功率等于热功率 即UI I2R 对于非纯电阻电路 U IR 此时电功率要大于热功率 即UI I2R 典例2 有一直流电动机 把它接入0 2V电压的电路中 电动机不转 测得流过电动机的电流是0 4A 若把电动机接入2 0V电压的电路中 电动机正常工作 工作电流是1 0A 求电动机正常工作时的输出功率多大 如果在电动机正常工作时 转子突然被卡住 电动机的发热功率是多大 思路点拨 求解此类问题要把握以下三点 1 在什么情况下可以看成纯电阻电路 什么情况下是非纯电阻电路 2 它们各自的能量转化情况 即遵守的物理规律 3 各个公式的物理量与电路中各个参数的对应关系 自主解答 当电动机转子不转时 电动机无机械能输出 故电能全部转化成内能 相当于纯电阻电路 欧姆定律成立 当电动机转动时 一部分电能转化成机械能输出 但因线圈有电阻 故又在该电阻上产生内能 输入的电功率P电 P热 P机 接U 0 2V电压 电动机不转 电流I 0 4A 根据欧姆定律 线圈电阻R 0 5 当接U 2 0V电压时 电流I 1 0A 故输入电功率P电 U I 2 0 1 0W 2 0W热功率P热 I 2R 1 02 0 5W 0 5W 故输出功率即机械功率P机 P电 P热 2 0 0 5 W 1 5W如果正常工作时 转子被卡住 则电能全部转化成内能 故其发热功率 P热 8W 答案 1 5W8W 1 分析闭合的纯电阻电路中的电源的总功率EI 电源内阻消耗的功率I2r与电源的输出功率I2R存在什么关系 提示 由能量守恒EIt I2Rt I2rt知EI I2R I2r 2 讨论什么情况下电源的输出功率最大 此时电源的效率为多少 提示 1 电源的输出功率P出 I2R 由此可知当R r时 电源有最大输出功率P出max 2 此时电源的效率 典例3 2011 南京高二检测 在如图所示的电路中 所用电源电动势E 10V 内电阻r 1 0 电阻R1可调 现将R1调到3 0 后固定 已知R2 16 R3 求 1 开关S断开和接通时 通过R1的电流分别为多大 2 为了使A B之间电路的电功率在开关S接通时能达到最大值 应将R1的阻值调到多大 这时A B间电路消耗的电功率将是多少 思路点拨 解答本题应把握以下三点 1 要熟悉闭合电路欧姆定律的内容 2 要能正确分析出电阻的连接方式 3 要会使用路端电压与负载的关系进行讨论 自主解答 1 根据闭合电路欧姆定律得 S断开时 I 10 16 3 1 A 10 20A 0 5A S闭合时 RAB R2 R3 R2 R3 1 0 所以I 10 1 3 1 A 2 0A 2 S闭合时 RAB 1 0 是定值电阻 所以电流越大 功率越大 所以应将R1调为零 A B间电路消耗的电功率为 PAB E2 RAB r 102 2W 50W 答案 1 0 5A2 0A 2 050W 典例4 如图所示 线段A为某电源U I图线 线段B为某电阻R的U I图线 以上述电源和电阻组成闭合电路时 求 1 电源的输出功率P出多大 2 电源内部损耗的电功率P内是多少 3 电源的效率 多大 思路点拨 本题应从以下三点考虑 1 电源的U I图线与电阻的U I图线的物理意义 2 图中交点的物理意义 3 功率的对应关系 标准解答 根据题意从A的图线可读出E 3V Imax 6A 则r E Imax 3 6 0 5 从B图线可读出R U I 1 由电源E 3V r 0 5 与R 1 组成的闭合电路中 I 3 1 5 2A 则P出 I2R 4W P内 I2r 2W P总 IE 6W 所以 P出 P总 66 7 知识点1 电功电功率1 2011 贵阳高二检测 一个电热器电阻为R 当它两端电压为U时 通过时间t消耗电能为W 若使它消耗的电能为4W 下列方法正确的是 A 电阻R不变 电压U不变 通电时间t变为原来的2倍B 电阻R减半 电压U增大1倍 通电时间t不变C 电阻R不变 电压U增大1倍 通过时间t不变D 电阻R减半 电压U不变 通电时间t不变 解析 选C 根据可得 A项消耗的电能为2W B项消耗的电能为8W C项消耗的电能为4W D项消耗的电能为2W 只有C对 2 下列情况中 能判定电路两端电压为220V的是 A 每通过1C的电量 电流做功为220JB 通电时间为1s时 通过电量220CC 通电时间为1s时 