高中物理 第4章 探究闭合电路欧姆定律 电路中的能量转化与守恒学案 沪科版选修3-1

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1、学案4　电路中的能量转化与守恒[学习目标定位]1.理解电功、电功率的概念与公式并能进行相关计算.2.掌握焦耳定律并熟练区分纯电阻电路、非纯电阻电路中热量的计算.3.明确闭合电路的效率与功率，能分析闭合电路电源的最大输出功率．一、电功与电热关系的分析1．电功和电功率的普遍表达式(1)电功的定义：我们知道，在导体两端加上电压，导体中就会产生电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下就会发生定向移动而形成电流．在这一过程中电场力对电荷做功，这个功叫做电功．(2)电功的计算公式：电场力对电荷q所做的功为W＝qU，而q＝It，所以W＝UIt.(3)电功率的计算公式：P＝UI.2．电功与

2、电热(1)纯电阻电路：只含白炽灯、电炉等电热元件的电路叫纯电阻电路．(2)焦耳定律：电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比．它的数学表达式是Q＝I2Rt，这个规律叫做焦耳定律．(3)电热：通常把电流流过导体时产生的热量称为电热，有时也叫做焦耳热．(4)热功率：单位时间内电流通过导体发出的热叫做热功率，其表达式为P＝Q/t＝I2R.二、闭合电路中的能量转化与守恒1．EI＝UI＋U内I，反映了闭合电路中的能量转化关系．EI表示电源产生的电功率，UI和U内I分别表示外电路和内电路上消耗的电功率．2．电源的总功率：P总＝EI3．电源的输出

3、功率：P出＝UI4．电源的效率：η＝×100%＝×100%.一、电功和电功率[要点提炼]1．电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少量．2．电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功．3．电功常用的单位还有：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1kW·h＝3.6×106J.4．电功率P＝＝IU，表示电流做功的快慢．二、焦耳定律[要点提炼]1．在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为其他形式的能．2．纯电阻电路中：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t；P＝P热＝UI＝I2R＝.3．非纯电阻电路中：W＝UI

4、t＝Q＋E其他>Q＝I2Rt；P＝UI＝I2R＋P其他>P热＝I2R.三、闭合电路中的能量转化与守恒[要点提炼]1．电路中的能量关系为：IE＝UI＋I2r.其中IE为电源的总功率，UI为电源的输出功率，I2r为内阻上消耗的热功率．2．若外电路是纯电阻电路，电路中的能量关系可写成IE＝I2R＋I2r.3．电源的效率η＝×100%＝×100%.[延伸思考]1．在一个闭合电路中电源的输出功率与外电阻之间有怎样的关系(纯电阻电路)？什么时候电源的输出功率最大？答案　电源的输出功率是指外电路消耗的功率．当外电路为纯电阻电路时，(1)电源的输出功率P出＝I2R＝R＝＝，由此可知当R＝

5、r时，电源有最大输出功率P出max＝.(2)P出与外电阻R的函数关系图像如图所示，从图中看出当R＜r时，若R增大，P出增大；当R＞r时，若R增大，P出减小．对一个确定的电源，除R＝r外，外电阻有两个值对应的输出功率相等，即()2R1＝()2R2，化简后得到这两个阻值的关系为R1R2＝r2.2．电源的效率与外电阻有怎样的关系？输出功率最大时，电源的效率也最高吗？答案　η＝＝＝＝＝＝，可见，外电阻R越大，电源的效率越高，当电源有最大输出功率时R＝r，η＝50%，此时电源的效率并不是最高．一、电功、电热　电功率、热功率例1　下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是(　　)

6、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只适用于纯电阻电路C．在非纯电阻电路中，UI>I2RD．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路解析　电功率公式P＝，表示电功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝，焦耳热Q＝()2Rt，可见Q与P、U、t都有关，所以P越大，Q不一定越大，A错．W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝只适用于纯电阻电路，B对．在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C对．Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对．答案　BC

7、D二、非纯电阻电路的计算例2　一台电风扇，内阻为20Ω，接上220V电压后，消耗的功率为66W．求：(1)电风扇正常工作时通过风扇电动机的电流强度；(2)电风扇正常工作时转化为机械能的功率和内能的功率以及电动机的效率；(3)若接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，则此时通过电动机的电流是多大？电动机消耗的电功率和发热功率各是多大？解析　(1)由P入＝IU得I＝＝A＝0.3A(2)电风扇正常工作时转化为内能的功率P内＝I2r＝0.32×20W＝1.8W电风扇正常工作时转化为机械能的功率P机＝P入－P内＝66W－1.8W＝64.2W电