高中物理选修3-1第二章 2 电动势--教师版

2 电动势--教师版[学科素养与目标要求]物理观念：1.知道什么是电源，了解电路中静电力和非静电力做功与能量转化的关系.2.知道电动势的定义式.3.了解电源的内阻．科学探究：收集信息，了解各种型号的电源、电池，知道同一种类的电池电动势相同，但内阻和容量不同．科学思维：通过类比的方法使学生加深对电源及电动势概念的理解，会用电动势的定义式进行简单计算．一、电源与非静电力做功1．非静电力的作用：把正电荷从负极搬运到正极，同时在该过程中非静电力做功，使电荷的电势能增加． 2．电源 (1)定义：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置． (2)能量转化：在电源内部，非静电力做正功，其他形式的能转化为电势能，在电源外部，电场力做正功，电势能转化为其他形式的能．二、电动势和内阻1．电动势(1)电动势：在电源内部，非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的功W 与被移送电荷q 的比值．(2)定义式：E ＝W q.单位：伏特(V)． (3)物理意义：反映电源非静电力做功本领大小的物理量．(4)决定因素：由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积无关，跟外电路无关．2．内阻：电源内部导体的电阻．判断下列说法的正误．(1)在电源内部，正电荷向正极移动过程中，电场力做负功，电荷电势能增加．(√)(2)所有的电源，均是将化学能转化为电势能的装置．(×)(3)电源的电动势跟电源内非静电力做的功成正比，跟通过的电荷量成反比．(×)(4)E ＝W q只是电动势的定义式而非决定式，电动势的大小由电源中非静电力的特性决定．(√)一、电源 非静电力(1)如图所示，水池A 、B 的水面有一定的高度差，若在A 、B 之间用一细管连起来，则水在重力的作用下定向运动，A 、B 之间的高度差很快消失．在这个过程中，水管中只有一个短暂水流．怎样才能保持A 、B 之间稳定的高度差，在A 、B 之间形成持续的水流呢？(2)如图所示，电源在电路中的作用相当于抽水机的作用，它能不断地将流到负极的正电荷搬运到正极，从而保持正、负极有稳定的电势差，维持电路中有持续的电流．电源是通过什么力做功实现这个功能的？(3)对比上述抽水过程和电荷在电路中的运动，分析它们的能量转化情况．答案 (1)需要加一个抽水机，把水池B 中的水抽到水池A 中．(2)通过非静电力做功．(3)①当水由A 池流向B 池时重力做正功，减少的重力势能转化为其他形式的能；在电源外部，电场力对正电荷做正功，减少的电势能转化为其他形式的能；②在抽水机将B 中的水抽到A 的过程中，要克服水的重力做功，将其他形式的能转化为水的重力势能；在电源内部，要靠非静电力作用于正电荷克服电场力做功，将其他形式的能转化为电荷的电势能．1．非静电力：电源内使正、负电荷分离，并使正电荷聚积到电源正极、负电荷聚积到电源负极的非静电性质的作用力，是对除静电力外能对电荷流动起作用的其他力的统称．2．来源(1)在化学电池(干电池、蓄电池)中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能．(2)在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能．3．功能关系：非静电力总是克服静电力做功，非静电力做功的过程就是将其他形式的能转化为电能的过程．做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能．例1(多选)(2017·启东中学高一下期末考试)以下关于电源的说法中正确的是()A．电源的作用是维持导体两端的电压，使电路中有持续的电流B．在电源内部正电荷能从负极到正极是因为电源内部只存在非静电力而不存在静电力C．静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减小D．