《2018-2019學年高中物理 第4章 探究閉合電路歐姆定律 4.4 電路中的能量轉化與守恒學案 滬科版選修3-1.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018-2019學年高中物理 第4章 探究閉合電路歐姆定律 4.4 電路中的能量轉化與守恒學案 滬科版選修3-1.doc（10頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

4.4　電路中的能量轉化與守恒 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.理解電功與電熱的區(qū)別與聯(lián)系，掌握焦耳定律．(重點) 2．理解電功與電功率，掌握電源的總功率，輸出功率及電源的效率．(重點、難點) 3．知道常見用電器及其能量轉化的情況，了解電路中能的轉化與守恒，樹立節(jié)約用電的意識. [自 主 預 習探 新 知] [知識梳理] 一、電功與電熱關系的分析 1．電功的公式：W＝UIt. 2．電功率計算公式：P＝UI. 3．焦耳定律：Q＝I2Rt. 4．熱功率計算公式：P＝I2R. 5．P＝UI是某段電路的電功率，P＝I2R是這段電路上的熱功率，純電阻電路中，電功率等于熱功率，非純電阻電路中電功率大于熱功率． 二、閉合電路中的能量轉化與守恒 1．電源的總功率：P總＝EI. 2．電源的輸出功率：P出＝UI. 3．電源的效率：η＝100%＝100%. 4．在閉合電路中，電源的總功率等于輸出功率與內部發(fā)熱功率之和． [基礎自測] 1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“”．) (1)電功率越大，相同時間內電流做的功越多．(√) (2)根據電功的公式和歐姆定律可以推導出電熱的公式，因此電功和電熱是完全相同的．() (3)純電阻電路和非純電阻電路工作時能量轉化情況相同，都是把電能轉化為內能．() (4)電源產生的電能只消耗在外電路上．() (5)電源的總功率等于內、外電路消耗的功率之和．(√) (6)電源的輸出功率越大，電源的效率越高．() 【提示】　 (2)　電功和電熱并不完全相同，在某些電路中，電功不一定能完全轉化為電熱． (3)　純電阻電路可以把電能全部轉化為內能，非純電阻電路則不能． (4)　內電路也消耗電源的能量． (6)　輸出功率大時效率不一定高． 2．在電功率的計算公式P＝中，U是加在用電器上的電壓，R是用電器的電阻，此式可用于(　　) 【導學號：69682212】 A．計算電冰箱的功率　　 B．計算電風扇的功率 C．計算電烙鐵的功率 D．計算洗衣機的功率 C　[P＝只能計算純電阻電路的電功率，而電冰箱、電風扇、洗衣機都是非純電阻電路．只有電烙鐵是純電阻電路，故C正確．] 3.在圖441所示的電路中，電源電動勢為12 V，電源內阻為1.0 Ω，電路中的電阻R0為1.5 Ω，小型直流電動機M的內阻為0.5 Ω.閉合開關S后，電動機轉動，電流表的示數為2.0 A．以下判斷中正確的是(　　) 圖441 A．電動機的輸出功率為14 W B．電動機兩端的電壓為7.0 V C．電動機產生的熱功率為4.0 W D．電源輸出的電功率為24 W B　[電動機兩端的電壓為U＝E－I(R0＋r)＝7 V，電動機產生的熱功率為P熱＝I2rM＝2 W，電動機的輸出功率為P1＝UI－I2rM＝12 W，電源輸出的電功率為P2＝EI－I2r＝20 W，故B正確．] 4. (多選)如圖442所示的電路中，電源的電動勢E和內電阻r恒定不變，電燈L恰能正常發(fā)光，如果變阻器的滑片向b端滑動，則(　　) 圖442 A．電燈L更亮，電流表的示數減小 B．定值電阻R2消耗的功率減小 C．電燈L變暗，電源的總功率減小 D．電燈L變暗，電流表的示數增大 AB　[滑片向b端滑動，R1變大，電路中總電阻變大，根據I＝知I減小，電流表示數減小，根據E＝U外＋Ir知，U外變大，燈泡兩端電壓變大，故電燈L更亮．