山东省专用2018_2019学年高中物理第二章恒定电流第5节焦耳定律讲义含解析新人教版选修3_1.pdf
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1、第 5 节焦耳定律第 5 节焦耳定律 1.电功是指电流通过一段电路所做的功, 实质是静电 力在这段电路中所做的功,其表达式为WUIt。 2 电功率是指单位时间内电流所做的功, 表达式为P 。 W t 3焦耳定律的表达式为QI2Rt,此式适用于任何 电路。 4非纯电阻电路中,由于产热不可避免,所以非纯 电阻电路的效率不可能达到 100%。 一、电功和电功率 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U、电路中的电流I和通 电时间t三者的乘积。 (2)公式:WIUt。 (3)国际单位:焦,符号为 J。 (4)实质:导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。 (5)意义:电流
2、做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程,电流做了多少功,就有多 少电能转化为其他形式的能。即电功是电能转化为其他形式的能的量度。 2电功率 (1)定义:单位时间内电流所做的功。 (2)公式:P IU。 W t (3)单位:瓦,符号:W。 (4)意义:表示电流做功的快慢。 二、焦耳定律 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:QI2Rt。 3热功率 (1)定义:单位时间内的发热量。 (2)公式:P热 I2R,单位:瓦特(W)。 Q t (3)意义:表示电流发热快慢的物理量。 1自主思考判一判 (1)电功与电能的单位相同,电功就是电能。()
3、 (2)电功率越大,电功越大。() (3)1 千瓦时3.6106 J。() (4)非纯电阻电路中,电热的表达式是QI2Rt。() (5)电流流过笔记本电脑时,电功一定等于电热。() (6)根据I 可导出P,该公式用于任何用电器。() U R U2 R 2合作探究议一议 (1)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。电流做功一方面与实际功率有关,另一方面还与通电时间有关,只有实际 功率与时间乘积大时,电流做功才多。 (2)标有“220 V 40 W”的白炽灯泡和“220 V 40 W”的电动机,把它们并联后接到 220 V 的照明电路中,二者都能正常工作,它们在
4、相同的时间内产生的电热相同吗? 提示:不同。“220 V 40 W”的白炽灯通电时将电能全部转化为内能,而“220 V 40 W”的电动机,通电后消耗的电能大部分转化为机械能,剩余的小部分才转化为内能。 串、并联电路中电功率的分析与计算 1串联电路 功率关系Error! 2并联电路 功率关系Error! 3结论 无论是串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。 典例 额定电压都是 110 V, 额定功率PA100 W,PB40 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( ) 审题指导 (1)两电灯均正常发
5、光时,其电压必为额定电压。 (2)滑动变阻器消耗的功率最小时电路总功率就最小。 解析 对灯泡有PUI,可知:RARB,对于 A 电路,由于RARB,所以UBUA, U2 R 且有UB110 V,B 灯被烧毁,A 错误。 对于 B 电路,由于RBRA,A 灯又并联变阻器,并联电阻更小于RB,所以UBU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UAUB110 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UAUB110 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(IAIB
6、)110,而 D 电路中变阻器功率 为(IAIB)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两个问题 (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。 1在直流电路中,两个电阻的阻值之比R1R221,通过的电流之比I1I221, 则在相等时间内两个电阻产生的热量Q1Q2为( ) A11 B21 C41D81 解析 : 选 D 两个导体的电阻阻值之比是 21, 通过的电流之比是 21, 通电时间t相同, 则产