电流做功为220JD 每通过220C的电量 电流做功为1J 解析 选A 根据W UIt Uq 无法求出B C中电路两端的电压 B C错 通过A项中的已知条件可以得出电路两端的电压为220V 通过D项中的已知条件可以得出电路两端的电压为A对 D错 3 2010 抚州高二检测 图中虚线框内是一个未知电路 测得它的两端点a b之间的电阻是R 在a b之间加上电压U 测得流过电路的电流为I 则未知电路的电功率一定是 A I2RB U2 RC UID I2R UI 解析 选C 对一切电路都有P UI 而对纯电阻电路有 P UI I2R 而对非纯电阻电路P UI I2R P UI 由以上分析知 C正确 A B D错误 选C 知识点2 焦耳定律4 在如图所示的电路中 定值电阻的阻值为10 电动机M的线圈电阻值为2 a b两端加有44V的恒定电压 理想电压表的示数为24V 由此可知 A 通过电动机的电流为12AB 电动机消耗的功率为48WC 电动机线圈在1分钟内产生的热量为480JD 电动机输出的功率为8W 解析 选B C 通过电动机的电流与通过定值电阻的电流相同为I 2A 故A错 电动机消耗的功率为P U1I 24 2W 48W 故B对 电动机的电热功率P热 I2r 22 2W 8W 其1分钟产生的热量Q P热t 8 60J 480J 故C对 电动机的输出功率P出 P P热 48 8 W 40W 故D错 知识点3 闭合电路中的能量转化与守恒5 电源的电动势E 30V 内阻r 1 将它与一只 6V12W 的灯泡和一台内阻为2 的小电动机串联成闭合电路 当灯泡正常发光时 若不计摩擦 电动机输出机械功率与输入电功率之比为 A 91 B 82 C 67 D 60 解析 选B 灯泡正常发光 则电动机两端电压UM E I r R灯 即UM 30 2 1 6 V 22V故电动机输入电功率P入 UM I 44W电动机内部消耗功率P耗 I2R0 8W电动机输出功率P出 P入 P耗 36W 故 100 82 B正确 一 选择题 本题共5小题 每小题4分 共20分 1 下列关于电功 电功率和焦耳定律的说法 不正确的是 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W I2Rt 只适用于纯电阻电路C 在非纯电阻电路中 UI I2RD 焦耳热Q I2Rt适用于任何电路 解析 选A 电功率是表示电流做功快慢的物理量 电功率大 产生的焦耳热并不一定多 还与通电时间有关 A错 W UIt适用于任何电路 而W I2Rt 是由W UIt结合欧姆定律推导而来的 只适用于纯电阻电路 B正确 在非纯电阻电路中 电功率大于热功率 C正确 焦耳定律适用于任何电路 D正确 故选A 2 2011 宁德高二检测 一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同 设通过相同的电流 电动机正常运转 在相同的时间内 A 电炉放热和电动机放热相等B 电炉两端电压大于电动机两端电压C 电炉两端电压等于电动机两端电压D 电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率 解析 选A D 由Q热 I2Rt知A对 电炉为纯电阻电路 UIt I2Rt U IR 电动机为非纯电阻电路 U It I2Rt U IR B C错 D对 3 2011 昆明高二检测 一个直流电动机所加电压为U 电流为I 线圈内阻为R 当它工作时 下列说法中正确的是 A 电动机的输出功率为U2 RB 电动机的发热功率为I2RC 电动机的输出功率为IU I2RD 电动机的功率可写作IU I2R U2 R 解析 选B C 电动机的输入功率P入 UI 发热功率P热 I2R 则输出功率P出 P入 P热 UI I2R 故B C正确 4 2010 武汉高二检测 电动势为E 内阻为r的电池与固定电阻R0 变阻器R串联 如图所示 设R0 r Rab 2r 当变阻器的滑片自a端向b端滑动时 下列各物理量中随之减小的是 A 电池的输出功率B 变阻器消耗的功率C 固定电阻R0消耗的功率D 电池内阻消耗的功率 解析 选B 滑片自a向b滑动 R减小 R总减小 故总电流I变大 所以固定电阻R0消耗功率及电池内阻消耗的功率由P