高中物理第3章恒定电流第3节焦耳定律课堂互动教案鲁科版选修31

高中物理第3章恒定电流第3节焦耳定律课堂互动教
案鲁科版选修31
课堂互动
三点剖析
一、电功和电热的区别与联系
1.功是能量转化的量度，同样，电功是电能转化为其他形式的能的量度.电热是电能转化为内能的量度.可见电功与电热是两个不同的物理量.因此电功的定义式是W ＝IUt ，电热的定
义式是Q ＝I 2
Rt .
2.从能量转化的角度分析，电功与电热的数量关系为：W ≥Q ，即IUt ≥I 2
Rt .
在纯电阻电路中，如白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅、电烙铁等构成的电路，电流做功全部
转化为内能，电功等于电热，欧姆定律成立，即W ＝Q 或IUt ＝I 2
Rt ，在运算电热和电功时，
可采纳W=Q =IUt =R
U 2
t =Pt 中任一形式进行运算.
在非纯电阻电路中，如含有电动机、电解槽、给蓄电池充电等，电流做功将除转化为内
能外，还转化为机械能、化学能等，现在有W ＞Q ，或IU t ＞I 2
R t ，此种情形下，欧姆定律不
成立，电功只能用公式W ＝IU t 进行运算，电热只能用公式Q ＝I 2
R t 运算.
【例1】 一台电动机电阻为 Ω，正常工作时通过的电流为20 A ，在10 s 内转化的机械
能为×104
J.求：在这10 s 内电流做了功？电动机产生的热量为多少？
解析：电动机正常工作时是非纯电阻用电器，电功和电热的公式不能通用.由于不明白加在电动机两端的电压，因此我们不能依照W ＝IU t 求电功.但我们能够先运算电热，然后再依照能量守恒求电功.
电热Q ＝I 2Rt ＝×103 J ，现依照W ＝Q ＋E 机，故W ＝×103 J ＋×104 J ＝×104
J.
答案：×104 J ×103
J 温馨提示
在非纯电阻电路中，电功W ＝IU t 中的电压U ≠IR ，缘故是加在电动机两端的电压有两个奉献：①使导体的电阻发热，②使电动机转动起来.U ＝IR 只对纯电阻电路成立. 二、电功率和热功率的区别与联系
1.区别：电功率是指输入某段电路的全部电功率，或这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压U 和通过的电流I 的乘积. 热功率是指在这段电路上因发热而损耗的功率，其大小决定于通过这段导体中电流的平方和导体电阻的乘积.
2.联系：关于纯电阻电路，电功率等于热功率，运算时可用P ＝IU ＝I 2
R ＝R
U 2
中任一形式进
行运算.对非纯电阻电路，电路消耗的电功率等于热功率与机械功率等其他形式的功率之和，即电功率大于热功率.
【例2】 有一个直流电动机，把它接入 V 电压的电路中，电机不转，测得流过电动机的电流为0.4 A ，若把电动机接入 V 电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1.0 A ，求电动机正常工作时的输出功率是多大?假如在电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大?
解析：当电动机接入电压为 V 电路时，电动机不转，现在电动机仅相当于纯电阻，设其电
阻为R ，由欧姆定律得：
R =
4
.02
.011=I U Ω= Ω 当电机接入 V 电路中时，电动机正常工作，现在电动机消耗功率P ＝U 2I 2＝× W＝ W 电动机的电热功率 P 热＝I 22R ＝ W
电动机的输出功率
P 出＝P -P 热＝ W ＝ W
假如正常工作时转子突然被卡住，则电动机相当于纯电阻R ，其上电压即U 2，因此电动机的
发热功率P 热′=I ′2
R =5
.02.222
2=R U W ＝8 W.现在电机将要被烧毁. 答案： W 8 W
温馨提示
对那个题我们要注意两点：①是当电动机不转时就相当于一个纯电阻，欧姆定律成立.而它正常工作时就不再是纯电阻了，欧姆定律也不再成立.②是电动机的输出功率等于它消耗的电功率减去它的发热功率. 三、额定功率和实际功率
【例3】 额定电压差不多上110 V ，额定功率P A ＝100 W ，P B ＝40 W 的A 、B 两灯，接在220 V 的电路中，使电灯均正常发光，能使电路消耗的电功率最小的电路是图3-3-1中的（ ）
图3-3-1
解析：两灯正常发光，两灯的实际电压等于其额定电压，由P =R
U 2可知R A ＜R B ，依照串联分
压关系，A 图中有U A ＜110 V 、U B ＞110 V ，两灯不能正常工作，因此A 错.图中A 和变阻器并联后的电阻比A 电阻还要小，即仍有U A ＜110 V 、U B ＞110 V ，因此B 错.C 和D 图中两灯电压均有可能为110 V ，现在再看电路消耗的功率，C 图中灯A 消耗功率100 W ，灯B 和变阻器并联后的阻值与灯A 相等，因此电路消耗的总功率为200 W ，D 图中A 、B 两灯并联后的阻值与变阻器相等.因此变阻器消耗的功率为140 W ，电路消耗的总功率为280 W. 答案：C 温馨提示
此类问题的思路分两步：①先分清哪个电路的A 、B 灯能正常发光，那个地点能够从电压、电流、电功率三个量中任一个达到其额定值，其余两个也达到额定值方面分析.②确定
了正常发光的电路后，再比较哪一个的实际功率小.能够用运算的方法去比较，也能够用定性分析法比较.