再根據P2＝IR2，I減小，IL變大，故I2變小，R2功率變小，故C、D錯誤，A、B正確．] [合 作 探 究攻 重 難] 電功與電熱的理解 1．純電阻電路與非純電阻電路的比較 純電阻電路 非純電阻電路 元件特點 電路中只有電阻元件 除電阻外還包括能把電能轉化為其他形式能的元件 歐姆定律 服從歐姆定律，I＝ 不服從歐姆定律，U>IR或I< 能量轉化 電流做功，電能全部轉化為電熱 電流做功，電能除轉化為內能外還要轉化為其他形式的能 元件舉例 電阻、電爐絲、白熾燈等 電動機、電解槽等 2．電功與電熱的區(qū)別與聯(lián)系 (1)純電阻電路：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t， P電＝P熱＝UI＝I2R＝. (2)非純電阻電路：電功W＝UIt，電熱Q＝I2Rt，W>Q；電功率P電＝UI，熱功率P熱＝I2R，P電>P熱． 　如圖443所示，A為電解槽，M為電動機，N為電爐子，恒定電壓U＝12 V，電解槽內阻rA＝2 Ω，當S1閉合、S2、S3斷開時，電流表A示數為6 A；當S2閉合、S1、S3斷開時，A示數為5 A，且電動機輸出功率為35 W；當S3閉合、S1、S2斷開時，A示數為4 A．求： 圖443 (1)電爐子的電阻及發(fā)熱功率各多大？ (2)電動機的內阻是多少？ (3)在電解槽工作時，電能轉化為化學能的功率為多少？ 思路點撥：①電爐子為純電阻元件，其電阻可用歐姆定律計算，熱功率和電功率相等． ②電動機和電解槽為非純電阻元件． 【解析】　(1)電爐子為純電阻元件，由歐姆定律得： R＝＝ Ω＝2 Ω 其發(fā)熱功率為： P＝UI1＝126 W＝72 W. (2)電動機為非純電阻元件，由能量守恒定律得： UI2＝IrM＋P輸出 所以：rM＝＝ Ω＝1 Ω. (3)電解槽為非純電阻元件，由能量守恒定律得： P化＝UI3－IrA 所以P化＝(124－422) W＝16 W. 【答案】　(1)2 Ω　72 W　(2)1 Ω　(3)16 W 電功、電熱的計算方法 (1)判斷電路中的用電器是純電阻用電器還是非純電阻用電器． (2)分析各用電器之間的連接方式，對純電阻電路，計算時可以利用串聯(lián)電路的分壓特點或并聯(lián)電路的分流特點． (3)由所求問題選取合適的公式，在非純電阻電路中計算電功只能用W＝UIt，計算電熱只能用Q＝I2Rt.歐姆定律的變形式在純電阻電路中才能通用． (4)對于含電動機的電路，電動機轉動時是非純電阻用電器，電動機不轉動時是純電阻用電器． [針對訓練] 1．(多選)一臺直流電動機的電阻為R，額定電壓為U，額定電流為I，當其正常工作時，下述正確的是(　　) 【導學號：69682213】 A．電動機所消耗的電功率為I2R B．t s內所產生的電熱為UIt C．t s內所產生的電熱為I2Rt D．t s內輸出的機械能為(U－IR)It CD　[電動機所消耗的電功率為UI，A錯誤；t s內產生的電熱為I2Rt，B錯誤，C正確；t s內輸出的機械能為UIt－I2Rt，D正確．] 2．規(guī)格為“220 V　36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 Ω，求： (1)接上220 V的電壓后，排氣扇轉化為機械能的功率和發(fā)熱的功率； (2)如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉動，求電動機消耗的功率和發(fā)熱的功率． 【解析】　(1)排氣扇在220 V的電壓下正常工作時的電流為：I＝＝ A≈0.16 A. 發(fā)熱功率為P熱＝I2R＝(0.16)240 W≈1 W. 轉化為機械能的功率為： P機＝P－P熱＝36 W－1 W＝35 W. (2)扇葉被卡住不能轉動后，電動機成為純電阻電路，電流做功全部轉化為熱能，此時電動機中電流為 I′＝＝ A＝5.5 A， 電動機消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率： P電′＝P熱′＝UI′＝2205.5 W＝1 210 W. 