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第十二章 电能 能量守恒定律
12.1 电路中的能量转化
导入新课
现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，如电灯、电热水壶、电动汽车、手机等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？
（1）电灯工作时，把电能转化为光能
（2）电热水壶工作时，把电能转化为内能
（3）电动机工作时，把电能转化为机械能
（4）手机电池充电时，把电能转化为化学能
………
1、一段电路两端的电压为U，通过的电流为I。
（1）在时间t内通过这段电路任一横截面的
电荷量表达式是什么？
（2）在时间t内将电荷由这段电路的一端移
动到另一端静电力所做功的表达式是什么？
一、电功和电功率
q=It
W=qU=UIt
2、静电力做功的快慢用什么物理量描述？
静电力做功的快慢用电功率描述
交流讨论
表达式是什么？
P=UI
1.电功
(1)定义：电流在一段电路中所做的功。
(2)公式：W＝UIt 。
(3)单位：焦耳，符号J；常用单位：千瓦时(kW·h)
1 kW·h ＝3.6×106J。
(4)说明：
①实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做正功，电势能减小，其它形式的能增加。
②适用条件：任何电路。
一、电功和电功率
梳理深化
2.电功率
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。
(2)公式：
公式表明：电流在一段电路上做功的功率 P 等于电流 I 跟这段电路两端电压U 的乘积。
(3)单位：瓦特，符号W。
(4)说明：
①意义：电流做功的快慢；
②适用条件：任何电路。
一、电功和电功率
【例1】有额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W 的电灯两盏，若接在电压是220 V的电路上，两盏电灯均能正常发光，下列电路中消耗功率最小的电路是(　 　)
巩固提升
一、电功和电功率
C
A
D
C
B
练习1、把六个相同的小灯泡接成如图甲、乙所示的电路，调节变阻器使灯泡正常发光，甲、乙两电路所消耗的总功率分别用P甲和P乙表示，则下列结论中正确的是(　　)
A．P甲＝P乙　　 B．P甲＝3P乙 C．P乙＝3P甲 D．P乙＞3P甲
甲
乙
一、电功和电功率
B
1、用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？
二、焦耳定律
电流产生的热与电阻有关
交流讨论
2、忽略能量损失，用电炉烧水时，电能是如何转化的？
电能全部转化为导体的内能；
电流在这段电路中做的功 W 等于这段电路产生的热量 Q，即W＝Q
守恒思想
3、由电功的公式、欧姆定律和W＝Q，推导热量、电流和时间的关系式。
二、焦耳定律
W=UIt
U=IR
4、归纳热量、电流、电阻和时间的关系。
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
5、由电功率的公式、欧姆定律和W＝Q，推导热功率的表达式。
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 。
(3)适用条件：任何电路。
梳理深化
二、焦耳定律
2.热功率
(1)表达式：P热=I 2R 。
(2)物理意义：表示电流发热快慢的物理量。
(3)适用条件：任何电路。
【例2】通过电阻R的电流为I 时，在时间t内产生的热量为Q；若电阻为2R，电流为 时，则在时间t内产生的热量为(　 )
A．4Q　　　 B．2Q　　　
C． 　　　 D．
巩固提升
二、焦耳定律
C
练习2、把家用电炉的电热丝剪去一小段后，继续使用，则在同样的时间内( 　)
A．由Q＝I2Rt可知，电炉的发热量减小
B．由Q＝UIt可知，电炉的发热量不变
C．由Q＝ 可知，电炉的发热量增大
D．无法确定
二、焦耳定律
C
1、如图，当电动机接上电源后，会带动风扇转动，这里涉及哪些功率？功率间的关系又如何？
三、电路中的能量转化
涉及电功率、机械功率和热功率（能量损失）
交流讨论
电能转化为机械能和内能，功率间满足关系式：
2、把标有“220 V　40 W”的电热丝和“220 V　40 W”的电动机，它们并联后接到220 V的照明电路中，二者都能正常工作，它们在相同的时间内产生的电热相同吗？为什么？
不同
纯电阻电路
非纯电阻电路
三、电路中的能量转化
守恒思想
电热丝：电能全部转化为内能
电动机：电能转化为内能和机械能
功率关系
1.两种电路
纯电阻电路 非纯电阻电路
举例
能量转化情况
电功和电热的关系
梳理深化
三、电路中的能量转化
白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅
电动机、电解槽
W＝Q
即 UIt＝I2Rt
W＝Q＋E其他
即UIt＝I2Rt＋E其他
电功率和热功率的关系
欧姆定律是否成立
说明 三、电路中的能量转化
P＝P热
即IU＝I 2R
P＝P热＋P其他
即IU＝I 2R＋P其他
W＝UIt、P电＝UI 适用于任何电路计算电功和电功率
Q＝I 2Rt、P热＝I 2R 适用于任何电路计算电热和热功率
只有纯电阻电路满足W＝Q，P电＝P热；
非纯电阻电路W＞Q，P电＞P热
U＝IR，I＝ ，
欧姆定律成立
U＞IR，I＜ ，
