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1　电路中的能量转化
素养 目标定位
目标素养
1.通过静电力做功的公式和电流与电荷量的关系式会推导电功和电功率的公式,知道电流做功的实质
2.根据常用用电器的用途理解电功和电热的区别,会区分纯电阻电路和非纯电阻电路
3.通过用电器能量的转化理解电功率和热功率
4.通过用电器能量的转化,会从能量守恒角度理解焦耳定律
知识概览
课前 基础认知
一、电功和电功率
1.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、电路中的电流、通电时间三者的乘积。
(2)公式:W= UIt 。
(3)单位:国际单位是焦耳,符号是 J 。
(4)意义:描述电能转化为其他形式能的多少。
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: P=UI 。
(3)单位:瓦特,符号是W。
(4)意义:描述电能转化为其他形式的能量的快慢或者是电流做功的快慢。
微思考1 现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器,例如电灯、电热水壶、电动汽车等。那么你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗
提示:电灯将电能转化为光能和热能,电热水壶将电能转化为热能,电动汽车将电能转化为机械能和热能。
二、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.热功率。
微思考2 如图是电烙铁和电熨斗,(1)为什么这些用电器通电后会发热呢 (2)电烙铁通电后,电烙铁的烙铁头热得能把金属锡熔化,而与电烙铁相连的导线却不怎么热,为什么
提示:(1)电流通过用电器时因电流做功,将电能转化为热能。
(2)由Q=I2Rt可知,电烙铁的烙铁头电阻比导线的电阻大很多,因此相同时间内,Q烙铁头 Q导线。
三、电路中的能量转化
1.电动机工作时的能量转化。
(1)能量关系:电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能,还有一部分转化为内能。
(2)功率关系:电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和,即P电=P机+P损,P电= UI ,P损=I2R。
2.电池充电时的能量转化。
电池从电源获得的能量一部分转化为化学能,还有一部分转化为内能。
微判断(1)焦耳定律的表达式为Q=I2Rt,此式适用于任何电路。
(　　)
(2)三个公式P=UI、P=I2R、 没有任何区别,它们表达相同的意义,所示P即是电功率。(　　)
(3)电动机是非纯电阻用电器,所以在任何情况下,都不能将电能全部转化为内能。(　　)
(4)电动机消耗的电能,一部分转化为机械能,一部分转化为线圈内阻上的电热。(　　)
√
×
×
√
课堂 重难突破
一 电功和电功率
问题探究
如图所示,电路中电流为I,通电时间为t。
探究1:在这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量是多少 如果这段电路两端的电势差是U,静电力做的功是多少
探究2:电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是否相同,两者间有何关系
提示:探究1:在这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量为q=It。静电力做的功W=Uq=UIt。
探究2:不相同。电流做功快,但做功不一定多;电流做功慢,但做功不一定少。电流做功的快慢用电功率表示,电流做功的多少用电功表示。电流做功的多少与做功的时间和做功的快慢有关。
归纳总结
1.对电功的理解。
(1)从能的角度看,电流做功的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。
(2)从力的角度看,电流做功的实质是静电力对自由电荷做功。
5.额定功率和实际功率。
(1)用电器正常工作时所消耗的功率叫作额定功率。当用电器两端电压达到额定电压U额时,电流达到额定电流I额,电功率也达到额定功率P额,且满足P额=U额I额。
(2)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率。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。
典型例题
角度1　电功的理解和计算
【例1】 一根电阻丝,在通过2 C的电荷量时电功为8 J,若在相同的时间内通过4 C的电荷量,求此时电阻丝上的电流做的功和所加的电压分别是多少。
答案:32 J　8 V
角度2　电功率的理解和计算
【例2】 两个电阻R1=8 Ω,R2=2 Ω,并联在电路中。要使这两个电阻消耗的电功率相等,可行的办法是(　　)
A.用一个阻值为2 Ω的电阻与R2串联
B.用一个阻值为6 Ω的电阻与R2串联
C.用一个阻值为6 Ω的电阻与R1串联
D.用一个阻值为2 Ω的电阻与R1串联
答案:A
二 焦耳定律的理解和计算
问题探究
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,容易因用电造成火灾事故,对人民的生命财产安全造成重大威胁。据统计绝大部分火灾事故是由导线以及导线与插座或开关等元件接头处温度升高而导致的。
探究1:电流通过导体为什么会发热 产生的热量与哪些因素有关呢
探究2:导线接头处为何容易温度升高
探究3:电吹风机消耗的电能会全部转化为线圈产生的内能吗
提示:探究1:因为导体有电阻,电流通过时会产生电热而使导体温度升高。由焦耳定律公式Q=I2Rt知,产生的热量与流过导体的电流、导体的电阻和通电时间有关。
探究2:由于接头处连接时易造成电阻增大,电流通过时产生电热而导致温度升高。
探究3:不会,电吹风机消耗的电能一部分转化为内能,一部分转化为机械能。
归纳总结
1.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较。
电路类型 纯电阻电路 非纯电阻电路
举例 白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅 电动机、电解槽
能量转
化情况
电流通过纯电阻电路做功时,电能全部转化为导体的内能
电流做的功将电能除了转化为内能外,还转化为机械能或化学能等
电路类型 纯电阻电路 非纯电阻电路
电功和电热的关系 电功W=UIt,电热Q=I2Rt,W>Q
电功率和热功率的关系 电功率P电=UI,热功率P热=I2R,P电>P热
欧姆定律是否成立
说明 W=UIt、P电=UI适用于任何电路计算电功和电功率
Q=I2Rt、P热=I2R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
(2)电路分析。
①若电动机转动,则电能转化为机械能和内能,此时为非纯电阻电路,部分电路欧姆定律不再适用。
②若电动机不转,则没有电能转化为机械能,此时损失的电能全部转化为内能,这时的电路为纯电阻电路。
(3)电动机的等效处理。
如图所示,电动机是一种非纯电阻用电器,它把电能转化为机械能和热能。在电路计算中,常把电动机等效为阻值等于其内阻的电阻rD和无电阻的转动线圈D串联而成。电流通过rD时把电能转化为热能,而通过线圈D时把电能转化为机械能。
典型例题
角度1　纯电阻电路电功率和热功率的分析和计算
【例3】 额定电压都是110 V、额定功率PA=100 W、PB=40 W的两盏灯泡,若接在电压为220 V的电路上,使两盏灯泡均能正常发光,且消耗功率最小的电路是(　　)
答案:C
角度2　非纯电阻电路电功率和热功率的分析和计算
【例4】 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。
(1)求通过电动机的电流。
(2)求电动机的输出功率P出。
(3)求电动机的效率。
答案:(1)0.6 A　(2)2.04 W　(3)85%
成果验收站
1.关于电功W和电热Q的说法正确的是(　　)
A.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,且W=Q
B.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,但W不一定等于Q
C.W=UIt、Q=I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立
D.W=UIt在任何电路中都成立,Q=I2Rt只在纯电阻电路中才成立
答案:B
解析:W=UIt适用于任何电路,Q=I2Rt也适用于任何电路,如果是纯电阻电路,则W=Q,在非纯电阻电路中W>Q,选项B正确,A、C、D错误。
3.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22 V的电路上时的功率为4 W
答案:B
4.规格为“220 V　36 W”的排气扇,线圈电阻为40 Ω。
(1)求接上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。
答案:(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W

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