【答案】　(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W 閉合電路的輸出功率和效率 1．電源的輸出功率 當外電路為純電阻電路時討論如下： (1)電源的輸出功率 P出＝I2R＝R＝＝. 由此可知當R＝r時，電源有最大輸出功率P出max＝. (2)P出與外電阻R的函數關系，如圖444： 圖444 (3)P出與路端電壓U的函數關系，如圖445： 圖445 P出＝UI＝U＝－U2＋U＝－＋我們可以得出，當U＝時，電源有最大輸出功率，即P出max＝. 2．電源的效率 η＝100%＝100%＝100%＝100%，可見，當R增大時，效率增大．當R＝r時，即電源有最大輸出功率時，其效率僅為50%，效率并不高． 　如圖446所示，E＝8 V，r＝2 Ω，R1＝8 Ω，R2為變阻器接入電路中的有效阻值，問： 圖446 (1)要使變阻器獲得的電功率最大，則R2的取值應是多大？這時R2的功率是多大？ (2)要使R1得到的電功率最大，則R2的取值應是多大？R1的最大功率是多大？這時電源的效率是多大？ (3)調節(jié)R2的阻值，能否使電源以最大的功率輸出？為什么？ 思路點撥：(1)R1為定值電阻，電功率最大的條件是R2＝0. (2)R2為可變電阻，其電功率最大的條件是R2＝R1＋r. (3)電源輸出最大功率為的條件是內外電阻相等． 【解析】　(1)將R1和電源(E，r)等效為一新電源，則 新電源的電動勢E′＝E＝8 V 內阻r′＝r＋R1＝10 Ω，且為定值 利用電源的輸出功率隨外電阻變化的結論知，當R2＝r′＝10 Ω時，R2有最大功率，即 P2max＝＝ W＝1.6 W. (2)因R1是定值電阻，所以流過R1的電流越大，R1的功率就越大． 當R2＝0時，電路中有最大電流，即 Imax＝＝0.8 A R1的最大功率 P1max＝IR1＝5.12 W 這時電源的效率 η＝100%＝80%. (3)不能．因為即使R2＝0，外電阻R1也大于r，不可能有的最大輸出功率．本題中，當R2＝0時，外電路得到的功率最大． 【答案】　(1)10 Ω　1.6 W　(2)0　5.12 W　80% (3)不能　理由見解析 有關閉合電路中功率問題的三點提醒 (1)電源輸出功率越大，效率不一定越高，如電源輸出功率最大時，效率只有50%. (2)判斷可變電阻功率變化時，可將可變電阻以外的其他電阻看成電源的一部分內阻． (3)當P出I2Rt.故A，D錯誤，B，C正確．] 2．把兩根電阻相同的電熱絲先串聯(lián)后并聯(lián)分別接在同一電源上，若要產生相等的熱量，則兩種方法所需的時間之比t串∶t并為(　　) A．1∶1 B．2∶1　　　C．4∶1　　　D．1∶4 C　[串聯(lián)后電阻為R1＝2r，產生的熱量為Q1＝t串＝t串；并聯(lián)后電阻為R2＝，產生的熱量為Q2＝t并＝t并，若要Q1＝Q2，所以有t串∶t并＝4∶1.] 3.如圖449所示，已知電源內電阻r為2 Ω，定值電阻R0為3 Ω，滑動變阻器阻值范圍為0～10 Ω.當使滑動變阻器R阻值為R1時，在R1上獲得最大功率，則R1的阻值應為(　　) 【導學號：69682216】 圖449 A．2 Ω B．3 Ω C．4 Ω D．5 Ω D　[將R0視為內阻，當外阻R1等于內阻(R0＋r)時，輸出功率最大，即R1上的功率最大．故D正確．] 4.如圖4410所示，電源電動勢E＝10 V，內阻r＝0.5 Ω，標有“8 V,16 W”的燈泡恰好能正常發(fā)光，電動機M繞組的電阻R0＝1 Ω，求： 圖4410 (1)路端電壓； (2)電源的總功率； (3)電動機的輸出功率． 【解析】　(1)路端電壓等于電燈L的電壓，即為8 V. (2)由公式E＝U＋Ir 可得I＝＝ A＝4 A 電源總功率P總＝EI＝40 W. (3)通過燈泡的電流為IL＝＝2 A 通過電動機的電流IM＝I－IL＝2 A 電動機消耗的總功率P入＝UMIM＝82 W＝16 W 電動機內阻消耗的功率P內＝IR0＝221 W＝4 W 所以輸出功率為P出＝P入－P內＝16 W－4 W＝12 W. 【答案】　(1)8 V　(2)40 W　(3)12 W