2024-2025學(xué)年新教材高中物理第3章恒定電流第3節(jié)電功與電熱學(xué)案魯科版第三冊

PAGE8-第3節(jié)電功與電熱學(xué)習(xí)目標：1.[物理觀念]知道電功與電功率的概念，了解電熱、熱功率，知道焦耳定律，并能說明有關(guān)純電阻電路和非純電阻電路的問題。2.[科學(xué)思維]理解焦耳定律并會用Q＝I2Rt計算電熱，能夠?qū)冸娮桦娐泛头羌冸娮桦娐愤M行電功與電熱的計算，提高解題實力。3.[科學(xué)探究]能從能量守恒的角度探究電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，學(xué)會與他人溝通合作，提高試驗探究實力。4.[科學(xué)看法與責(zé)任]了解科學(xué)技術(shù)與社會環(huán)境的關(guān)系，體會電能的運用對人類生活和發(fā)展的影響，培育自覺愛護環(huán)境的行為習(xí)慣。一、電功和電功率電功電功率概念電場力對定向移動的自由電荷所做的功單位時間內(nèi)電流所做的功公式W＝qU＝UItP＝eq\f(W,t)＝UI單位焦耳，符號J瓦特，簡稱瓦，符號W物理意義描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少描述電流做功的快慢說明：計算電功率的普遍公式P＝eq\f(W,t)(比值定義法)和P＝UI，對于純電阻電路，計算電功率還可以用公式P＝I2R和P＝eq\f(U2,R)。二、焦耳定律1．內(nèi)容：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導(dǎo)體的電阻及通電時間成正比。2．公式：Q＝I2Rt。3．單位：焦耳，簡稱焦，符號J。留意：對于純電阻電路還是非純電阻電路，計算電熱都用Q＝I2Rt。三、身邊的電熱1．電熱水器、電飯鍋等家用電器是利用了電流的熱效應(yīng)，其電阻絲都是由電阻率較大的材料制成的。2．電焊是在焊接的金屬接觸面上通過電流，利用接觸電阻產(chǎn)生的熱量得到適合焊接的高溫，從而對接觸面進行焊接的一種方法。3．插頭和插座之間、電線連接處假如接觸不良，都會產(chǎn)生大電阻，簡單發(fā)熱，甚至迸出火花。4．電視機和顯示器的后蓋有許多孔，計算機的CPU要安裝散熱片及風(fēng)扇，都是為了散熱。說明：當(dāng)利用電熱時，運用電阻大的；當(dāng)削減電熱時，則使電阻R減小。1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)千瓦時(kW·h)是電功的常用單位。1kW·h＝3.6×106J。 (√)(2)電流做功的過程中，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。 (√)(3)電功率越大，電流做功肯定越快。 (√)(4)任何電路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 (×)2．(多選)對電功及焦耳定律公式的理解正確的是()A．焦耳定律適用于一切電路的焦耳熱的求解B．電功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都適合于任何電路，因此W不肯定等于QC．非純電阻電路中的電功可能等于焦耳熱D．電功的另一表達式W＝eq\f(U2,R)t適用于任何電路AB[任何電路的熱功率以及焦耳熱都可用焦耳定律求解，A正確；B選項中的兩個公式均適合于任何電路，但W不肯定等于Q，B正確；在非純電阻電路中，電功肯定大于焦耳熱，C錯誤；W＝eq\f(U2,R)t只適用于純電阻電路，D錯誤。]3．在直流電路中，兩個電阻的阻值之比R1∶R2＝2∶1，通過的電流之比I1∶I2＝2∶1，則在相等時間內(nèi)兩個電阻產(chǎn)生的熱量之比Q1∶Q2為()A．1∶1 B．2∶1C．4∶1 D．8∶1D[已知兩個電阻的阻值之比是2∶1，通過的電流之比是2∶1，則相等時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比eq\f(Q1,Q2)＝eq\f(I\o\al(2,1)R1t,I\o\al(2,2)R2t)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,1)))eq\s\up12(2)×eq\f(2,1)＝eq\f(8,1)，故D正確。]電功和電功率電熱和熱功率如圖所示，已知電路兩端的電勢差為U，電路中的電流為I，在t時間內(nèi)通過導(dǎo)體某截面的電荷量是多少？把這些電荷從左端移到右端，電場力做功是多少？提示：由電流的定義式可得通過某截面的電荷量為q＝It，依據(jù)靜電力做功的公式W＝qU可得W＝IUt。1．對電功的理解(1)從力的角度看，電流做功的實質(zhì)是電場力對自由電荷做功。