I2R可得均增大 故C D错 滑动过程中 R外由3r减为r 始终大于内阻r 由P输出与R外关系图像可知 电池输出功率逐渐增大 故A错 将R0等效为内阻一部分 则总内阻为2r 在R由2r减小到0的过程中 等效电源输出功率即变阻器消耗的功率逐渐减小 故B正确 5 2011 抚顺高二检测 如图所示 有四盏电灯连接在电路中 L1和L2都标有 220V100W 字样 L3和L4都标有 220V40W 字样 把电路接通后 最暗的是 A L1B L2C L3D L4 解析 选C 由额定电压和额定功率可以判断R1 R2R1 R23 由串联电路功率分配知P4 P1 P2 P3 而P2与P3的大小可由并联电路的功率分配知P2 P3 所以四盏灯消耗的实际功率大小关系为P4 P1 P2 P3 故最暗的灯是L3 因此选C 二 非选择题 本题共2小题 共10分 6 2011 益阳高二检测 5分 如图所示 电阻R1 2 小灯泡L上标有 3V 1 5W 电源内阻r 1 滑动变阻器的最大阻值为R0 大小未知 当触头P滑动到最上端a时 安培表的读数为1A 小灯泡L恰好正常发光 求 1 滑动变阻器的最大阻值R0 2 当触头P滑动到最下端b时 求电源的总功率及输出功率 解析 1 当触头P滑动到最上端a时 流过小灯泡L的电流为 IL PL UL 0 5A 流过滑动变阻的电流I0 IA IL 0 5A 则R0 UL I0 6 2 电源电动势为E UL IA R1 r 6V 当触头P滑动到最下端b时 滑动变阻器和小灯泡均被短路 电路中总电流为 I E R1 r 2A 电源的总功率为P总 IE 12W 输出功率为P出 IE I2r 8W 答案 1 6 2 12W8W 7 5分 如图所示为电动机提升重物的装置 电动机线圈的电阻为r 1 电动机两端的电压为5V 电路中的电流为1A 物体A重20N 不计摩擦力 求 1 电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少 2 电动机输入功率和输出功率各是多少 3 10s内 可以把重物A匀速提升多高 解析 1 根据焦耳定律 热功率P热 I2r 12 1W 1W 2 输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积P入 IU 1 5W 5W 输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率P出 P入 P热 5W 1W 4W 3 电动机输出的功率用来提升重物转化为机械功率 在10s内P出t mgh 解得答案 1 1W 2 5W4W 3 2m 1 8分 如图所示 R为电阻箱 V 为理想电压表 当电阻箱读数为R1 2 时 电压表读数为U1 4V 当电阻箱读数为R2 5 时 电压表读数为U2 5V 求 1 电源的电动势E和内阻r 2 当电阻箱R读数为多少时 电源的输出功率最大 最大值Pm为多少 解析 1 由闭合电路欧姆定律 联立 并代入数据解得E 6V r 1 2 由输出功率表达式 将 式变形为 由 式知 R r 1 时 P有最大值答案 1 6V1 2 1 9W 2 12分 一台电风扇 内阻为20 接上220V电压后 消耗功率66W 问 1 电风扇正常工作时通过电动机的电流是多少 2 电风扇正常工作时转化为机械能的功率是多少 转化为内能的功率是多少 电动机的效率是多少 3 如果接上电源后 电风扇的风叶被卡住 不能转动 这时通过电动机的电流 以及电动机消耗的电功率和发热功率是多少 解析 1 因为P入 IU所以 2 电风扇正常工作时转化为内能的功率P内 I2R 0 32 20W 1 8W电风扇正常工作时转化为机械能的功率P机 P入 P内 66W 1 8W 64 2W电风扇正常工作时的效率 100 97 3 3 电风扇风叶被卡住后电动机不转时可视为纯电阻 通过电风扇的电流I 11A电动机消耗的电功率P IU 11 220W 2420W电动机的发热功率P内 I2R 112 20W 2420W 答案 1 0 3A 2 64 2W1 8W97 3 3 11A2420W2420W 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全