第12章 第1节 电路中的能量转化

第 1 节　电路中的能量转化 [核心素养] [学习目标] 1．物理观念：电功、电功率、焦耳定律． 2．科学思维：区分电功和电热，对比不同电 路中的能量转化． 1．理解电功、电功率、电热、热功率及它们 之间的关系． 2．应用焦耳定律解决相关问题． 3．区分电功和电热，会正确计算非纯电阻电 路中的电功和电热． 一、电功和电功率 1．电功 (1)电流做功的实质：电流做功是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．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(电能)减小，其他形式 的能增加.电流做功的过程就是将电能转化为其他形式的能的过程． (2)公式的推导 由　Error!⇒电功 W＝UIt． W、I、U、t 的单位分别为焦耳(J)、安培(A)、伏特(V)、秒(s)． 2．电功率 电功率—Error! 二、焦耳定律 1．焦耳定律 (1)理论推导：对白炽灯、电炉等电热元件，电流做功时将电能全部转化为导体的内能， 所以有 Q＝W＝UIt，根据欧姆定律得 U＝IR，代入上式后有 Q＝I2Rt． (2)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．热功率 热功率—Error! 三、电路中的能量转化 1．电路中只有电阻(纯电阻电路)，电能完全转化为内能． 2．电路中除含有电阻外还含有其他负载(非纯电阻电路)．例如电动机电路中： (1)能量转化：电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，一部分转化为内能． (2)功率关系： ①P 电＝P 机＋P 损 ②P 电＝UI ③P 损＝P 热＝I2R 1．判断正误． (1)电流做功的实质是静电力对电荷做功．(√) (2)电功率越大，表示电流做功越多．(×) (3)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．(√) (4)电热 Q＝I2Rt 可以用来计算纯电阻电路中产生的焦耳热．(√) (5)电功 W＝UIt 可以用来计算所有电路中电流所做的功．(√) 2．下列家用电器在工作时，主要利用电流热效应的是(　　) A．电熨斗　 B．电冰箱　 C．吸尘器　 D．电风扇 A　[电熨斗是利用了电流的热效应来产生热量的，故 A 正确．电冰箱利用电动机带动 工作，利用了电流的磁效应，故 B 错误．吸尘器工作时，主要将电能转化为机械能，不是 利用电流的热效应，选项 C 错误．电风扇主要是把电能转化为机械能，是利用了电流的磁 效应，故 D 错误．] 3．一台电动机，额定电压为 100 V，电阻为 1 Ω.正常工作时，通过的电流为 5 A，则电 动机因发热损失的功率为(　　) A．500 W B．25 W [来源:Z&xx&k.Com] C．1 000 W D．475 W B　[电动机的热功率 P＝I2R＝52×1 W＝25 W，B 正确，A、C、D 错误．] 探究点一　电功与电热的比较如图，电吹风和电熨斗都是通过电流做功进行工作的电器． (1)电吹风工作时，将电能转化为什么能？ (2)电熨斗工作时，将电能转化为什么能？ 提示　(1)电吹风工作时，将电能转化为机械能和内能．(2)电熨斗工作时，将电能转化 为内能． 1．纯电阻电路和非纯电阻电路[来源:Z.Com] (1)常用的电灯泡、电炉子等为纯电阻电路．电动机、电解槽等为非纯电阻电路． (2)纯电阻电路服从欧姆定律，而非纯电阻电路不服从欧姆定律． (3)纯电阻电路电流做功时，电能全部转化为电热，而非纯电阻电路，电流做功将电能 一部分转化为电热，一部分转化为机械能或其他形式的能． 2．电功与电热 纯电阻电路 非纯电阻电路 电功 W＝UIt＝I2Rt＝U2 R t W＝UIt 电热 Q＝UIt＝I2Rt＝U2 R t Q＝I2Rt 关系 W＝Q W>Q 3．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＝U2 R P 电＝UI 热功率 P 热＝UI＝I2R＝U2 R P 热＝I2R 关系 P 电＝P 热 P 电>P 热 　如图，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 的恒压电源两端，灯泡正常发光，则(　　)A．电解槽消耗的电功率为 60 W B．电解槽的发热功率为 60 W C．电解槽中将电能转化为化学能的功率为 60 W D．