静电力移动电荷做功电荷电势能减少，非静电力移动电荷做功电荷电势能增加答案AD解析电源的作用是维持导体两端的电压，使电路中有持续的电流，故A正确；在电源内部既存在非静电力，又存在静电力，故B错误；静电力与非静电力都可以使电荷移动，静电力移动电荷做功电荷电势能减少，非静电力移动电荷做功电荷电势能增加，故C错误，D正确．例2(多选)电池给灯泡供电与人将球抛出在能量转化方面有相似之处，我们可以将电势能类比于重力势能，如图1所示，下列说法正确的是()图1A．可以将电流通过灯泡时电流做功与抛球时人对球做功类比B．可以将电池的非静电力做功与抛球时人对球做功类比C．可以将电流通过灯泡时电流做功与重力对球做功类比D．可以将电池的非静电力做功与重力对球做功类比答案BC解析将电势能类比重力势能，电流通过灯泡做功，电势能减少，可类比重力做功，重力势能减少．非静电力做功，电势能增加，可类比抛球时人对球做功，球重力势能增加，故B、C正确．二、对电动势的理解日常生活中我们经常接触到各种各样的电源，如图所示的干电池、手机电池，它们有的标有“1.5 V”字样，有的标有“3.7 V”字样．如果把1 C的正电荷从1.5 V干电池的负极移到正极，电荷的电势能增加了多少？非静电力做了多少功？如果把1 C 的正电荷从3.7 V 的手机电池的负极移到正极呢？哪个电池做功本领大？答案 把1 C 的正电荷从1.5 V 干电池的负极移到正极，电势能增加了1.5 J ，非静电力做功1.5 J ；从3.7 V 手机电池的负极移到正极，电势能增加了3.7 J ，非静电力做功3.7 J ．3.7 V 手机电池做功本领大．1．E ＝W q是电动势的定义式而不是决定式，E 的大小与W 和q 无关，是由电源自身的性质决定的；电动势不同，表示电源将其他形式的能转化为电能的本领不同．2．电动势在数值上等于非静电力把1 C 的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功．3．电动势是标量，但为研究问题的方便，常认为其有方向，规定其方向为电源内部电流的方向，即在电源内部由电源负极指向正极．4．常用电池的电动势干电池铅蓄电池 锂电池 锌汞电池 1.5 V2 V3 V 或3.6 V 1.2 V5.容量：电池放电时能输出的总电荷量，其单位是：A·h 或mA·h.例3 (多选)(2018·上饶市高二期末)一组铅蓄电池的电动势为4.8 V ，内阻不为零，以下说法中正确的是( )A ．电路中每通过1 C 电荷量，铅蓄电池能把4.8 J 的化学能转变为电能B ．体积大的铅蓄电池比体积小的铅蓄电池的电动势大C ．电路中每通过1 C 电荷量，铅蓄电池内部非静电力做功为4.8 JD ．该铅蓄电池把其他形式能转化为电能的本领比一节干电池(电动势为1.5 V)的强 答案 ACD解析 由W ＝Eq 可知，电路中每通过1 C 的电荷量时，电池将4.8 J 的化学能转化为电能，故A 正确；电池的电动势只与电池的性质有关，与体积无关，故B 错误；电路中每通过1 C 的电荷量，电池内部非静电力做功为W ＝Eq ＝4.8 J ，故C 正确；电动势反映电源将其他形式的能转化为电能的本领，故D 正确．例4 将电动势为3 V 的电源接入电路中，测得电源两极间的电压为2.4 V ，当电路中有6 C 的电荷流过时，求：(1)有多少其他形式的能转化为电能；(2)外电路中有多少电能转化为其他形式的能；(3)内电路中有多少电能转化为其他形式的能．答案 (1)18 J (2)14.4 J (3)3.6 J解析 (1)W ＝Eq ＝3×6 J ＝18 J ，电源中共有18 J 其他形式的能转化为电能．(2)W 1＝U 1q ＝2.4×6 J ＝14.4 J ，外电路中共有14.4 J 的电能转化为其他形式的能．(3)W 2＝W －W 1＝3.6 J ，内电路中有3.6 J 电能转化为其他形式的能．[学科素养] 通过例3和例4理解电源电动势是反映电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量，理解E ＝W q的物理意义，并能进行简单运算，体现了“物理观念”的学科素养．