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第十二章 電能 能量守恒定律
第一節(jié) 電路中的能量轉(zhuǎn)化
電功和電功率
01
焦耳定律
02
電路中的能量轉(zhuǎn)化
03
總結(jié)提升
04
現(xiàn)代生活中隨處都可以見(jiàn)到用電設(shè)備和用電器，例如電燈、電視、電熱水壺、電動(dòng)汽車(chē)等。
那么，你知道這些用電器中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的嗎？
新課導(dǎo)入
電功和電功率
PART 01
思考：以下電器在工作時(shí)，是將什么能轉(zhuǎn)化為什么能？
電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能
電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
如何判斷有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量？
功是能量轉(zhuǎn)化的量度
初中時(shí)，我們知道
電動(dòng)機(jī)通電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；
電熱水壺通電時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；
手機(jī)電池充電把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能；
溫故知新
電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能，是通過(guò)
電流做功來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
W=qU
q=It
電流做功的實(shí)質(zhì)：恒定電場(chǎng)對(duì)自由電荷的靜電力作正功，電勢(shì)能減小，其它形式的能增加。
（1）定義：電路中電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，簡(jiǎn)稱電功，通常也說(shuō)成是電流的功。
（2）表達(dá)式：W = qU= UIt
W=UIt
適用一切電路
電功
（3）意義：量度電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能的多少。
（5）標(biāo)量,單位： J 1kW·h=3.6×106J
（6）測(cè)量方法：電能表、伏安法等。
電功
（4）決定因素：電功與通過(guò)用電器的電量（通過(guò)用電器的電流和通電時(shí)間）和用電器兩端的電壓成正比。
不同用電器做功的快慢不同，如何描述電流做功的快慢？
（1）定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功
（2）表達(dá)式：
（3）標(biāo)量,單位換算： W (1kW=103W)
（4）測(cè)量方法：電壓表和電流表
比值定義法
適用一切電路
電功率
額定功率:用電器在額定電壓下的功率（銘牌上標(biāo)出的功率）
實(shí)際電壓:用電器實(shí)際工作時(shí)的電壓
實(shí)際功率:用電器在實(shí)際電壓下的功率
額定電壓:用電器正常工作時(shí)電壓（銘牌上標(biāo)出的電壓）
常用電路
29寸彩電
電熨斗
電冰箱
微波爐
臺(tái)燈
額定電壓（V）
220
220
220
220
220
額定功率（W）
～150
300～800
100～150
800～1200
40～60
額定功率和實(shí)際功率
電流做功有沒(méi)有規(guī)律呢
？
焦耳定律
PART 02
電能→內(nèi)能
電能→機(jī)械能
電能→化學(xué)能
思考：電流做功，究竟電能會(huì)轉(zhuǎn)化為哪種形式的能量？
當(dāng)電流只通過(guò)純電阻電路時(shí)，電流做功就會(huì)全部把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能
光能
內(nèi)能
內(nèi)能
我們把導(dǎo)體通電時(shí)產(chǎn)生熱量的現(xiàn)象，稱為電流的熱效應(yīng)。
電流通過(guò)某導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量, 跟
電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體
的電阻及通電時(shí)間成正比。
電流通過(guò)電熱水器，電爐等電熱元件做功時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。
這個(gè)關(guān)系式最初是由焦耳通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接得到的，物理學(xué)中就把它叫作焦耳定律（Jouleˊs law）。
焦耳
焦耳定律
說(shuō)明：焦耳定律適用于純電阻電路，也適用于非純電阻電路。
實(shí)驗(yàn)探究
熱功率：
(1)單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量叫做熱功率;
(2)熱功率等于通電導(dǎo)體中電流I的二次方與導(dǎo)體電阻R的乘積。
P熱=I2 R
P=UI
（一切電流做功的功率）
總功率
（專指電流發(fā)熱的功率）
熱功率
熱功率
思考：如果電路中還含有除電阻之外的其他負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)，電路中的能量又改如何轉(zhuǎn)化呢？
電路中的能量轉(zhuǎn)化
PART 03
思考：如圖，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接上電源后，會(huì)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，這里涉及哪些功率？功率間的關(guān)系又如何？這種電路又有何特點(diǎn)？
如果電路中有電動(dòng)機(jī)或者正在充電的電池，那么電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能之外，還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和化學(xué)能。
問(wèn)題與思考
只含有電阻的電路，把電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，如電爐、電烙鐵等電熱器件組成的電路，白熾燈及轉(zhuǎn)子被卡住的電動(dòng)機(jī)也是純電阻器件;
電路中含有電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)或有電解槽在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電路，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和其它形式的能。
純電阻電路：
非純電阻電路：
認(rèn)識(shí)兩種電路
純電阻電路:
電能 → 內(nèi)能
Q
I2Rt
W
IUt
=
I=U/R
非純電阻電路:
電能 → 內(nèi)能和其它形式的能
W
W其+Q
IUt
I2Rt
I＜U/R
說(shuō)明歐姆定律不適用于非純電阻電路！
＞
指某段電路在某段時(shí)間內(nèi)消耗的全部電能!
指轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的那部分電能!
R
M
兩種電路對(duì)比分析
純電阻電路:
非純電阻電路:
I=U/R
電功 = 電熱:
W=
IUt =
=I2Rt
U2t/R
電功率=熱功率：P = I U = U2/R = I2R =P熱
I＜U/R
電功：W= IUt
電熱：Q=I2Rt
電功率：P = IU
熱功率：P熱=I2R
R
M
=Q
兩種電路對(duì)比分析
關(guān)于電動(dòng)機(jī)的問(wèn)題具體該如何處理呢
？
電動(dòng)機(jī)是一種非純電阻用電器，它把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能。在電路計(jì)算中，歐姆定律不再適用。
電動(dòng)機(jī)問(wèn)題
1．輸入功率：電動(dòng)機(jī)的總功率；P總＝UI
2．輸出功率：電動(dòng)機(jī)做有用功的功率；
3．熱功率：電動(dòng)機(jī)線圈上有電阻，電流通過(guò)線圈時(shí)要發(fā)熱；P熱＝I2r
4．功率關(guān)系：P總＝P出＋P熱
5．電動(dòng)機(jī)的效率：
電動(dòng)機(jī)問(wèn)題
純電阻和非純電阻電路的對(duì)比
兩種電路比較內(nèi)容 純電阻電路 非純電阻電路
元件特點(diǎn) 電路中只有電阻元件 除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的用電器
歐姆定律 服從歐姆定律I＝U/R 不服從歐姆定律：U>IR或I能量轉(zhuǎn)化 電流做功全部轉(zhuǎn)化為電熱即電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能 電流做功除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外還要轉(zhuǎn)化為其他形式的能
元件舉例 電阻、電爐絲、白熾燈等 電動(dòng)機(jī)、電解槽等
電功與電熱的計(jì)算公式比較:
拓展學(xué)習(xí)1
規(guī)律總結(jié)：無(wú)論是純電阻電路還是非純電阻電路，計(jì)算電功時(shí)都可以用W＝UIt，功率都可以用P＝UI，熱量都可以用Q＝I2Rt，熱功率都可以用P＝I2R，若用變形式時(shí)，就要考慮是否是純電阻電路。
拓展學(xué)習(xí)2
鞏固提升
PART 04
電路中的
能量轉(zhuǎn)化
電功率
P=UI
做功的快慢
電功
W=UIt
（適用于一切電路）
焦耳定律
電熱：Q=I2Rt
熱功率：P熱=I2R
能量
轉(zhuǎn)化
P電=P機(jī)+P熱
課堂小結(jié)
【練習(xí)1】（2024·江蘇·連云港高中高二階段練習(xí)）DC14.8V/2200mAh的鋰電池供電，額定功率為35W，當(dāng)鋰電池剩余電量為總?cè)萘康?0%時(shí)，掃地機(jī)器人就自動(dòng)回座機(jī)充電。結(jié)合上述信息，下列說(shuō)法正確的是（　　）
A．DC14.8V/2200mAh表示該電池輸出的是交流電
B．該機(jī)器人電機(jī)的額定電流為0.42A
C．正常工作時(shí)機(jī)器人電動(dòng)機(jī)每秒鐘輸出35J動(dòng)能
D．電池充滿電后機(jī)器人正常工作約45mim后回座機(jī)充電
【參考答案】D
DC
直流
AC
交流
【練習(xí)2】（2024·山東省臨沂第一中學(xué)開(kāi)學(xué)考試）如圖所示是“探究電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生熱的多少跟什么因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)透明容器中密封著等量的空氣，通電一段時(shí)間后，左側(cè)U形管中液面高度差比右側(cè)的大。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（　 　）
A．U形管中液面高度的變化反映了電阻產(chǎn)生熱量的多少
B．通過(guò)左、右兩邊容器中電阻絲的電流相同
C．右邊容器中的電阻R2比左邊容器中的電阻R1小
D．通電時(shí)間相同，兩個(gè)容器中空氣吸收的熱量相同
【參考答案】D
課堂練習(xí)
【練習(xí)3】（2024·河北滄州·高二期中）如圖甲所示，用內(nèi)阻不計(jì)的充電寶為一手機(jī)充電，其等效電路如圖乙所示，充電寶向手機(jī)電池充電6min后容量減小了50mAh，此過(guò)程可認(rèn)為輸出電流、輸出電壓U=5V是恒定不變的，手機(jī)電池的內(nèi)阻不能忽略。則下列說(shuō)法中正確的是（　　）