7、生的热量之比 2 ,故 D 正确。 Q1 Q2 I12R1t I22R2t( 2 1) 2 1 8 1 2.如图所示,电源电压 8 V,闭合开关后,电流表的示数为 0.2 A,电流表 的示数为 0. 3 A。试 求: (1)R1的电功率; (2)1 min 内R2消耗的电能。 解析:由电路图可知:I10.2 A, I20.3 A0.2 A0.1 A, (1)P1UI180.2 W1.6 W。 (2)QWUI2t80.160 J48 J。 答案:(1)1.6 W (2)48 J 纯电阻电路与非纯电阻电路 纯电阻电路非纯电阻电路 元件特点 电路中只有电阻元件,如电阻、 电炉丝、白炽灯 电路中除电阻
8、外,还包括能把电能转 化为其他形式能的用电器,如电动机、 电解槽 欧姆定律是否 适用 适用,IU R 不适用,IU R 能量转化 电能全部转化为内能:WQUIt I2Rtt U2 R 电能转化为内能和其他形式的能量:W UIt,QI2Rt,WQW其他 功率特点 电功率等于热功率 :P电P热UI I2RU 2 R 电功率等于热功率与其他功率之和:P 电UI P热I2R P电P热P其他 典例 规格为“220 V 36 W”的排气扇,线圈电阻为 40 ,求: (1)接上 220 V 的电压后,求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率; (2)如果接上 220 V 的电压后, 扇叶被卡住, 不能转动,
9、求电动机消耗的功率和发热的功率。 审题指导 第一步 抓关键点 关键点获取信息 排气扇规格为“220 V 36 W”接 220 V 电压 电压和功率均达到额定值 线圈电阻 40 可根据“220 V 36 W” 求出I,从而求出P热接 上电源,电动机不转 电路转化为纯电阻电路 第二步 找突破口 (1)额定电压下,电流可据I 求出。 P U (2)机械功率可通过P机P电P热求出。 (3)电动机不工作时,220 V 电压全加在 40 电阻上,电动机此时即为“电阻” 。 解析 (1)排气扇在 220 V 的电压下正常工作时的电流为:I A0.16 A, P U 36 220 发热功率为: P热I2R(0
10、.16)240 W1 W。 转化为机械能的功率为: P机P电P热36 W1 W35 W。 (2)扇叶被卡住不能转动后, 电动机成为纯电阻电路,电流做功全部转化为热能,此时电 动机中电流为 I A5.5 A, U R 220 40 电动机消耗的功率即发热功率: P电P热UI2205.5 W1 210 W。 答案 (1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W (1)当电动机不转动时,消耗的电能全部转化为内能,此时是一个纯电阻元件。当电动机 转动时,消耗的电能转化为机械能和内能,此时是非纯电阻元件。 (2)求解非纯电阻电路问题时,注意区分电功率和热功率,弄清电功率、热功率、其他功 率
11、的关系。 1有一个电风扇,标有“200 V 50 W” ,电动机线圈的电阻为 0.4 ,把它接入 220 V 的 电路中,以下几种计算时间t内产生热量的方法中正确的是( ) AQBQPt U2t R CQ 2Rt D以上三种方法均正确 ( P U) 解析 : 选 C 通过电风扇的电流为I , 因为电风扇不是纯电阻电路, 所以其焦耳热为Q P U 2Rt,而不应该是Q 或QPt,C 正确。 ( P U) U2t R 2某同学用如图所示的电路进行电动机 M 的输出功率的研究,其实 验步骤如下所述,闭合开关后,调节滑动变阻器,电动机未转动时,电 压表的读数为U1,电 流表的读数为I1;再 调节滑动变
12、阻器,电动机转动后 电压表的读数为U2,电流表的读数为I2,则此时电动机输出的机械功率为 ( ) AU2I2B. I22U1 I1 I22U1 I1 CU2I2U1I1DU2I2 解析:选 A 闭合开关后,电动机未转动时,电动机的内阻R;电动机转动后,电动 U1 I1 机的电功率P电U2I2, 发热功率P热I22R, 则电动机的输出功率P出P电P热U2I2, I22U1 I1 故 A 正确。 3.多选如图所示,电阻R120 ,电动机的绕阻R210 。当开 关断开时, 电流表的示数是 0.5 A,当开关闭合后,电动机转动起来,电路 两端的电压不变, 此时电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(
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