优化课堂高二物理人教版选修31学案25 焦耳定律 Word版含答案 高考.docx

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优化课堂高二物理人教版选修31学案25焦耳定律Word版含答案高考

5

焦耳定律

[学习目标]　1.理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质．（重点）　2.理解电功和电热的区别，能够区分纯电阻电路和非纯电阻电路．（难点）　3.电功率和热功率的理解．（重点）　4.能从能量守恒角度理解焦耳定律（难点）

电功和电功率

[先填空]

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＝IUt.

（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：

单位时间内电流所做的功．

（2）公式：

P＝IU.

（3）单位：

瓦特，符号是W.

（4）意义：

描述电能转化为其他能的快慢或者是电流做功的快慢

[再思考]

用电器额定功率越大，接在电路中电流做的功越多，这样说法对吗？

【提示】　不对，电流做功一方面与电功率有关，另一方面还与通电时间有关，只有电功率与时间乘积大时，电流做功才多．

[后判断]

（1）电功与电能的单位相同，电功就是电能．（×）

（2）电功率越大，电功越大．（×）

（3）1千瓦时＝3.6×106J．（√）

焦耳定律

[先填空]

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

[再思考]

标有“220V　40W”的白炽灯泡和“220V　40W”的电动机，把它们并联后接到220V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？

【提示】　不同，“220V　40W”白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而“220V　40W”的电动机，通电后消耗的电能一部转化内能另一部分转化为机械能．

[后判断]

（1）电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热．（×）

（2）根据I＝

可导出P＝

，该公式用于任何用电器．（×）

（3）电流通过电解槽时，电功大于电热．（√）

预习完成后，请把你认为难以解决的问题记录在下面的表格中

问题1

问题2

问题3

问题4

学生分组探究一　纯电阻电路和非纯电阻电路中的电功与电热（对比分析）

第1步　探究——分层设问，破解疑难

1．电动机与电炉接在电路中有何区别？

2．如何分析电路中能量的转化？

第2步　结论——自我总结，素能培养

1．纯电阻电路与非纯电阻电路的比较

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能的用电器

欧姆定律

服从欧姆定律，

I＝

不服从欧姆定律，U＞IR或I＜

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

2.电功与电热的比较

（1）电功与电热

纯电阻电路

非纯电阻电路

能量转化

电功

W＝UIt＝I2Rt＝

t

W＝UIt

电热

Q＝UIt＝I2Rt＝

t

Q＝I2Rt

关系

W＝Q

W>Q

（2）电功率与热功率

纯电阻电路

非纯电阻电路

电功率

P电＝UI＝I2R＝

P电＝UI

热功率

P热＝UI＝I2R＝

P热＝I2R

关系

P电＝P热

P电>P热

第3步　例证——典例印证，思维深化

　规格为“220V　36W”的排气扇，线圈电阻为40Ω，求：

（1）接上220V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，求电动机消耗的电功率和发热的功率．

【思路点拨】　

（1）排气扇正常工作时为非纯电阻电路．

（2）排气扇被卡住时为纯电阻电路．

【解析】　

（1）排气扇在220V电压下正常工作的电流为I＝

＝

A＝0.16A

发热功率P热＝I2R＝（0.16）2×40W＝1W

转化为机械能的功率P机＝P－P热＝（36－1）W＝35W.

（2）排气扇扇叶被卡住不能转动后，电动机相当于纯电阻，电能全部转化为热能，此时通过排气扇的电流为

I′＝

＝

A＝5.5A

电动机消耗的电功率等于发热功率，即

P机＝P热＝I′U＝5.5×220W＝1210W.

【答案】　

（1）P机＝35W，P热＝1W

（2）P机＝P热＝1210W

电功和电热、电功率和热功率的计算

不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电功时都用W＝UIt，功率均用P＝UI，热量都用Q＝I2Rt，热功率均用P＝I2R，其他变形只用于纯电阻电路．

第4步　巧练——精选习题，落实强化

1．（多选）理发用的电吹风机中有电动机和电热丝，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，得到热风将头发吹干，设电动机的线圈电阻为R1，它与电热丝的电阻R2串联，接到直流电源上，电吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的电功率为P，则有（　　）

A．P＜UI　　　　　　B．P＝I2（R1＋R2）

C．P＝UID．P＞I2（R1＋R2）

【解析】　电动机电路在电机正常转动时，电动机消耗的功率P＝UI，且大于发热功率，选项C、D正确．

【答案】　CD

2．电阻R和电动机M串联接到电路中，如图2－5－1所示，已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等，开关接通后，电动机正常工作．设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2，经过时间t，电流通过R做功为W1，产生的热量为Q1，电流通过电动机做功为W2，产生的热量为Q2，则有（　　）

A．U1＜U2，Q1＝Q2

B．U1＝U2，Q1＝Q2

C．W1＝W2，Q1＞Q2

D．W1＜W2，Q1＜Q2

图2－5－1

【解析】　电动机是非纯电阻，其两端电压U2＞IR＝U1，B错误；电流做的功W1＝U1It，W2＝U2It，故W1＜W2，C错误；产生的热量由Q＝I2Rt可判断Q1＝Q2，A正确，D错误．

