新高中物理2.5电功率第1课时学案(含解析)粤教版选修31

2.5 电功率 第1课时
[学习目标定位] 1.知道并理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系.3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别．
一、电功和电功率
1．电功
(1)定义：在一段电路中电场力所做的功称电功，即通常说的电流所做的功．
(2)表达式：W ＝UIt ，此式表明：电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U 、电路中的电流I 和通电时间t 三者的乘积．
(3)单位：国际单位制中电功的单位是J.
2．电功率
(1)定义：单位时间内电流所做的功称为电功率．
(2)表达式P ＝W t ＝UI .
(3)单位：国际单位制中电功率的单位是W.
二、焦耳定律和热功率
1. 焦耳定律公式：Q ＝I 2Rt .
2．热功率
(1)定义：一段电路因发热而消耗的功率P 热＝Q t
称为热功率．
(2)公式：P 热＝I 2R .
三、闭合电路中的功率 EI ＝U 外I ＋U 内I ，反映了闭合电路中的能量转化关系．EI 表示电源提供的电功率，U 外 I 和U 内I 分别表示外电路和内电路上消耗的电功率.
一、电功和电功率
[问题设计]
在日常生活中，经常会用到家用小电器，例如电吹风、电熨斗等，它们都会分为几挡，像电吹风可以吹暖风和热风．它们都是通过电流做功把电能转化为热能的．
(1)电流做功的实质是什么？
(2)设加在一段电路两端的电压为U ，通过电路的电流为I ，试推导t 时间内电流做功的表达式及电功率的表达式．
答案 (1)因电流是自由电荷在电场力作用下定向移动形成的，电流做功实质上是导体中恒定电场对自由电荷的电场力做功．
(2)t 时间内通过电路的总电荷量q ＝It ，电场力移动电荷做功W ＝qU ，故t 时间内电流做功
W ＝UIt .又因为P ＝W t
，可得：P ＝UI . [要点提炼]
1．电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少量．
2．电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功．
3．电功率P ＝W t ＝UI ，表示电流做功的快慢．
二、焦耳定律和热功率
[问题设计]
1．某同学家中有一只电炉，电阻为50 Ω，试计算该电炉接到220 V 电源上在100秒的时间内消耗的电能和产生的热量．
答案 I ＝U R
W ＝UIt ＝U ·U R ·t ＝U 2R
t ＝96 800 J Q ＝W ＝96 800 J.
2．某同学家中有一电风扇，电阻为80 Ω，当加上220 V 的电压时电流为0.25 A ，试计算该风扇工作100 秒时间消耗的电能和产生的热量．
答案 W ＝UIt ＝5 500 J
Q ＝I 2Rt ＝500 J
3．通过上面的计算比较电炉和电风扇消耗的电能和产生的热量之间的关系．
答案 电炉消耗的电能和产生的热量相等．
电风扇消耗的电能和产生的热量不相等．
[要点提炼]
1．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内能．W ＝Q ＝UIt ＝I 2Rt ＝U 2R t ；P ＝P 热＝UI ＝I 2R ＝U 2R
. 2．非纯电阻电路：含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路．W ＝UIt >Q ＝I 2Rt ；P ＝UI >P 热＝I 2
R .
三、闭合电路中的功率
[问题设计]
根据闭合电路的欧姆定律，推导闭合电路中能量的转化关系，并解释各项的物理意义． 答案 根据E ＝U 内＋U 外可得EI ＝U 内I ＋U 外I ，式中EI 表示电源提供的电功率，U 外I 表示外电路上消耗的电功率；U 内I 表示内电路上消耗的电功率．
[要点提炼]
1．闭合电路中的能量转化关系：EI ＝U 内I ＋U 外I ，对于纯电阻电路该式可写为EI ＝I 2r ＋I 2R . 电动势反映了电源把其他形式的能转化为电能的能力．
2．电源的效率η＝UI EI
×100%＝U E
×100%.