各个击破 类题演练1
一根电阻丝，通过2 C 电荷量所消耗的电能是8 J ，若在相同的时刻内通过4 C 的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是（ ） V ，16 J V ，16 J V ，32 J V ，32 J
解析：设电阻丝电阻为R ，开始所加电压U 1，则W 1＝q 1U ，即8＝2U 1，因此U 1＝4 V. 设后来所加电压为U 2，产生的热量为W 2，则：
I 2=
R U t q 2
2= ①
I 1=R
U t q 1
1= ②
由①②得U 2=
1
2
q q U 1=8 V W 2＝q 2U 2＝32 J.
答案：D 变式提升1
有一个电解槽，额定电压为220 V ，额定电流为2.0 A ，电阻为 Ω，当电解槽正常工作时，发热消耗的功率P 热为_______，在1 min 内有_______J 的电能转化为化学能.
解析：电解槽是个非纯电阻用电器，它消耗的电能一部分转化为化学能，另一部分转化为内
能.由P 热＝I 2
R 可知，它的发热功率P 热＝20 W.它转化成的化学能就等于它消耗的电能减去
它转化成的内能.即E 化＝UIt -I 2Rt ，代入数据可解得：E 化＝×104
J.
答案：20 W ×104
类题演练2
一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时刻内（ ） A.电炉放热与电动机放热相等
B.电炉两端电压小于电动机两端电压
C.电炉两端电压等于电动机两端电压
D.电动机消耗的功率大于电炉的功率
解析：电炉属于纯电阻，电动机属于非纯电阻.关于电炉有：U ＝IR ，放热Q ＝I 2
Rt .消耗功率P ＝I 2R ，关于电动机有U ＞IR ，放热Q ＝I 2Rt ，消耗功率P ＝UI ＞I 2R . 答案：ABD 变式提升2
如图3-3-2所示的电路中，电源电压为60 V ，内阻不计，电阻R ＝2Ω，电动机的内阻R 0＝ Ω，电压表的示数为50 V ，电动机正常工作，求电动机的输出功率.
图3-3-2
解析：电压表的示数为电动机两端的电压，电源电压已知，可得U R ＝U 源-U 电＝（60-50） V ＝10 V 由欧姆定律：I =
R
U R
=5 A ，对电动机，由能量关系有P 电＝P 热-P 出 因此P 出＝P 电-P 热＝UI -I 2
R .代入数据得：P 出＝210 W. 答案：210 W 类题演练3
额定电压为220 V ，额定功率为40 W 的灯泡，它的灯丝电阻为多少?假如把这只灯泡接在电压为110 V 的电路上，灯泡的实际功率为多少?（假设灯丝电阻不变）?
解析：由于P =R U 2，因此灯泡的电阻R =40
2202
2
=额额P U Ω=1 210 Ω
当灯泡所加电压为110 V 时，不是在额定电压下工作，因此，这时灯泡的实际功率不是40 W ，
而应按实际所加的电压进行运算，有P 实=210
11102
2
=R U 实
W=10 W. 答案：1 210 Ω 10 W
变式提升3
将两个灯泡A （220 V 100 W ）、B （220 V 25 W ）串联后接在电路PQ 段，如图3-3-3所示，为使两灯泡都安全使用，在PQ 段所加电压的最大值是多少？PQ 段电路承诺消耗的最大功率是多少？
图3-3-3
解析：由P =
R
U 2
可得： R A =A P U 2=484 Ω，R B =B
P U 2=1 936 Ω
由P ＝UI 知：I a =
220
100
=U P A A I B =
220
25
=U P B A 则U m =(R A +R B )I B =(484+1 936) Ω×
220
25
A=275 V
P m=I B2(R A+R B)＝ W. 答案：275 V W。