整个电路消耗的总功率为 60 W A　[由于灯泡正常发光，所以电解槽的电压为 220 V－110 V＝110 V，由于电解槽和灯 泡串联，它们的电流相等，所以 I＝P U＝ 60 110 A，所以电解槽的输入功率为：P＝UI＝110×60 110 W＝60 W，所以 A 正确．电解槽的发热功率为：P 热＝I2r＝( 60 110)2×4.4 W≈1.3 W，所以 B 错误．电解槽中将电能转化为化学能的功率为：P 化＝P－P 热＝(60－1.3) W＝58.7 W，所以 C 错误．电路消耗总功率为：P 总＝220 V× 60 110 A＝120 W，所以 D 错误．] (1)电解槽是非纯电阻电路，电功率用 P＝UI 计算．电功率和热功率不相等，热功率只 占很少一部分． (2)电解槽的热功率只能用 P＝I2r 计算，r 为内阻． (3)电功率等于热功率与电能转化为化学能的功率之和，即 P＝P 化＋P 热． [训练 1]　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．PUI D．P>I2(R1＋R2) D　[电吹风机消耗的电功率 P 是总的功率，总功率的大小应该是用 P＝UI 来计算，所 以总功率 P＝UI，故 A 错误，C 错误．电吹风机中发热的功率要用 P＝I2R 来计算，所以总 的发热功率为 P＝I2(R1＋R2)，吹风机的总功率 P＝UI 要大于发热部分的功率，故 B 错误，D 正确．] 探究点二　含电动机电路的计算 如图是餐馆或其他公共场所常用的换气扇，思考以下几个问题：(1)换气扇是纯电阻电路还是非纯电阻电路？ 提示　非纯电阻电路． (2)换气扇主要将电能转化为什么形式的能？ 提示　机械能． (3)换气扇工作时间过长时，为什么会发热？ 提示　换气扇线圈上有电阻，电流通过电阻会将电能转化为内 能． 含电动机的电路是非纯电阻电路，相关各功率的计算总结如下： (1)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． (2)发热功率：电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要产生内能，发热功率：P 热＝ I2r． (3)输出功率：电动机做有用功的功率．如图所示，对于匀速上升的物体，发动机的输 出功率：P 出＝mg·v． (4)功率关系：P 总＝P 出＋P 热． (5)电动机的效率：η＝P 出 P 总×100%． 　如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为 r＝1 Ω，电动机两 端的电压为 5 V，电路中的电流为 1 A，物体 A 重 20 N，不计摩擦力，问： [ (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)10 s 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 P 热＝I2r＝12×1 W＝1 W． (2)电动机输入功率 P 入＝UI＝1×5 W＝5 W，输出功率 P 出＝P 入－P 热＝5 W－1 W＝4 W． (3)电动机输出的功率用来提升重物转化为机械功，在 10 s 内 P 出 t＝mgh，解得 h＝P 出 t mg ＝4 × 10 20 m＝2 m． (4)机械效率 η＝P 出 P 入×100%＝80%． 答案　(1)1 W　(2)5 W　4 W　(3)2 m　(4)80% 解答这类问题，首先要弄清电流做功转化为几种形式的能，再根据能量守恒找出几种形 式的能对应的功率关系． [训练 2]　在如图所示的电路中，输入电压 U 恒为 8 V，灯泡 L 标有“3 V　6 W”字样， 电动机线圈的电阻 RM＝1 Ω.若灯泡恰能正常发光，求： (1)整个电路消耗的电功率； (2)电动机的效率． 解析　(1)电路中的电流 I＝PL UL＝6 3 A＝2 A， 整个电路消耗的电功率 P＝UI＝16 W． (2)电动机的输入电压 UM＝U－UL＝5 V， 电动机的效率 η＝UMI－I2RM UMI ×100%＝60%． 答案　(1)16 W　(2)60% 核心素养·提升 物理与生活 家用电器的功率问题 随着生活水平的不断提高，家中电器的使用越来越普遍，而且种类越来越多．如电饭锅、 电吹风，甚至电动车、电动轿车也大量进入人们的家庭．在遇到这样的实际问题时，要弄清 电器的类别，利用所学知识分析解决． 家用电器的分类纯 电阻类 白炽灯、电炉子、电熨斗、电烙铁、电饭锅等 非纯电阻类 电风扇、洗衣机、排气扇、电冰箱、电动车等 [训练]　一辆电动自行车的铭牌上给出了如下表的技术参数： 规格 后轮驱动直流电机 车型 26″电动自行车 额定输出功率 120 W 整车质量 30 kg 额定电压 40 V 最大载量 120 kg 额定电流 3.5 A 质量为 M＝70 kg 的人骑此电动自行车沿平直公路行驶，所受阻力 F 阻恒为车和人总重 的 k＝0.02 倍．