高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第3节 电功与电热学案

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第3节 电功与电热学案，共6页。

1．从能量转化的角度理解电功和电功率；理解电功和能量转化的关系；
2.知道焦耳定律的物理意义，能运用焦耳定律解决简单的问题；
3.理解电功和电热的区别，知道纯电阻电路和非纯电阻电路。
学习重点：1.电功和电功率的理解和计算 2.焦耳定律的推导和运用。
教学难点：电功率和热功率的区别和联系。
[知识梳理]
一、电功和电功率
1.电功：电功就是指是电流做功，根据电场力做功和电流的定义可以得出W=UIt，即电流做功的多少跟电路两端的电压、通过的电流和时间成正比。
单位：焦耳（焦） 1J=1V﹒A﹒s
千瓦时（KWh） 1 KWh=1×103W×3600s=3.6×106J
2.电功率：单位时间内电流所做的功。
P=W/t=UI
即电流在一段电路上做功的功率P等于电流与这段电路两端的电压的乘积。
单位：瓦特（瓦） 1W=1V﹒A
二、焦耳定律
电流做功，消耗的是电能，电能转化为什么形式的能与电路中的电学元件有关。在纯电阻元件中电能完全转化成内能，于是导体发热。设在一段电路中只有纯电阻元件，其电阻为R，通过的电流为I，通电时间为t，则根据电功的定义式有Q=W=UIt=I2Rt。
1．内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比．
2．公式：Q＝I2Rt.
3．单位：焦耳，简称焦，符号J.
4. 电热功率
电流通过电阻在单位时间内的发热量通常称为电热功率（简称热功率），P=Q/t=I2R
三、身边的电热
1．电热水器、电饭锅等家用电器是利用了电流的热效应，其电阻丝都是由电阻率较大的材料制成的．
2．电焊是在焊接的金属接触面上通过电流，利用接触电阻产生的热量得到适合焊接的高温，从而对接触面进行焊接的一种方法．
3．插头和插座之间、电线连接处如果接触不良，都会产生大电阻，容易发热，甚至迸出火花．
4．电视机和显示器的后盖有很多孔，计算机的CPU要安装散热片及风扇，都是为了散热．
[判断正误]
(1)电流做功的过程中，电能转化为其它形式的能．( )
(2)电流通过用电器时，单位时间内电流做的功越多，说明用电器的电功率越小．( )
(3)根据电功的公式和欧姆定律可以推导出电热的公式，因此电功和电热是完全相同的．( )
(4)Q＝I2Rt只能计算纯电阻电路中的电热量．( )
(5)任何电路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt.( )
[合作探究]
1.对电功和电功率的理解
(1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功．
(2)从能的角度看，电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少．
(3)电功W＝UIt＝qU，电功率P＝eq \f(W,t)＝UI对任何电路都适用．
(4)额定功率：用电器正常工作所消耗的功率；实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率．P额≥P实
2．电热和电热功率
(1)电热的计算公式为Q＝I2Rt.
(2)电热功率的计算公式为P热=Q/t＝I2R.
3.纯电阻电路和非纯电阻电路
(1)电能全部转化成电热为纯电阻电路，电能转化成电热和其他形式能为非纯电阻电路．
(2)在任何电路中都能用Q＝I2Rt计算电热，在非纯电阻电路中电功W＝UIt大于Q.；对于含有电动机的电路，电动机转动时是非纯电阻电路，电动机不转时是纯电阻电路．
例1．(多选)对电功及焦耳定律公式的理解正确的是( )
A．焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解
B．电功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都适合于任何电路，因此W不一定等于Q
C．非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热
D．电功的另一表达式W＝eq \f(U2,R)t适用于任何电路
例2. 有一个直流电动机，把它接入0.2 V电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是0.4 A；若把它接入2 V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1 A.
(1)求电动机正常工作时的输出功率；
(2)如在正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率为多大？

1．关于电功的说法中错误的是( )
A．导体内电场力移送电荷所做的功叫做电功
B．电流做功的过程，就是电能转化为其他形式的能的过程
C．电流做功消耗的能量，由电源供给
D．电功就是电能
2．通过电阻R的电流为I时，在时间t内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流为I/2时，则在时间t内产生的热量为( )
A．4Q B．2Q C．Q/2 D．Q/4
3．一台电动机的输出功率是10 kW，这表明该电动机工作时( )
A．每秒消耗10 kW电能 B．每秒对外做10 kW功
C．每秒消耗10 kJ电能 D．每秒对外做10 kJ功
4.如图所示，有一内电阻为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的直流电路两端，灯泡正常发光，则( )
A．电解槽消耗的电功率为120 WB．电解槽的发热功率为60 W
C．电解槽消耗的电功率为60 W D．电路消耗的总功率为60 W
5．如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图，电动机内阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R＝10 Ω，直流电压U＝160 V，电压表示数UV＝110 V.
(1)求通过电动机的电流；
(2)求输入电动机的电功率；
(3)若电动机以v＝1 m/s的速度竖直向上匀速提升重物，求该重物的质量．(g取10 m/s2)
参考答案
[判断正误]
(1) (√) (2)．(√) (3) (×) (4) (×) (5) (×)
例1 解析：任何电路的热功以及焦耳热的求解都可用焦耳定律求解，A正确；B选项中的两个公式均适合于任何电路，但W不一定等于Q，B正确；在非纯电阻电路中的电功一定大于焦耳热，C错误；W＝eq \f(U2,R)t只适用于纯电阻电路，D错误．
答案：AB
例2. [解析]：
思路点拨：
(1)电动机不转时，说明电动机无机械能输出，它消耗的电能完全转化为热能，此时电动机可看成纯电阻，则r＝eq \f(U,I)＝0.5 Ω.
当加电压为2 V、电流为1 A时，电动机正常工作，有机械能输出，此时电动机为非纯电阻电路，消耗的电能等于转化的机械能和热能之和．
转化的热功率为P热＝I2r＝0.5 W
总功率P总＝UI＝2 W，
则输出功率P出＝P总－P热＝1.5 W.
(2)若在电动机正常工作时被卡住，电动机无机械能输出，看作纯电阻电路，此时的电热功率为：
P热′＝eq \f(U2,r)＝eq \f(22,0.5) W＝8 W.
[答案] (1)1.5 W (2)8 W
1． 解析：选D.根据电功的定义及特点，可以判断A、B、C均正确，电功是电能转化为其他形式的能的量度，功和能是不同的概念，D错，故选D.
2．解析：选C.由电热公式Q＝I2Rt可得：
Q′＝(eq \f(I,2))22Rt＝eq \f(1,2)I2Rt＝eq \f(1,2)Q.
3． 解析：选D.输出功率是指电动机单位时间内对外能做的功，D项正确．
4.解析：选C.灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且干路电流I＝I灯＝eq \f(P,U)＝eq \f(6,11) A，则电解槽消耗的功率P＝P灯＝IU＝60 W，C正确，A错误；电解槽的发热功率P热＝I2R内＝1.3 W，B错误；整个电路消耗的总功率P总＝220 V×eq \f(60 W,110 V)＝120 W，D错误．
5． [解析] (1)UR＝U－UV＝160 V－110 V＝50 V
IR＝eq \f(UR,R)＝eq \f(50,10) A＝5 A
由R与电动机串联可得通过电动机的电流IM＝IR＝5 A.
(2)电动机的输入功率为P＝UVIM＝550 W.
(3)电动机的输出功率为P′＝P－Ieq \\al(2,M)r＝530 W
由P′＝Fv＝mgv得m＝eq \f(P′,gv)＝53 kg.
[答案] (1)5 A (2)550 W (3)53 kg