高中物理 第三章 恒定电流 第3节 焦耳定律知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用）

高中物理 第三章 恒定电流 第3节 焦耳定律知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用）

第3节 焦耳定律 ‎ 思维激活 ‎1.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，它们都会分为几档，如电吹风可以吹凉风、暖风和热风；电熨斗可以熨丝绸、棉、麻等不同的衣物，你知道它们的变档原理吗？‎ ‎2.将一个“220 V，30 W”的灯泡和一个“220 V，100 W”的灯泡并联在220 V的电路中，会发现100 W的灯泡更亮些；但若将这两个灯泡串联在电路当中时会发现30 W的灯泡比较亮，你知道这是为什么吗？‎ 答案：1.提示：每一档接入电路中的用电成分都不同，例如电吹风在吹凉风时只有电动机接入电路，吹热风时又并联了一个电热丝，因此调档位实质上就是调节接入电路中的不同成分.‎ ‎2.提示：并联时，灯泡两端的电压都是220 V，正常发光，100 W的灯泡功率大，所以更亮些；串联时，由于30 W的灯泡电阻更大些，分得的电压也大，所以实际功率更大些，那么30 W的灯泡这时就更亮些.‎ 自主整理 ‎1.电能 ‎(1)电功：电路内自由电荷在电场力作用下定向移动形成电流，这时___________对___________做了功，这就是电功.公式表示为：W=___________=___________，表示电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的___________、___________、通电___________三者的乘积.单位：___________.‎ ‎(2)电功率：电流在___________内做的功，公式表示为：P=___________=___________，表示电流在一段电路上做功的功率等于___________与这段电路两端的___________的乘积.单位：___________.‎ ‎2.焦耳定律 电流通过导体产生的热量跟___________成正比，跟___________成正比，跟___________成正比，这就是焦耳定律.公式：___________，在纯电阻电路中还可写成：___________.‎ ‎3.身边的电热 各种电器在使用中都会放出大量的电热，有的是利用这些电热，如电熨斗、___________、电烘箱、___________等；有的电器并不是利用的它的电热，这种电热要是散热不及时会造成危害，如电动机、电视机、___________、___________等.‎ 答案：1.(1)电场力 自由电荷 qU UIt 电压U 电流I 时间t 焦耳(J)‎ ‎(2)单位时间 W/t UI 电流I 电压U 瓦特(W)‎ ‎2.电流的二次方 导体的电阻 通电时间 Q=I2Rt Q=t ‎3.电暖气 电热水器 电冰箱 电脑 高手笔记 ‎1.电功是电流通过电路时电能转化为其他形式的能的量度.‎ ‎2.电功率是反映电流做功快慢的物理量.‎ ‎3.电功和电热的关系.‎ ‎(1)对于纯电阻电路，电功等于电热，即 W=UIt=Q=I2Rt.‎ ‎(2)在非纯电阻电路中，电功大于电热，即电流做的功并没有全部转化为电热.‎ W=UIt=I2Rt+E其,也可以写成:W>Q.‎ 名师解惑 ‎1.电流做功的实质是什么？‎ 剖析:电流做功的过程，实质上是电能向其他形式能转化的过程.电能可转化为机械能、化学能、内能等.‎ ‎(1)纯电阻电路中电能转化的特点 纯电阻电路(只含电阻元件)中，对电流的阻碍作用是因为定向移动的自由电荷跟不能自由移动的粒子之间的碰撞，这种碰撞使自由电荷的电势能减少，而不能自由移动的粒子热运动加剧，使电势能(电能)转化为内能，引起导体发热.通过电流做功，电能完全转化为电路的内能.因而电功等于电热，有 W=UIt=I2Rt=t,P=I2R=.‎ ‎(2)非纯电阻电路中电能的转化特点 在非纯电阻电路(除电阻元件外，还有电动机、电解槽等用电器)中，对电流的“阻碍作用”除了电阻以外，还有其他因素，电阻的阻碍作用使电能转化为内能，其他因素使电能转化为其他形式的能.如电感使电能转化为磁场能，电动机使电能转化为机械能，电解槽使电能转化为化学能，等等.