[精品]2019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3_(1)

第3节 焦耳定律
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 ，在计算电热和电功时，可采用W=Q =IUt =R
U 2
t =Pt 中任一形式进行计
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，此时有W ＞Q ，或IU t ＞I 2
R t ，此种情况下，欧姆定律不成立，电功只能用公式W ＝IU t 进行计算，电热只
能用公式Q ＝I 2
R t 计算.
【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4.2×104
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.由于不知道加在电动机两端的电压，所以我们不能根据W ＝IU t 求电功.但我们可以先计算电热，然后再根据能量守恒求电功.
电热Q ＝I 2Rt ＝2.0×103 J ，现根据W ＝Q ＋E 机，故W ＝2.0×103 J ＋4.2×104 J ＝4.4×104
J.
答案：4.4×104 J 2.0×103
J 温馨提示
在非纯电阻电路中，电功W ＝IU t 中的电压U ≠IR ，原因是加在电动机两端的电压有两个贡献：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：对于纯电阻电路，电功率等于热功率，计算时可用P ＝IU ＝I 2
R ＝R
U 2
中任一形式进行计算.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0.2 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2.0 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?如果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0.2 V 电路时，电动机不转，此时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=0.5 Ω 当电机接入2.0 V 电路中时，电动机正常工作，此时电动机消耗功率P ＝U 2I 2＝2.0×1.0 W＝2.0 W 电动机的电热功率 P 热＝I 22R ＝0.5 W 电动机的输出功率
P 出＝P -P 热＝2.0 W-0.5 W ＝
如果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，所以电动机的发热功率P
热′=I ′2
R =5
.02.22
2
2 R U W ＝8 W.此时电机将要被烧毁. 答案：1.5 W 8 W
温馨提示
对这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】 额定电压都是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 ，根据串联分压关系，A 图中有U A ＜
110 V 、U B ＞110 V ，两灯不能正常工作，所以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 ，所以B 错.C 和D 图中两灯电压均有可能为110 V ，此时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，所以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.所以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，这里可以从电压、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.可以用计算的方法去比较，也可以用定性分析法比较.
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 ，
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，所以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5.0 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 2
Rt ，代入数据
可解得：E 化＝2.52×104
J.
答案：20 W 2.52×104
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的功率
解析：电炉属于纯电阻，电动机属于非纯电阻.对于电炉有：U ＝IR ，放热Q ＝I 2Rt .消耗功率P ＝I 2
R ，对于电动机有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＝1.6 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 所以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?如果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，所以灯泡的电阻R =402202
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，所以，这时灯泡的实际功率不是40 W ，而应按实际所加的电
压进行计算，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 段电路允许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 B 2(R A +R B )＝31.25 W.
答案：275 V 31.25 W。