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12.1 电路中的能量转化
第十二章电能 能量守恒定律
教学目标
1.从电能向其他形式能的转化理解电功以及电功率，理解电功和能量转化的关系
2.知道焦耳定律的物理意义，关注焦耳定律在生活、生产中的应用
3.从能量的转化和守恒理解电功和电热的区别，知道纯电阻电路和非纯电阻电路
引入
电炉通电时，电能转化为内能
引入
电动机通电时，电能转化为机械能
引入
蓄电池充电时，电能转化为化学能
电功和电功率
功是能量转化的量度，电能转化为其他形式能的过程就是电流做功的过程
电流做功的多少等于电能转化为其他形式能的数量
那么，电流做功如何计算？
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
电功和电功率
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
电功和电功率
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
自由电荷在静电力作用下沿静电力的方向做定向移动，结果电荷的电势能减小，其他形式的能增加
电功和电功率
如图表示一段电路，电荷从左向右定向移动，它们经过这段电路所用的时间记为t。根据已学的知识，在这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量为
如果这段电路两端的电势差是U，静电力做的功就是
上式表示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、通电时间t三者的乘积。
电功和电功率
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。
电功和电功率
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==UI。
(4)单位:瓦特,符号W。
电功和电功率
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。
电功和电功率
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。
电功和电功率
3.串、并联电路中的功率关系
串联电路 并联电路
功率分配
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
电功和电功率
例1 一根电阻丝,通过2 C的电荷量所消耗的电能是8 J。若在相同的时间内通过4 C的电荷量,该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是(　　)
A.4 V,16 J B.8 V,16 J
C.4 V,32 J D.8 V,32 J
解析:设电阻丝电阻为R,开始所加电压为U1,则W1=q1U1,故U1=4 V。
设后来所加电压为U2,产生的热量为W2,则
①
②
由① ②得8V
电功和电功率
解析:由P=得,灯泡的电阻R= Ω=1 210 Ω,所以电压为110 V时,P= W=10 W。电压为440 V时,超过灯泡的额定电压一倍,灯泡烧坏,P=0。电压为220 V时,P=40 W,选项B正确
例2 不考虑温度对电阻的影响,对一个“220 V　40 W”的灯泡,下列说法正确的是(　　)
A.接在110 V的电路上时的功率为20 W
B.接在110 V的电路上时的功率为10 W
C.接在440 V的电路上时的功率为160 W
D.接在220 V的电路上时的功率为80 W
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
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
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
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
焦耳定律
焦耳定律
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 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
电功率与热功率的关系
焦耳定律
例3 规格为“220 V　36 W”的排气扇,线圈电阻为40 Ω,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220 V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。
解析:(1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为I= A≈0.16 A,
发热功率为P热=I2R=(0.16)2×40 W≈1 W。
转化为机械能的功率为P机=P-P热=36 W-1 W=35 W。
(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'= A=5.5 A,
电动机消耗的功率即电功率等于热功率:P电'=P热'=UI'=220×5.5 W=1 210 W。
焦耳定律
例4 如图所示,有一内阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V　60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V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120 W
B.电解槽的发热功率为60 W
C.电解槽消耗的电功率为60 W
D.电路消耗的总功率为60 W
解析:灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110 V电压,且干路电流I=I灯= A,则电解槽消耗的功率P=P灯=60 W,选项A错误,选项C正确;电解槽的发热功率P热=I2R内≈1.3 W,选项B错误;整个电路消耗的总功率P总=220× W=120 W,选项D错误。
电路中的能量转换
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。
本课结束

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