A．充電寶輸送給手機(jī)電池的電能為900J
B．充電寶輸出的電流為0.05A
C．手機(jī)電池的內(nèi)阻為10Ω
D．手機(jī)電池增加的化學(xué)能為900J
【參考答案】A
課堂練習(xí)
【練習(xí)4】某電吹風(fēng)簡(jiǎn)化電路如圖所示，其主要部件為電動(dòng)機(jī)M和電熱絲，部分技術(shù)參數(shù)如下表，電吹風(fēng)在220 V電壓下工作。下列說(shuō)法正確的是（　　）
A．開(kāi)關(guān)S1、S2都閉合時(shí)電吹風(fēng)吹冷風(fēng)
B．吹熱風(fēng)時(shí)通過(guò)電熱絲的電流為4 A
C．吹熱風(fēng)時(shí)電熱絲的功率為990 W
D．該電吹風(fēng)中電動(dòng)機(jī)的內(nèi)電阻為440Ω
【參考答案】B
課堂練習(xí)
額定電壓 220V
額定功率 熱風(fēng)時(shí)：990W
冷風(fēng)時(shí)：110W
【練習(xí)5】（2024·河南·鄧州春雨國(guó)文學(xué)校高二階段練習(xí)）如圖所示，把4個(gè)完全相同的燈接成如圖所示的（a）、（b）兩個(gè)電路，兩電路電源輸出電壓相同且一定，調(diào)節(jié)變阻器R1、R2使燈均正常發(fā)光，設(shè)兩個(gè)電路消耗的功率分別為Pa、Pb，則（　　）
A．4Pa=Pb
B．Pa=4Pb
C．Pa<4Pb
D．Pa>4Pb
【參考答案】B
課堂練習(xí)
【練習(xí)6】某同學(xué)在做“調(diào)節(jié)燈泡亮度”的電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，電路如圖所示，電源電壓恒為6V，電流表的量程為“0﹣0.6A”電壓表量程“0﹣3V”，滑動(dòng)變阻器的規(guī)格為“20Ω 2A”，燈泡L標(biāo)有“3V 0.9W”字樣（忽略燈絲電阻變化），在實(shí)驗(yàn)中為了保證所有元件的安全，下列判斷正確的是（　　）
A．該電路中，變阻器R接入電路的阻值變化范圍為0﹣20Ω
B．該電路消耗的總功率的變化范圍為1.2W﹣3.6W
C．該電路中，電流表示數(shù)的變化范圍為0.3A﹣0.6A
D．該電路中，電燈消耗功率的變化范圍為0.4W﹣0.9W
【參考答案】D
課堂練習(xí)
RA
U
RC
RB
RD
【練習(xí)7】四個(gè)定值電阻連成如圖所示的電路。 RA、Rc的規(guī)格為"10V 4W”，RB、RD的規(guī)格為"10V 2W”。請(qǐng)按消耗功率大小的順序排列這四個(gè)定值電阻，并說(shuō)明理由。
A、D串聯(lián)，根據(jù)P=I2R，所以PAB、C并聯(lián)，根據(jù)
，所以PB又因?yàn)镮A>IC，根據(jù)P=I2R，所以PA>PC；
【答案】PD>PA>PC>PB
課堂練習(xí)
【練習(xí)8】某一用直流電動(dòng)機(jī)提升重物的裝置如上圖所示，重物質(zhì)量m=50kg，電源提供恒定電壓U=110V，不計(jì)各處摩擦，當(dāng)電動(dòng)機(jī)以v=0.90m/s的恒定速度向上提升重物時(shí)，電路中電流強(qiáng)度I=5A，求電動(dòng)機(jī)線圈電阻R（g=10m/s2）。
【解析】由 P電= P熱+ P機(jī)
機(jī)械功率：
P機(jī)=mgv=50×10×0.9=450W
電功率：
P電=UI=110×5=550W
由P熱=I2R=100W
故，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為4Ω。
得R=4Ω
P熱=P電-P機(jī)
=550-450=100W
【練習(xí)9】如圖所示，有一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī)，內(nèi)阻r＝0.6Ω，R＝10Ω，U＝160V，電壓表的讀數(shù)為110V，求：
（1）通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流；
（2）輸入到電動(dòng)機(jī)的功率P入；
（3）電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率P熱，電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率。
【解析】（1）電動(dòng)機(jī)和電阻串聯(lián)，所以電流相等，
電阻R兩端電壓為：U1＝160V﹣110V＝50V，得電流為：I=5A；
（2）電動(dòng)機(jī)的電功率為：P＝UI＝110×5W＝550W
（3）電動(dòng)機(jī)的熱功率為：P熱＝I2R＝52×0.6W＝15W
輸出的機(jī)械功率為：P出＝550W﹣15W＝535W