【答案】　A

学生分组探究二　串并联电路中电功、电功率的分析计算（深化理解）

第1步　探究——分层设问，破解疑难

1．如何计算串联电路、并联电路各支路电功率？

2．总功率与各支路功率有何关系？

第2步　结论——自我总结，素能培养

对于纯电阻电路中，用电器串并联时电功率的关系如下．

1．串联电路

功率关系

2．并联电路

功率关系

第3步　例证——典例印证，思维深化

　额定电压都是110V，额定功率PA＝100W，PB＝40W的电灯两盏，若接在电压是220V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（　　）

【思路点拨】　电路中消耗总功率最小时应为总电压最小总电流也最小．

【解析】　对灯泡有P＝UI＝

，可知：

RA＜RB，对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110V，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＝110V，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＝110V，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，而D电路中变阻器功率为（IA＋IB）×110，所以C电路消耗电功率最小．

【答案】　C

解答串并联电路电功率问题应注意的问题

1．求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要确定是正比还是反比关系．

2．当分析用电器的功率问题时，一定要注意用电器的安全，即不要超过用电器的额定电压、额定电流．

第4步　巧练——精选习题，落实强化

3．如图2－5－2所示，电源电压8V，闭合开关后，电流表

的示数为0.2A，电流表Ⓐ的示数为0.3A．试求：

（1）R1的电功率；

（2）1min内R2消耗的电能．

图2－5－2

【解析】　由电路图可知：

I1＝0.2A，I2＝0.3A－0.2A＝0.1A，

（1）P1＝UI1＝8×0.2W＝1.6W.

（2）Q＝W＝UI2t＝8×0.1×60J＝48J.

【答案】　

（1）1.6W　

（2）48J

4．电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器，它们一般具有加热和保温功能，其工作原理大致相同．如图2－5－3所示为某种电热式电器的简化电路图，主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S.

图2－5－3

（1）当自动开关S闭合和断开时，用电器分别处于什么状态？

（2）用电器由照明电路供电（U＝220V），设加热时用电器的电功率为400W，保温时用电器的电功率为40W，则R1和R2分别为多大？

【解析】　

（1）由P＝

可判定S闭合时处于加热状态，S断开时处于保温状态．

（2）由电功率表达式P＝

知：

闭合时P1＝

，断开时P2＝

解以上两式得R1＝121Ω，R2＝1089Ω.

【答案】　

（1）闭合时，加热；断开时，保温

（2）121Ω　1089Ω

含电动机电路的功率问题分析

1．电动机的等效处理：

电动机是一种非纯电阻性用电器，它把电能转化为机械能和内能．在电路计算中，常把电动机等效为阻值等于其内阻的电阻r和无电阻的转动线圈串联而成，电流通过r时把电能转化为热能，而线圈把电能转化为机械能．

2．输入功率：

也叫电动机的总功率，由电动机电路的电流和电压决定，计算公式P总＝UI.

3．输出功率：

电动机做有用功的功率．如图2－5－4所示，P出＝mg·v（设重物匀速上升）．

图2－5－4

4．热功率：

电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要发热，热功率P热＝I2r.

5．功率关系：

P总＝P出＋P热．

6．电动机的效率：

η＝

×100%.

图2－5－5

　如图2－5－5所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈电阻r＝1Ω，电动机两端电压为5V，电路中的电流为1A，重物A重20N．不计摩擦力，求：

（1）电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少？

（2）电动机的输入功率和输出功率各是多少？

（3）10s内，可以把重物A匀速提升多高？

（4）这台电动机的机械效率是多少？

【解析】　

（1）根据焦耳定律，热功率为P热＝I2r＝12×1W＝1W.

（2）输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积

P入＝IU＝1×5W＝5W.

输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率

P出＝P入－P热＝5W－1W＝4W.

（3）电动机的输出功率用来提升重物，转化为机械功率，在10s内P出t＝mgh，解得h＝

＝

m＝2m.

（4）机械效率η＝

×100%＝

×100%＝80%.

【答案】　

（1）1W　

（2）5W　4W　（3）2m　（4）80%

——[先看名师指津]——————————————

解决电动机问题注意分两种情况

（1）当电动机正常工作时，要分别搞清电动机的总功率、输出功率和热功率，掌握它们之间的关系：

P总＝P出＋P热．

（2）当电动机因故障或其他原因不转动时，相当于一个纯电阻电路．

——[再演练应用]———————————————

如图2－5－6所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻r＝0.6Ω，R＝10Ω，U＝160V，电压表的读数为110V，求：

（1）通过电动机的电流是多少？

（2）输入到电动机的电功率是多少？

（3）电动机中发热的功率是多少？

（4）电动机工作1h所产生的热量是多少？

图2－5－6

【解析】　

（1）设电动机两端的电压为U1，电阻R两端的电压为U2，则

U1＝110V，U2＝U－U1＝（160－110）V＝50V.

通过电动机的电流为I，则I＝

＝

A＝5A.

（2）输入到电动机的电功率P电，P电＝IU1＝110×5W＝550W.

（3）电动机中发热的功率P热，

P热＝I2r＝52×0.6W＝15W.

（4）电动机工作1h所产生的热量Q，Q＝I2rt

＝52×0.6×3600J＝54000J.

【答案】　

（1）5A　

（2）550W　（3）15W　（4）54000J