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第1节　电路中的能量转化
学习目标
1.理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的,加深对功与能量转化关系的认识。
2.能通过推导得出电功公式和焦耳定律,理解电功、电功率和焦耳定律,能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。
3.能从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化。
4.理解电功和电热的区别和联系。
自主预习
一、电功
1.宏观理解:电炉通电时,　　　　能转化为　　　　能;电动机通电时,　　　　能转化为　　　　能。由此看出,电流做功的过程就是　　　　能转化为　　　　能的过程。电流做功的多少等于　　　　　　　　　　　　。?
2.微观理解:电功,即电流做功,实质上是导体中的　　　　　　　　　　　　　　　　在做功,自由电荷在静电力的作用下沿静电力的方向做定向移动,结果电荷的　　　　减少,而其他形式的能　　　　。?
3.公式W=　　　　,其国际单位是　　　　。?
二、焦耳定律
电流I通过一段电阻为R的电路在时间t内产生的热量Q=　　　　,这就是焦耳定律。?
三、1.额定功率是指用电器　　　　　　　的功率;当用电器两端的电压达到额定电压或电流达到额定电流时,用电器消耗的功率达到额定功率;P额、I额、U额三个量一个达到额定值,则另外两个也为额定值。?
2.实际功率是指用电器实际工作时的功率,灯泡的亮度取决于　　　　,一般地,为了保证用电器安全,实际功率应小于或等于额定功率。?
课堂探究
(一)电功和电功率
[情境设问]用电器通电后,可以将电能转化成其他形式的能量,请同学们列举生活中有哪些常用的用电器?并说明其能量的转化情况。
[思考与讨论]如图所示,一段电路两端的电压为U,由于这段电路两端有电势差,电路中就有电场存在,电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动,形成电流I。
1.在时间t通过这段电路上任一横截面的电荷量q是多少?
2.这相当于在时间t内将这些电荷q由这段电路的一端移到另一端。在这个过程中,电场力做了多少功?
3.电场力做功的功率是多少?
4.这些公式分别用语言怎么描述?
结论1:
1.电功(W)
(1)表达式: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和通电时间t三者的乘积,即　　　　　　。?
(2)单位:国际单位制中:　　　。?
(3)物理意义:　　　　　　　　　　　　。?
2.电功率(P)
(1)定义:　　　　　　　　　　　　　。?
(2)表达式:电流在一段电路上做功的功率等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积,即　　　　　　。?
(3)单位:国际单位制中:　　　。?
(4)物理意义:　　　　　　　　　　　　。?
(二)焦耳定律
[思考与讨论]家用热水器是将电能转化成内能,那么消耗的电能转化成热量,我们可以得到　　　　　　　,由欧姆定律U=IR,可以得到热量的表达式　　　　　　。这个关系是最初是由焦耳通过实验直接得到的,物理学中把它叫作焦耳定律。?
结论2:
1.焦耳定律:　。?
表达式:　　　　　　　。?
2.热功率:　,?
表达式:　　　　　　　。?
3.区别与联系:
?
?
?
(三)电路中的能量转化
[情境设问]电动机是将消耗的电能全部转化成机械能了吗?玩具汽车运行久了会怎么样?为什么会这样?
结论3:
电路 纯电阻电路 非纯电阻电路
元件 特点