g 取 10 m/s2，求： (1)此车电机的内阻； (2)在电机正常工作时，人骑车行驶的最大 速度． 解析　(1)由表可知，电机的输出功率为 P 出＝120 W，额定电压为 U0＝40 V，额定电流 为 I0＝3.5 A 电机正常工作时输入功率： P 入＝U0I0＝40×3.5 W＝140 W 设电机的内阻为 r，则由欧姆定律知： P 入－P 出＝I20r 解得 r＝1.63 Ω． (2)设车的质量为 m，由题意知，行驶时所受阻力： F 阻＝k(M＋m)g 当达到最大速度 vm 时，有 P 出＝F 阻·vm 解得 vm＝6 m/s 答案　(1)1.63 Ω　(2)6 m/s 1．(电功、电功率、焦耳定律的理解)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中错误 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＝U2 R t 只适用于纯电阻电路C．在非纯电阻电路中，UI>I2R D．焦耳热 Q＝I2Rt 适用于任何电路 A　[电功率越大，表示电流做功越快，但是电路中产生的焦耳热量的多少还与做功的 时间的长短有关，A 错误；公式 W＝UIt 是计算电路的总功的大小，适用于任何的电路，当 为纯电阻电路时，根据欧姆定律 I＝U R，可以推导出 W＝I2Rt，W＝U2 R t，所以 W＝I2Rt，W＝ U2 R t 只能适用于纯电阻电路，B 正确；在不是纯电阻的电路中，UI 表示的是总功率的大小， 而 I2R 只是电路中发热功率，还有对外做功的功率的大小，所以 UI>I2R，所以 C 正确；焦 耳热 Q＝I2Rt 适用于任何电路中的焦耳热量的计算，D 正确．] 2．(电路中的能量转化)额定电压、额定功率相同的电风扇、电烙铁和日光灯，各自在 额定电压下工作了相同时间，比较它们产生的热量，结果是(　　) A．电风扇最多　　　　　 B．电烙铁最多 C．日光灯最多 D．一样多 B　[电风扇、电烙铁和日光灯额定电压、额定功率相同，相同时间内消耗的电能相等， 而电风扇消耗的电能大部分转化为机械能，日光灯消耗的电能大部分转化为光能，电烙铁消 耗的电能全部转化为内能，所以产生的热量电烙铁最多．] 3．(焦耳定律的应用)通过电阻 R 的电流为 I 时，在 t 时间内产生的热量为 Q，若电阻为 2R，电流为I 2，则在时间 t 内产生的热量为(　　) A．4Q　　　 B．2Q C ．Q 2　　　 D．Q 4 C　[根据 Q＝I2Rt 得，电阻变为原来的 2 倍，电流变为原来的1 2，时间不变，则热量变 为原 来的1 2，C 正确．] 4．(电动机电路的计算)如图所示，一台直流电动机所加电压为 110 V，通过的电流为 5 A．该电动机在 10 s 内把一个质量为 50 kg 的物体匀速提升了 9 m，求电动机的电功率和电 动机线圈的电阻(不计摩擦，g 取 10 m/s2)． 解析　电功率：P＝UI＝110×5 W＝550 W电动机做功的过程就是把电能转化为机械能和内能的过程． 机械能：E＝mgh＝50×10×9 J＝4 500 J 内能：Q＝W－E＝Pt－E＝(550×10－4 500)J＝1 000 J 由焦耳定律 Q＝I2Rt，得：R＝Q I2t＝4 Ω． 答案　550 W　4 Ω 课时作业(十五)　电路中的能量转化 A 组　合格考　过关练 1．电功率的计算公式 P＝U2 R 中，U 是加在用电器上的电压，R 是用电器的电阻，此式 可用于(　　) A．计算电冰箱的功率　　 B．计算电风扇的功率 C．计算电烙铁的功率 D．计算洗衣机的功率 C　[公式 P＝U2 R 是根据功率公式和欧姆定律推导出来的，只能用在纯电阻电路中，故 C 正确，A、B、D 错误．] 2．(多选)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同 时间内(　　) A．电炉放热与电动机放热相等 B．电炉两端电压小于电动机两端电压 C．电炉两端电压等于电动机两端电压 D．电动机消耗的功率大于电炉的功率 ABD　[电炉属于纯电阻用电器，电动机属于非纯电阻用电器．对于电炉有：U＝IR， 放热 Q＝I2Rt，消耗功率 P＝I2R.对于电动机有：U>IR，放热 Q＝I2Rt，消耗功率 P＝UI>I2R.] 3．两盏额定功率相同的灯泡 A 和 B，其额定电压 UA>UB，则下列说法正 确的是(　　) A．两灯正常发光时，灯泡的电流强度 IA>IB B．两灯电阻 RA