1．(对电源与非静电力做功的理解)(多选)下列说法中正确的是( )A ．电源外部存在着由正极指向负极的电场，内部存在着由负极指向正极的电场B ．在电源外部电路中，负电荷靠静电力由电源的负极流向正极C ．在电源内部电路中，正电荷靠非静电力由电源的负极流向正极D ．在干电池中，靠化学作用使化学能转化为电势能答案 BCD2．(对电动势的理解)(多选)(2018·南阳一中高二月考)下列关于电源和电动势的说法中正确的是( )A ．电动势就是电势差，也叫电压B ．电动势大的电源，其内部非静电力做功不一定多C ．在外电路中和电源内部，因为正电荷都受静电力作用，所以能不断定向移动形成电流D ．电动势在数值上等于非静电力把1 C 的正电荷在电源内从负极移到正极所做的功 答案 BD解析 电动势反映电源把其他形式的能转化为电能的本领的强弱，与电势差的定义不相同，A 错误；电动势大的电源，其内部非静电力在移动相同电荷量时做功多，并不是电动势大的电源，其内部非静电力做功就多，B 正确；在电源内部同时存在静电力和非静电力，正电荷能从负极到正极是因为非静电力大于静电力，C 错误；根据电动势的定义式E ＝W q可知，D 正确．3．(对电动势的理解)(多选)(2018·佛山市高二期末)图2甲是手机用锂电池，图乙是某型号超级电容器，两者的内阻均不计．如果将充满电的甲和乙的电量完全放完，甲可以释放电荷量Q 1，同时对外做功W 1；乙可以释放电荷量Q 2，同时对外做功W 2.则以下关系正确的是( )图2A ．Q 1>Q 2B ．Q 1<Q 2C ．W 1>W 2D ．W 1<W 2答案 BD 解析 手机锂电池放电的电荷量Q 1＝It ＝2 000 mA·h ＝7 200 C ，电容器的放电电荷量Q 2＝CU ＝4 000×2.7 C ＝10 800 C ，比较可得Q 1<Q 2，故A 错误，B 正确；锂电池对外做功W 1＝EQ 1＝3.7×7 200 J ＝2.664×104 J ，电容器对外做功释放电场能W 2＝Q 2U ＝10 800×2.7 J ＝2.916×104 J ，比较可得W 1<W 2，故C 错误，D 正确．4．(公式E ＝W q的理解和应用)有一铅蓄电池，在其内部将2×10－5 C 的电子从正极移到负极需要3×10－2 s 的时间，此过程中非静电力做功为4×10－5 J ，则该铅蓄电池的电动势是多少？给一小灯泡供电，供电电流是0.2 A ，供电10 min ，非静电力做功是多少？答案 2 V 240 J解析 电动势E ＝W q ＝4×10－52×10－5V ＝2 V 非静电力做的功W ＝Eq ＝EIt ＝2×0.2×60×10 J ＝240 J.一、选择题考点一 对电动势的理解1．(2018·日照市期末)在不同的电源中，非静电力做功的本领也不相同，物理学中用电动势来表明电源的这种特性．下列关于电动势的说法正确的是( )A ．电动势是一种非静电力B ．电动势由电源中非静电力的特性决定C ．电动势越大的电源中，储存的电能越多D ．电动势越大，说明电源向外输出的电能越多答案 B2．(多选)关于电源电动势E 的下列说法中正确的是( )A ．电动势E 的单位与电势、电势差的单位相同，都是伏特VB ．干电池和铅蓄电池的电动势是不同的C ．电动势E 可表示为E ＝W q，可知电源内非静电力做功越多，电动势越大 D ．电动势越大，表示电源内部将其它形式能转化为电能的本领越大答案 ABD解析 电动势E 的单位与电势、电势差的单位相同，都是伏特，故A 正确；干电池的电动势为1.5 V ，而铅蓄电池的电动势是2 V ，故B 正确；电动势E 可表示为E ＝W q，可知电源内非静电力移送单位正电荷做功越多，电动势越大，选项C 错误；电动势表征电源把其它形式的能转化为电能的本领大小，电动势越大，表示电源内部将其它形式的能转化为电能的本领越大，选项D 正确．3．关于电源电动势，下列说法正确的是( )A ．