欧姆定律不成立
2.电动机的功率和效率
(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率：P总＝UI。
(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率：P热＝I 2r。
(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率：
P机＝P总－P热＝UI－I 2r。
三、电路中的能量转化
(4)电动机的效率：η＝ ×100%。
(5)当电动机的转子被卡住时，所在电路就变成了纯电阻电路。
【例3】一台电动机，线圈的电阻是 0.4 Ω，当它两端所加的电压为 220 V 时，通过的电流是 5 A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少？
解析：电动机发热的功率：P热=I2R=52×0.4W=10W
电动机消耗的电功率：P电=UI=220×5W=1100W
电动机对外做功的功率：
P机=P电-P热=1100W-10W=1090W
巩固提升
三、电路中的能量转化
三、电路中的能量转化
【例4】在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 A和 1.0 V；重新调节R使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。
解析：电动机停止工作时，电动机中只有电动机的线圈消耗电能，其阻值
三、电路中的能量转化
【例4】在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 A和 1.0 V；重新调节R使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。
当电动机正常工作时，总功率： P总＝U2I2＝15.0×2.0W＝30.0W
线圈电阻的热功率：P热＝I22r＝2.0 2×2W＝8.0W
电动机的输出功率：P出＝P总－P热＝30.0W－8.0W＝22.0W
三、电路中的能量转化
【例4】在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 A和 1.0 V；重新调节R使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻。
若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，该重物的质量为多少？(g＝10 m/s2)
提示：P出＝mgv，则
练习3、小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V　4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作。求：
(1)通过电动机的电流；
(2)电动机的输出功率P出；
(3)电动机的效率。
三、电路中的能量转化
解析:　(1)流经灯泡的电流 IL＝ ＝ ＝1 A
流经电阻 R的电流
流经电动机的电流 I＝IR－IL＝0.6 A
练习3、小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V　4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作。求：
(1)通过电动机的电流；
(2)电动机的输出功率P出；
(3)电动机的效率。
三、电路中的能量转化
(2)电动机消耗的总功率P′＝ULI＝4×0.6 W＝2.4 W
电动机的热功率P热＝I2r＝0.62×1 W＝0.36 W
电动机的输出功率P出＝P′－P热＝2.4 W－0.36 W＝2.04 W
(3)电动机的效率η＝ ×100%＝ ×100%＝85%
练习4、规格为“220 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω。求：
(1)接上220 V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。
三、电路中的能量转化
解析:(1)排气扇在220 V电压下正常工作电流
I＝ ＝ ≈0.16A
发热功率P热＝I2R＝0.162×40W＝1W，
转化为机械能的功率P机＝P－P热＝(36－1)W＝35W
练习4、规格为“220 V　36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω。求：
(1)接上220 V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。
三、电路中的能量转化
(2)扇叶被卡住不动后电动机相当于纯电阻，电能全部转化为内能，此时通过排气扇的电流
I′＝ ＝ ＝5.5 A
电动机消耗的功率等于发热功率
P′＝P热＝I′U＝5.5×220 W＝1 210 W
由于发热量很大，将很快烧坏电动机线圈
课堂小结
课外拓展
随着家用电器的增多，特别是空调、电热器等大功率用电器的使用，引发的火灾事故越来越多，据统计，很大一部分电器火灾事故是导线、插座或开关等元件温度升高而导致的。请结合及本节课所学知识及本页视频，思考如何避免误操作导致的电器损坏，并将安全用电常识教给家人。

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