电流、电压、 电阻的关系

能量转 化形式

可应用 的公式

　　[例题展示]
【例题1】一个电动机,线圈电阻是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?
【变式训练1】规格为“220 V　1 000 W”的电炉,求:①电炉正常工作时,通过电阻丝的电流;②电炉的电阻。
【例题2】如图,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,使两盏电灯均能正常发光,且电路中消耗功率最小的电路是(　　)
【变式训练2】有三盏电灯L1、L2、L3,规格分别是“110 V　100 W”“110 V　40 W”“110 V　25 W”,要求接到电压是220 V的电源上,使每盏灯都能正常发光,可以使用一只适当规格的电阻,应如何连接电路?
核心素养专练
1.(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是(　　)
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=t只适用于纯电阻的电路
C.在不是纯电阻的电路中,UI>I2R
D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
2.(多选)一个直流电动机所加电压为U,电流为I,线圈内阻为R,当它正常工作时,下述错误的是(　　)
A.电动机的输出功率为
B.电动机的发热功率为I2R
C.电动机的输出功率为IU-I2R
D.电动机的功率可写作IU=I2R=
　　3.
右图电路中,电灯L1、L2都标有“220 V
100 W”;电灯L3、L4都标有“220 V　40 W”。将A、B两端接入电源,最暗的灯是 (　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A.L1 B.L2 C.L3 D.L4
4.把两个相同的电灯分别接在图中甲、乙两个电路里,调节滑动变阻器,使两灯都正常发光,两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙,可以断定(　　)
A.P甲>P乙 B.P甲C.P甲=P乙 D.无法确定
5.(多选)一只电炉的电阻丝和一台电动机线圈电阻相同,都为R,设通过它们的电流相同(电动机正常运转),则在相同时间内(　　)
A.电炉和电动机产生的热量相同
B.电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率
C.电炉两端电压小于电动机两端电压
D.电炉和电动机两端电压相等
6.
如图所示,在输入电压U恒定的电路上,将灯泡L接在AB两端时消耗的功率是9 W,将它接在较远的CD两端时消耗的功率是4 W,则AC、BD两根输电线上消耗的功率为(　　)
A.1 W B.2 W C.5 W D.13 W
　　7.有一电风扇上标有“220 V　55 W”,若风扇的电动机线圈电阻为8 Ω,当它正常工作时:
(1)电源供给的电功率是多少?
(2)转化为风的电功率是多少?
(3)电动机的发热功率是多少?
　　8.
一台直流电动机线圈电阻r=1 Ω,与一阻值R=10 Ω的电阻串联,当所加电压U=150 V,电动机正常工作时电压表示数100 V,求电动机消耗的总功率及输出的机械功率。
9.
如图所示,a、b两端接到电压恒定的电源上,如果c、d两端接一电压表,示数为60 V;如接一电流表,示数为3 A;如果在c、d间接一电阻R3,则三个电阻消耗的功率相等。求R1、R2、R3的阻值及a、b间的电压(电表为理想表)。
10.
某一用直流电动机提升重物的装置如上图所示,重物质量m=50 kg,电源提供恒定电压U=110 V,不计各处摩擦,当电动机以v=0.85 m/s的恒定速度向上提升重物时,电路中电流强度I=5 A,求:
(1)该电动机提升重物时,输入的电功率是多少?电动机的机械功率是多少?
(2)电动机线圈电阻R(g取10 m/s2)。
参考答案
自主预习
一、1.电　热　电　机械　电　其他形式　能量转化的多少
2.恒定电场对自由电荷的静电力　电势能　增加
3.Uq=UIt　焦耳(J)
二、I2Rt
三、1.在正常工作时
2.实际功率
课堂探究
[情境设问]略
[思考与讨论]
1.q=It
2.W=UIt
3.P=UI
4.略
结论1.
1.电功(W)
(1)表达式:UIt
(2)焦耳(J)
(3)反应了电能转化为其他形式能的多少
2.电功率(P)
(1)单位时间内电流所做的功叫作电功率
(2)P=UI
(3)瓦特(W)
(4)表示电流做功的快慢
(二)焦耳定律
[思考与讨论]
Q=W=UIt　Q=I2Rt
结论2.
1.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　Q=I2Rt
2.单位时间的发热量通常称为热功率　P=I2R
3.在推导P=UI的过程中,没有对电路的性质作任何限制,其中的电功率P是指电流做功的功率。在推导P=I2R的过程中,我们用到了Q=W这个条件,它要求电流做的功“全部变成热”,其中的电功率P是指电流通过导体发热的功率。
[情境设问]略
结论3.
电路 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的能的元件
电流、电压、 电阻的关系 符合欧姆定律 不符合欧姆定律
能量转 化形式 电流做功全部转化为内能 电流做功转化为内能和其他形式的能量
可应用的公式 W=Q=UIt=I2Rt=t 电功W=UIt
电热Q=I2Rt
W=Q+W其他
　　【例题1】
例题分析:电动机发热的功率为P热=I2R=52×0.4 W=10 W
电动机消耗的电功率为P电=IU=5 A×220 V=1 100 W
电动机对外做功的功率为P机=P电-P热=1 100 W-10 W=1 090 W
【变式训练1】
例题分析:理解铭牌上额定功率的意义,应用P=UI公式求出电炉正常工作时,通过电阻丝的电流;因为电炉是纯电阻电路,U=IR,可以求出电阻。或者也可以应用P=求解,同时在这里可以跟学生再次强调,这两个公式的使用条件。
解:(1)根据公式P=UI知
电流为:I== A≈4.55 A
(2)设电炉电阻为R,根据公式P=得
R== Ω=48.4 Ω
答:(1)电炉正常工作时,通过电阻丝的电流为4.55 A。
(2)电炉的电阻值为48.4 Ω。
【例题2】C
例题分析:对灯泡有P=UI=,可知RAUA,则有UB>110 V,B灯被烧毁,A错误;对于B电路,由于RB>RA,A灯又并联变阻器,并联电阻更小于RB,所以UB>U并,B灯被烧毁,B错误;对于C电路,B灯与变阻器并联电阻可能等于RA,所以可能UA=UB=110 V,两灯可以正常发光;对于D电路,若变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻,则UA=UB=110 V,两灯可以正常发光。比较C、D两个电路,由于C电路中变阻器功率为(IA-IB)×110 V,而D电路中变阻器功率为(IA+IB)×110 V,所以C电路消耗电功率最小。
【变式训练2】
根据P=UI可分别求出三盏灯的额定电流I1= A,I2= A,I3= A,从中看出I1>I2+I3,这样可以采用如图所示的电路,通过Rx的电流Ix=I1-I2-I3= A,Rx=≈346 Ω。
核心素养专练
1.BCD　2.AD　3.C　4.C　5.ABC　6.B
7.(1)55 W　(2)54.5 W　(3)0.5 W
8.550 W　475 W
9.25 Ω　100 Ω　100 Ω　75 V
10.(1)550 W　425 W　(2)5 Ω

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