高中物理沪科版选修3-1学案：4.4电路中的能量转化与守恒 Word版含答案

学案4 电路中的能量转化与守恒

[目标定位] 1.理解电功、电功率的概念与公式并能进行相关计算.2.理解电功和电热、电功率与热功率的区别与联系，知道纯电阻电路、非纯电阻电路中热量的计算.3.明确闭合电路的效率与功率，会分析闭合电路电源的最大输出功率．

一、电功和电功率

1.如图1所示，电路中电流为I ，通电时间为t ，那么在这段时间内通过这段电路的电荷量是多少？如果电路左、右两端的电势差是U ，在电荷q 从左端移到右端的过程中．静电力做的功是多少？

图1

2．电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是否相同，两者间有何关系？ [要点总结]

1．电流做了多少功，就有多少________转化为其他形式的能，即电功等于电路中________的减少量．

2．电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是________力在这段电路中所做的功． 3．电功的计算公式：W ＝________. 单位：________，符号为J.

常用单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h ＝______________ J. 4．电功率：____________内电流所做的功．它表示电流做功的________． 公式：P ＝W

t

＝________， 单位：________，符号为________．

例1 一根电阻丝，通过2 C 的电荷量所消耗的电能是8 J ．若在相同的时间内通过4 C 的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是( ) A ．4 V,16 J

B ．8 V,16 J

C ．4 V,32 J

D ．8 V,32 J

二、焦耳定律

1．某一电路中只含有某一电器元件，即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中的一种，分析哪些属于纯电阻电路，哪些属于非纯电阻电路．

2．在电流通过电炉时，能量是如何转化的？在电流通过电动机时，能量又是如何转化的？ [要点总结] 1．焦耳定律

(1)电流通过导体时产生的热量跟__________________成正比，跟导体的________及____________成正比． (2)公式：Q ＝__________. 2．热功率

(1)单位时间内电流通过导体发出的热叫做热功率． (2)表达式：P ＝Q

t

＝________.

3．纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的________．此时电功等于电热W ＝Q ＝UIt ＝I 2

Rt ＝U 2R t, 电功率等于热功率P ＝P 热＝UI ＝I 2

R ＝U 2R

4．非纯电阻电路：含有__________或__________的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电流做的功一部分转化为__________或__________．还有一小部分转化为内能．此时电功大于电热： W ＝UIt ＝Q ＋E 其他> Q ＝I 2Rt ，电功率大于热功率：P ＝UI ＝P 热＋P 其他>P 热＝I 2R .

[延伸思考] 小明家有电炉、日光灯、电视机、电脑、电吹风等用电器，小明查了所有用电器的电阻，它们电阻的总和为R ，已知小明家所接电网电压为U ，于是小明很快算出了他家用电器的总功率：P ＝U 2

R ，小明这种算法正确吗？

例2 (多选)用一个额定电压为220 V 的电热水器煮沸一壶水需要t s ，如果不考虑电热水器的电热损失和电热丝电阻受温度的影响，那么( )

A ．当线路电压为110 V 时，煮沸一壶水需要2t s

B ．当线路电压为110 V 时，煮沸一壶水需要4t s

C ．当线路电压为55 V 时，煮沸一壶水需要4t s

D ．当线路电压为55 V 时，煮沸一壶水需要16t s 三、闭合电路中的能量转化与守恒

闭合电路中，电源电动势为E ，内、外电路的电阻分别是r 和R ，电路中的电流为I .t 时间内电源把多少其他形式的能转化为电能？外电路产生的热量是多少？内电路产生的热量是多少？三者之间有何关系？ [要点总结]

1．电源是把其他形式的能转化为________能的装置．电源提供的能量一部分消耗在__________上，一部分消耗在__________上，转化为内能．

2．能量关系：电源提供的能量等于内、外电路消耗的能量之和，即EIt ＝________＋U 内It . 功率关系：电源提供的电功率等于内、外电路消耗的电功率之和，即：EI ＝________＋U 内

I .

3．对于外电路是纯电阻的电路，其能量关系和功率关系分别为：EIt ＝________＋I 2rt ，EI ＝________＋I 2r .

电源的效率η＝UI EI ×100%＝U

E ×100%.

[延伸思考]

1．纯电阻电路中电源的输出功率与外电阻之间有怎样的关系？什么时候电源的输出功率最大？

2．电源的效率与外电阻有怎样的关系？输出功率最大时，电源的效率也最高吗？

例3 (多选)如图2所示，一台电动机提着质量为m 的物体，以速度v 匀速上升．已知电动机线圈的电阻为R ，电源电动势为E ，通过电源的电流为I ，当地重力加速度为g ，忽略一切阻力及导线电阻，则( )

图2

A ．电源内阻r ＝E

I －R

B ．电源内阻r ＝E I －mg v

I

2－R

C ．如果电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源消耗的功率将变大

D ．如果电动机转轴被卡住而停止转动，较短时间内电源消耗的功率将变小

1．(功率P ＝UI 、P ＝I 2

R 、P ＝U 2R 的区别)(多选)关于三个公式P ＝UI 、P ＝I 2

R 、P ＝U 2R

的适用

范围，以下说法正确的是( )

A ．第一个公式普遍适用于求电功率，后两式普遍适用于求热功率

B ．在纯电阻电路中，三个公式既适用于求电功率，又适用于求热功率

C ．在非纯电阻电路中，第一个公式可适用于求电功率，第二个公式可用于求热功率，第三个公式没有意义

D ．由U ＝IR 可知，三个公式没有任何区别，它们表达相同的意义，所求P 既是电功率也是热功率

2．(非纯电阻电路与纯电阻电路的对比)(多选)一台电动机的线圈电阻与一个电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内( ) 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消耗的功率

3. (非纯电阻电路的特点)(多选)如图3所示，直流电动机线圈的电阻为R ，当该电动机正常工作时，电动机两端电压为U ，通过电动机的电流为I ，则( )