2018-2019学年高中物理 第4章 探究闭合电路欧姆定律 4.4 电路中的能量转化与守恒学案 沪科版选修3-1.doc

4.4电路中的能量转化与守恒学 习 目 标知 识 脉 络1.理解电功与电热的区别与联系，掌握焦耳定律(重点)2理解电功与电功率，掌握电源的总功率，输出功率及电源的效率(重点、难点)3知道常见用电器及其能量转化的情况，了解电路中能的转化与守恒，树立节约用电的意识.自 主 预 习探 新 知知识梳理一、电功与电热关系的分析1电功的公式：WUIt.2电功率计算公式：PUI.3焦耳定律：QI2Rt.4热功率计算公式：PI2R.5PUI是某段电路的电功率，PI2R是这段电路上的热功率，纯电阻电路中，电功率等于热功率，非纯电阻电路中电功率大于热功率二、闭合电路中的能量转化与守恒1电源的总功率：P总EI.2电源的输出功率：P出UI.3电源的效率：100%100%.4在闭合电路中，电源的总功率等于输出功率与内部发热功率之和基础自测1思考判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)电功率越大，相同时间内电流做的功越多()(2)根据电功的公式和欧姆定律可以推导出电热的公式，因此电功和电热是完全相同的()(3)纯电阻电路和非纯电阻电路工作时能量转化情况相同，都是把电能转化为内能()(4)电源产生的电能只消耗在外电路上()(5)电源的总功率等于内、外电路消耗的功率之和()(6)电源的输出功率越大，电源的效率越高()【提示】(2)电功和电热并不完全相同，在某些电路中，电功不一定能完全转化为电热(3)纯电阻电路可以把电能全部转化为内能，非纯电阻电路则不能(4)内电路也消耗电源的能量(6)输出功率大时效率不一定高2在电功率的计算公式P中，U是加在用电器上的电压，R是用电器的电阻，此式可用于()【导学号：69682212】A计算电冰箱的功率B计算电风扇的功率C计算电烙铁的功率D计算洗衣机的功率CP只能计算纯电阻电路的电功率，而电冰箱、电风扇、洗衣机都是非纯电阻电路只有电烙铁是纯电阻电路，故C正确3.在图441所示的电路中，电源电动势为12 V，电源内阻为1.0 ，电路中的电阻R0为1.5 ，小型直流电动机M的内阻为0.5 .闭合开关S后，电动机转动，电流表的示数为2.0 A以下判断中正确的是()图441A电动机的输出功率为14 WB电动机两端的电压为7.0 VC电动机产生的热功率为4.0 WD电源输出的电功率为24 WB电动机两端的电压为UEI(R0r)7 V，电动机产生的热功率为P热I2rM2 W，电动机的输出功率为P1UII2rM12 W，电源输出的电功率为P2EII2r20 W，故B正确4. (多选)如图442所示的电路中，电源的电动势E和内电阻r恒定不变，电灯L恰能正常发光，如果变阻器的滑片向b端滑动，则()图442A电灯L更亮，电流表的示数减小B定值电阻R2消耗的功率减小C电灯L变暗，电源的总功率减小D电灯L变暗，电流表的示数增大AB滑片向b端滑动，R1变大，电路中总电阻变大，根据I知I减小，电流表示数减小，根据EU外Ir知，U外变大，灯泡两端电压变大，故电灯L更亮再根据P2IR2，I减小，IL变大，故I2变小，R2功率变小，故C、D错误，A、B正确合 作 探 究攻 重 难电功与电热的理解1纯电阻电路与非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的元件欧姆定律服从欧姆定律，I不服从欧姆定律，UIR或IQ；电功率P电UI，热功率P热I2R，P电P热如图443所示，A为电解槽，M为电动机，N为电炉子，恒定电压U12 V，电解槽内阻rA2 ，当S1闭合、S2、S3断开时，电流表A示数为6 A；当S2闭合、S1、S3断开时，A示数为5 A，且电动机输出功率为35 W；当S3闭合、S1、S2断开时，A示数为4 A求：图443(1)电炉子的电阻及发热功率各多大？(2)电动机的内阻是多少？(3)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？思路点拨：电炉子为纯电阻元件，其电阻可用欧姆定律计算，热功率和电功率相等电动机和电解槽为非纯电阻元件【解析】(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律得：R 2 其发热功率为：PUI1126 W72 W.(2)电动机为非纯电阻元件，由能量守恒定律得：UI2IrMP输出所以：rM 1 .(3)电解槽为非纯电阻元件，由能量守恒定律得：P化UI3IrA所以P化(124422) W16 W.【答案】(1)2 72 W(2)1 (3)16 W电功、电热的计算方法(1)判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器(2)分析各用电器之间的连接方式，对纯电阻电路，计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路的分流特点(3)由所求问题选取合适的公式，在非纯电阻电路中计算电功只能用WUIt，计算电热只能用QI2Rt.欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用(4)对于含电动机的电路，电动机转动时是非纯电阻用电器，电动机不转动时是纯电阻用电器针对训练1(多选)一台直流电动机的电阻为R，额定电压为U，额定电流为I，当其正常工作时，下述正确的是()【导学号：69682213】A电动机所消耗的电功率为I2RBt s内所产生的电热为UItCt s内所产生的电热为I2RtDt s内输出的机械能为(UIR)ItCD电动机所消耗的电功率为UI，A错误；t s内产生的电热为I2Rt，B错误，C正确；t s内输出的机械能为UItI2Rt，D正确2规格为“220 V36 W”的排气扇，线圈电阻为40 ，求：(1)接上220 V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【解析】(1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为：I A0.16 A.发热功率为P热I2R(0.16)240 W1 W.转化为机械能的功率为：P机PP热36 W1 W35 W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为I A5.5 A，电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：P电P热UI2205.5 W1 210 W.【答案】(1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W闭合电路的输出功率和效率1电源的输出功率当外电路为纯电阻电路时讨论如下：(1)电源的输出功率P出I2RR.由此可知当Rr时，电源有最大输出功率P出max.(2)P出与外电阻R的函数关系，如图444：图444 (3)P出与路端电压U的函数关系，如图445：图445P出UIUU2U我们可以得出，当U时，电源有最大输出功率，即P出max.2电源的效率100%100%100%100%，可见，当R增大时，效率增大当Rr时，即电源有最大输出功率时，其效率仅为50%，效率并不高如图446所示，E8 V，r2 ，R18 ，R2为变阻器接入电路中的有效阻值，问：图446(1)要使变阻器获得的电功率最大，则R2的取值应是多大？这时R2的功率是多大？(2)要使R1得到的电功率最大，则R2的取值应是多大？R1的最大功率是多大？这时电源的效率是多大？(3)调节R2的阻值，能否使电源以最大的功率输出？为什么？思路点拨：(1)R1为定值电阻，电功率最大的条件是R20.(2)R2为可变电阻，其电功率最大的条件是R2R1r.(3)电源输出最大功率为的条件是内外电阻相等【解析】(1)将R1和电源(E，r)等效为一新电源，则新电源的电动势EE8 V内阻rrR110 ，且为定值利用电源的输出功率随外电阻变化的结论知，当R2r10 时，R2有最大功率，即P2max W1.6 W.(2)因R1是定值电阻，所以流过R1的电流越大，R1的功率就越大当R20时，电路中有最大电流，即Imax0.8 AR1的最大功率P1maxIR15.12 W这时电源的效率100%80%.(3)不能因为即使R20，外电阻R1也大于r，不可能有的最大输出功率本题中，当R20时，外电路得到的功率最大【答案】(1)10 1.6 W(2)05.12 W80%(3)不能理由见解析有关闭合电路中功率问题的三点提醒(1)电源输出功率越大，效率不一定越高，如电源输出功率最大时，效率只有50%.(2)判断可变电阻功率变化时，可将可变电阻以外的其他电阻看成电源的一部分内阻(3)当P出I2Rt.故A，D错误，B，C正确2把两根电阻相同的电热丝先串联后并联分别接在同一电源上，若要产生相等的热量，则两种方法所需的时间之比t串t并为()A11 B21C41D14C串联后电阻为R12r，产生的热量为Q1t串t串；并联后电阻为R2，产生的热量为Q2t并t并，若要Q1Q2，所以有t串t并41.3.如图449所示，已知电源内电阻r为2 ，定值电阻R0为3 ，滑动变阻器阻值范围为010 .当使滑动变阻器R阻值为R1时，在R1上获得最大功率，则R1的阻值应为() 【导学号：69682216】图449A2 B3 C4 D5 D将R0视为内阻，当外阻R1等于内阻(R0r)时，输出功率最大，即R1上的功率最大故D正确4.如图4410所示，电源电动势E10 V，内阻r0.5 ，标有“8 V,16 W”的灯泡恰好能正常发光，电动机M绕组的电阻R01 ，求：图4410(1)路端电压；(2)电源的总功率；(3)电动机的输出功率【解析】(1)路端电压等于电灯L的电压，即为8 V.(2)由公式EUIr可得I A4 A电源总功率P总EI40 W.(3)通过灯泡的电流为IL2 A通过电动机的电流IMIIL2 A电动机消耗的总功率P入UMIM82 W16 W电动机内阻消耗的功率P内IR0221 W4 W所以输出功率为P出P入P内16 W4 W12 W.【答案】(1)8 V(2)40 W(3)12 W