(2)從能的角度看，電流做功過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程，電功的大小量度了電能的削減量，標記著電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少。(3)電功W＝UIt＝qU對任何電路都適用。2．對電功率的理解(1)電功率P＝eq\f(W,t)＝UI對任何電路都適用。(2)額定功率和實際功率①額定功率：用電器正常工作所消耗的功率。②實際功率：用電器在實際電壓下電流做功的功率。3．電熱和熱功率(1)電熱的計算公式為Q＝I2Rt。(2)熱功率的計算公式為P熱＝I2R?！纠?】(多選)有一內(nèi)阻為4.4Ω的直流電動機和一盞標有“110V60W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220V的直流電源兩端，燈泡正常發(fā)光，則()A．直流電動機消耗的電功率為120WB．直流電動機的發(fā)熱功率為60WC．直流電動機消耗的電功率為60WD．電路消耗的總功率為120W思路點撥：(1)流過電動機和燈泡的電流相等。(2)依據(jù)公式P＝UI和P＝I2r計算電功率和熱功率。CD[“燈泡正常發(fā)光”說明燈泡的實際電壓為110V，電流I＝eq\f(60,110)A＝eq\f(6,11)A，電動機兩端的電壓為110V，電動機消耗的電功率為110V×eq\f(6,11)A＝60W，選項A錯誤，C正確；直流電動機的發(fā)熱功率為eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(6,11)))eq\s\up12(2)×4.4W＝1.3W，選項B錯誤；電路消耗的總功率為eq\f(6,11)×220W＝120W，選項D正確。]四個電學(xué)公式的適用范圍(1)電功W＝UIt＝qU普遍適用。(2)I＝eq\f(q,t)為電流的定義式，普遍適用。(3)I＝eq\f(U,R)只適用于純電阻電路。(4)電熱Q＝I2Rt普遍適用。eq\o([跟進訓(xùn)練])1．一臺電動機額定電壓是220V，電阻是1Ω。正常工作時通過的電流為5A，則電動機因發(fā)熱損失的功率為()A．48400W B．1100WC．220W D．25WD[電動機因發(fā)熱損失的功率P＝I2R＝52×1W＝25W，故D正確。]2.在現(xiàn)代生活中，充電寶是手機一族出行的必備品。當(dāng)充電寶電量不足時，須要給充電寶充電，此時充電寶相當(dāng)于可充電的電池，充電過程可簡化為如圖所示電路。先給一充電寶充電，充電電壓為5V，充電電流為1000mA，充電寶的內(nèi)阻為0.2Ω。試求：(1)充電寶的輸入功率；(2)充電寶內(nèi)阻消耗的熱功率；(3)一分鐘內(nèi)充電寶儲存的電能。[解析](1)充電寶的輸入功率為P入＝UI＝5×1000×10－3W＝5W。(2)充電寶內(nèi)阻消耗的熱功率為P熱＝I2r＝12×0.2W＝0.2W。(3)一分鐘內(nèi)充電寶儲存的電能為Q＝P入t－P熱t(yī)＝5×60J－0.2×60J＝288J。[答案](1)5W(2)0.2W(3)288J純電阻電路和非純電阻電路電風(fēng)扇接上電源后，電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動起來，電風(fēng)扇消耗的電功率與機械功率和熱功率關(guān)系怎樣？是純電阻電路還是非純電阻電路？提示：電功率等于機械功率和熱功率之和，是非純電阻電路。1．純電阻電路與非純電阻電路(1)純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。(2)非純電阻電路：含有電動機或電解槽的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中，電流做的功將電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還有大部分轉(zhuǎn)化為機械能或化學(xué)能。2．純電阻電路和非純電阻電路的比較項目純電阻電路非純電阻電路能量轉(zhuǎn)化狀況電功和電熱的關(guān)系W＝Q即IUt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)tW＝Q＋E其他UIt＝I2Rt＋E其他電功率和熱功率的關(guān)系P＝P熱即IU＝I2R＝eq\f(U2,R)P＝P熱＋P其他即IU＝I2R＋P其他歐姆定律是否成立U＝IR，I＝eq\f(U,R)成立U＞IR，I＜eq\f(U,R)不成立【例2】小明打算參與玩具賽車競賽，他想通過試驗選擇一只能量轉(zhuǎn)換效率較高的電動機，試驗時他先用手捏住電動機的轉(zhuǎn)軸，使其不轉(zhuǎn)動，然后放手，讓電動機正常轉(zhuǎn)動，分別將2次試驗的有關(guān)數(shù)據(jù)記錄在表格中。