一、电功、电功率、焦耳热、热功率
例1 (单选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中不正确．．．
的是( ) A ．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多
B ．W ＝UIt 适用于任何电路，而W ＝I 2
Rt ＝U 2R t 只适用于纯电阻电路 C ．在非纯电阻电路中，UI >I 2R
D ．焦耳热Q ＝I 2Rt 适用于任何电路
解析 电功率公式P ＝W t ，表示电功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有焦耳热Q ＝Pt ，可见Q 与t 也有关，所以P 越大，Q 不一定越大，A 错．W ＝UIt 是电功的定义式，适用于任何电路，而I ＝U R
只适用于纯电阻电路，B 对．在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W >Q ，即UI >I 2R ，C 对．Q ＝I 2Rt 是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D 对．
答案 A
二、纯电阻电路中的功率分配及计算
例2 (单选)额定电压都是110 V ，额定功率P A ＝100 W ，P B ＝40 W 的灯泡两盏，若接在电压为220 V 的电路上，使两盏灯炮均能正常发光，且消耗功率最小的电路是( )
解析 判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是额定电压，或电流是否是额定电流，对
灯泡有P ＝UI ＝U 2R
，可知R A ＜R B . 对于A 电路，由于R A ＜R B ，所以U B ＞U A ，所以有U B ＞110 V ，B 灯烧毁，U A ＜110 V ，A 灯不能正常发光．
对于B 电路，由于R B ＞R A ，A 灯又并联滑动变阻器，并联电阻小于R B ，所以U B ＞U 并，B 灯烧毁，A 灯不能正常发光．
对于C 电路，B 灯与滑动变阻器并联电阻可能等于R A ，所以可能U A ＝U B ＝110 V ，两灯可以正常发光．
对于D 电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A 、B 的并联电阻，则U A ＝U B ＝110 V ，两灯可以正常发光．
比较C 、D 两个电路，由于C 电路中滑动变阻器功率为(I A －I B )×110 V，而D 电路中滑动变阻器功率为(I A ＋I B )×110 V，所以C 电路消耗电功率最小．
答案 C
三、非纯电阻电路的特点及计算
例3 如图1所示的电路中，电源电动势E ＝10 V ，内阻r ＝0.5 Ω，电动机的电阻R 0＝1.0 Ω，电阻R 1＝1.5 Ω.电动机正常工作时，电压表的示数U 1＝3.0 V ，求：
图1
(1)电源释放的电功率；
(2)电动机消耗的电功率和将电能转化为机械能的功率；
(3)电源的输出功率和效率．
解析 (1)电动机正常工作时，总电流为I ＝U 1R 1＝3.01.5
A ＝2 A ，电源释放的电功率为P 释＝EI ＝10×2 W＝20 W.
(2)电动机两端的电压为U ＝E －Ir －U 1＝(10－2×0.5－3.0) V ＝6 V
电动机消耗的电功率为P 电＝UI ＝6×2 W＝12 W
电动机消耗的热功率为P 热＝I 2R 0＝22
×1.0 W＝4 W
电动机将电能转化为机械能和内能，根据能量守恒得 P 机＝P 电－P 热＝12 W －4 W ＝8 W
(3)电源的输出功率为P 出＝P 释－P 内＝P 释－I 2r ＝(20－22×0.5) W＝18 W ，η＝
P 出P 释×100%＝1820
×100%＝90%.
答案 (1)20 W (2)12 W 8 W (3)18 W 90% 针对训练 一台电动机内阻为1 Ω，接到120 V 的电源上．当电动机工作时，电流为10 A ．问：
(1)电动机输入功率是多少？
(2)电动机发热功率是多少？
(3)输出的机械功率是多少？
答案 (1)1 200 W (2)100 W (3)1 100 W
解析 (1)电动机的输入功率P 电＝UI ＝120×10 W＝1 200 W.
(2)电动机的发热功率P 热＝I 2r ＝102×1 W＝100 W.
(3)输出的机械功率P 机＝P 电－P 热＝1 200 W －100 W ＝1 100 W.。