总之，在非纯电阻电路中，电能的转化远比在纯电阻电路中电能的转化要复杂.‎ ‎2.如何计算非纯电阻电路中的电流和电压？‎ 剖析:欧姆定律I=U/R是不适用于非纯电阻电路的，因此在这样的电路中不能简单地用I=U/R来进行处理，可用以下方法来处理：‎ ‎(1)将电阻与其他因素分离出来，区别对待.如电动机两端的电压为U，其内阻为R，电流I，为了方便处理，将电阻R与电动机分离，画出等效电路图，很明显，电压U是加在电阻R和电动机两端的共同电压，加在R两端的电压要比U小，所以用I=U/R计算电路的电流就明显不对.若知道R两端的电压U′，对R使用欧姆定律I=U′/R是可行的.‎ ‎(2)通过电功(或电热)计算电流或电压 如在电动机两端加上U的电压，电动机的内阻为R，每秒在电动机的内阻上产生Q的热量，首先将电阻与电动机分离出来，因为Q=I2Rt，所以I=，并由此还可算出电动机将电能转化为机械能的功率P=UI-I2R=U-.‎ ‎3.额定功率和实际功率 剖析:用电器正常工作时所消耗的功率叫额定功率.当用电器两端电压达到额定电压时，电流达到额定电流，电功率也达到额定功率，且P额=U额I额.对于纯电阻用电器，P额=I2额R=.若加在用电器两端的电压小于额定电压时，用电器所消耗的功率(实际功率)就小于额定功率.灯泡的亮度是由其实际消耗的电功率决定的，实际功率不能长时间超过额定功率.‎ 讲练互动 ‎【例1】 一根电阻丝，在通过‎2 C的电荷量时电功为8 J，若在相同的时间内通过‎4 C的电荷量，求电阻丝上的电流做的功和所加的电压分别是多少？‎ 解析：设电阻丝的电阻为R，据W=UIt=Uq得U1=4 V 在相同时间内通过的电荷量变为原来的2倍.‎ 据I=q/t知：I2=2I1‎ 又据欧姆定律I=U/R得U2=2U1=8 V 电流的功W2=U2I2t=4W1=32 J.‎ 答案：32 J；8 V.‎ 绿色通道 要解决这类题目需掌握以下几个公式，并理解它们的意义和关系：‎ 电功W=qU=Uit ①‎ 电流I=q/t ②‎ 欧姆定律I=U/R ③‎ 其中①式为计算电功的普遍公式；②式为电流的定义式，普遍适用；③式只适用于纯电阻电路.‎ 变式训练 ‎1.“220 V、5.5 kW”的电动机，电阻为0.4 Ω，它在正常工作时的电流为_________ A，1 s内产生的热量是_________J，1 s内有_________J的电能转化为机械能.‎ 解析：正常工作时I=P/U=‎‎25 A Q=I2Rt=250 J，P机=P总-P热=5 250 W，Q′=P机t=5 250 J.‎ 答案：25 250 5 250‎ ‎【例2】 直流电动机线圈的电阻为R，当电动机正常工作且通过的电流为I时，电机两端电压为U，则电动机的热功率为_________，消耗的功率为_________，对外输出机械功率为_________.‎ 解析：此电路不是纯电阻电路，所以I=U/R不再适用，电热功率只能写成I2R，消耗电能总功率只能写成IU.由能量守恒得机械功率为IU-I2R.‎ 答案：I2R IU IU-I2R 黑色陷阱 计算热功率时容易使用P=，解答这类题目时一定要先看电路是否是纯电阻电路.‎ 变式训练 ‎2.某电动机线圈电阻为1 Ω，接在220 V的直流电压下，工作电流为‎1 A，则电动机消耗的电功率为__________,发热损耗的电功率为__________,转化为机械能的功率为__________.‎ 解析：电动机是将电能转化为机械能的机器，其中只有部分能量消耗在线圈发热上，是一个非纯电阻电路，此时计算电功率的三个公式P=UI、P=I2R、P=不能等效互换，其中公式P=UI可计算电动机消耗的总功率；P=I2R只能计算发热损耗的电功率，P=已不能再用.转化为机械能的功率可用电动机消耗的总功率减去发热损耗的电功率来算.因此电动机消耗的总电功率P总=UI=220 W 发热损耗的电功率P热=I2R=1 W 转化为机械能的功率为P机=P总-P热=219 W.‎ 答案：220 W 1 W 219 W 体验探究 问题:在一些塑料加工业中，经常会运用电热的原理来切割塑料板或在塑纸上画一些图案，你能运用你所学的知识，自制一个简易的电热切割刀吗？‎ 导思:塑料制品遇热可以迅速熔化，而电路通电又会发热，我们可以利用这些特点，来制作一个电热切割刀.‎ 探究:准备一个低压电源、一个滑动变阻器、一段电热丝和一个竹弓，将电热丝拉直系在竹弓上，用低压电源给电热丝通电.通电后的电热丝能够发热，从而达到切割塑料板或在塑料板上画图的目的.‎