同一电源接入不同的电路中，电动势会发生变化B ．1号1.5 V 干电池比7号1.5 V 干电池大，但电动势相同C ．电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本领大小，电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势越大D ．电动势、电压和电势差虽名称不同，但物理意义相同，所以单位也相同答案 B解析 电动势由电源中非静电力的特性所决定，与外电路无关，所以同一电源接入不同的电路，电动势不会改变，故A 错误．电动势由电源中非静电力的特性所决定，跟电源的体积无关，所以虽然1号干电池比7号干电池大，但电动势相同，故B 正确．电源电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本领大小，根据W ＝qE 可知，电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势不一定大，还跟移送电荷的多少有关，故C 错误．电动势、电压和电势差物理意义不同，单位相同，故D 错误．4．(多选)如图1所示，为一块手机电池背面印有的一些符号，下列说法正确的是( )图1A ．该电池的容量为500 mA·hB ．该电池的电动势为3.6 VC ．该电池在工作1小时后达到的电流为500 mAD ．若电池以10 mA 的电流工作，可用50小时答案 ABD解析 电池上的3.6 V 表示电动势，500 mA·h 表示电荷容量，可以由电荷容量计算在一定放电电流下使用的时间，由500 mA·h ＝t ×10 mA ，得t ＝50 h ，所以A 、B 、D 选项正确．考点二 对公式E ＝W q的理解和应用 5．(多选)对于电动势的定义式E ＝W q的理解，正确的是( ) A ．E 与W 成正比B ．E 与q 成反比C ．E 的大小与W 、q 无关D ．W 表示非静电力做的功答案 CD6．一台发电机用0.5 A 的电流向外输电，在1 min 内将180 J 的机械能转化为电能，则发电机的电动势为( )A ．6 VB ．360 VC ．120 VD ．12 V答案 A解析 由q ＝It 得，E ＝W q ＝W It ＝1800.5×60V ＝6 V . 7．(多选)如图2所示是常用在电子手表和小型仪表中的锌汞电池，它的电动势约为1.2 V ，这表示( )图2A ．电路通过1 C 的电荷量，电源把1.2 J 其他形式的能转化为电能B ．电源在每秒内把1.2 J 其他形式的能转化为电能C ．该电源比电动势为1.5 V 的干电池做功少D ．该电源与电动势为1.5 V 的干电池相比，通过1 C 电荷量时其他形式的能转化为的电能少 答案 AD二、非选择题8．国家大力推广节能环保汽车，电动汽车是许多家庭的首选．已知电动汽车的电源是由30组蓄电池串联组成的，当正常行驶时，电路中的电流为5 A ，在10 min 内电源做功1.8×105 J ，则这组蓄电池的总电动势是多少？每组的电动势为多少？ 答案 60 V 2 V解析 电源移送电荷量为：q ＝It ＝5×10×60 C ＝3 000 C ，这组蓄电池的总电动势为：E ＝W q ＝1.8×1053 000V ＝60 V 每组的电动势为：E 1＝E n ＝6030V ＝2 V .9．铅蓄电池的电动势为2 V，一节干电池的电动势为1.5 V，将铅蓄电池和干电池分别接入电路，两个电路中的电流分别为0.1 A和0.2 A．试求：两个电路都工作20 s，电源所消耗的化学能分别为多少？哪一个电源把化学能转化为电能的本领更大？答案 4 J 6 J铅蓄电池把化学能转化为电能的本领更大解析对于铅蓄电池的电路，20 s内通过的电荷量为q1＝I1t＝2 C，对于干电池的电路，20 s 内通过的电荷量为q2＝I2t＝4 C.由电动势的定义式得电源消耗的化学能分别为W1＝q1E1＝4 J，W2＝q2E2＝6 J.电动势越大，电源把其他形式的能转化为电能的本领越大，故铅蓄电池把化学能转化为电能的本领更大．。