電動機的電壓/V電動機工作狀態(tài)通過電動機的電流/A0.2不轉(zhuǎn)動0.42.0正常轉(zhuǎn)動1.0請問：(1)這只電動機線圈的電阻為多少？(2)當(dāng)電動機正常工作時，轉(zhuǎn)化為機械能的功率是多少？(3)當(dāng)電動機正常工作1分鐘時，電動機消耗的電能是多少？(4)該玩具電動機正常工作時，電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率是多少？思路點撥：[解析](1)電動機不轉(zhuǎn)動時，是純電阻電路，依據(jù)歐姆定律得R＝eq\f(UR,IR)＝eq\f(0.2,0.4)Ω＝0.5Ω。(2)當(dāng)電動機正常工作時P機＝UI－I2R＝(2×1－12×0.5)W＝1.5W。(3)當(dāng)電動機正常工作1分鐘時，電動機消耗的電能E＝UIt＝2×1×60J＝120J。(4)電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率η＝eq\f(P機,P總)×100%＝eq\f(1.5,2)×100%＝75%。[答案](1)0.5Ω(2)1.5W(3)120J(4)75%電動機電路的分析與計算eq\o([跟進訓(xùn)練])3．標有“220V40W”的日光燈、電扇、電烙鐵都正常工作5min，它們產(chǎn)生的熱量()A．一樣多 B．日光燈最多C．電扇最多 D．電烙鐵最多D[日光燈、電扇、電烙鐵三者的電功相同，但電扇和日光燈都是非純電阻電器，電功大于電熱，而電烙鐵是純電阻電器，電功等于電熱，D正確。]4．一臺小型電動機在3V電壓下工作，用此電動機提升重力為4N的物體時，通過電動機的電流是0.2A，在30s內(nèi)可將該物體勻速提升3m。若不計除電動機線圈生熱之外的能量損失，求：(1)電動機的輸入功率；(2)在起先提升物體后的30s內(nèi)，電動機線圈所產(chǎn)生的熱量；(3)線圈的電阻。[解析](1)電動機的輸入功率P入＝IU＝0.2×3W＝0.6W。(2)電動機提升物體的機械功率P機＝Fv＝G·eq\f(h,t)＝4×eq\f(3,30)W＝0.4W由能量守恒定律得P入＝P機＋P熱故P熱＝P入－P機＝(0.6－0.4)W＝0.2W所以電動機線圈產(chǎn)生的熱量Q＝P熱t(yī)＝0.2×30J＝6J。(3)依據(jù)焦耳定律Q＝I2Rt可得線圈電阻R＝eq\f(Q,I2t)＝eq\f(6,0.22×30)Ω＝5Ω。[答案](1)0.6W(2)6J(3)5Ω1．物理觀念：電功、電功率、熱功率、焦耳定律Q＝I2Rt。2．科學(xué)思維：純電阻電路和非純電阻電路中的電功率、熱功率及Q＝I2Rt的理解與計算。3．科學(xué)方法：試驗法、比較法、計算法等。1．電功率的表達式有三個，P＝UI、P＝I2R、P＝eq\f(U2,R)，下列對這三個表達式的相識正確的是()A．P＝UI適合于純電阻電路電功率的計算，對于非純電阻電路不適用B．P＝I2R適合于一切電路的熱功率的計算C．P＝eq\f(U2,R)適合于一切電路電功率和熱功率的計算D．三個公式各自的適用條件與電路的連接方式有關(guān)B[電路可分為純電阻電路和非純電阻電路，P＝UI對兩種電路都適用，A錯誤；P＝I2R適用于任何電路的熱功率的計算，B正確；P＝eq\f(U2,R)只適用于純電阻電路的電功率和熱功率的計算，C錯誤；P＝UI、P＝I2R、P＝eq\f(U2,R)的適用條件與電路的連接方式無關(guān)，D錯誤。]2．(多選)甲、乙兩只一般照明燈泡的銘牌如圖所示，下列說法正確的是()A．甲燈的實際功率肯定總是40WB．將乙燈接入110V電路中，它的額定功率仍為60WC．兩燈均正常發(fā)光時，甲燈燈絲電阻較大D．兩燈均正常發(fā)光時，甲燈消耗的電能較少BCD[燈泡的銘牌上標記的是額定電壓和額定功率，當(dāng)工作電壓不是220V時，燈泡的實際功率不再是額定功率，但額定功率不會隨電壓的改變而改變，A錯誤，B、D正確；由R＝eq\f(U2,P)可知C正確。]3．小芳家正在運用的電器有電燈、洗衣機、電冰箱，小芳從家里的總電能表中測得，在時間t內(nèi)消耗的電能為W。設(shè)小芳家的供電電壓為U，總電流為I，上述電器的總電阻為R，總功率為P。下列關(guān)系式正確的是()A．P＝eq\f(U2,R) B．W＝I2RtC．I＝eq\f(U,R) D．P＝eq\f(W,t)D[由于洗衣機是非純電阻電器，歐姆定律不成立，所以關(guān)系式P＝eq\f(U2,R)、I＝eq\f(U,R)不成立，故A、C項錯誤；公式W＝I2Rt只能用來求電熱，不能用來求消耗的電能，故B錯誤；公式P＝eq\f(W,t)普遍適用，故D正確。]4．如圖所示為一未知電路，現(xiàn)測得兩個端點a、b之間的電阻為R，若在a、b之間加上電壓U，測得通過電路的電流為I，則該未知電路的電功率肯定為()A．UIB.eq\f(U2,R)C．I2RD．UI－I2RA[該未知電路兩端的電壓是U，通過的電流是I，該未知電路的電