1、第五节 焦耳定律课标解读1.理解电功和电功率,掌握电功和电功率的计算.2.知道焦耳定律的物理意义,掌握焦耳定律在生活中的应用.3.从能量守恒和转化理解电功和电热的区别,知道纯电阻电路和非纯电阻电路.课前自主学习一 电功和电功率1.电功:导体中的恒定电场对自由电荷的非静力做功,通过电流做功把电能转化为其他形式的能.2.电功的表达式:W=IUt,W的单位是焦耳.3.电功率(1)物理意义:表示电流做功快慢的物理量.(2)定义:单位时间内电流所做的功.(3)表达式:其单位是瓦特(W).,PIWtU二 焦耳定律1.内容:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻及通电时间成正比.2.表达式
2、:Q=I2Rt,其单位是焦耳.3.热功率:单位时间内的发热量,P=I2R,其单位瓦特.知识梳理图课堂互动探究一 电功和电功率1.电功(1)实质:因电流是自由电荷在电场力作用下定向移动形成的,电流做的功,实质上是电场力移动电荷做的功.(2)表达式:设加在一段电路两端的电压为U,流过电路的电流强度为I,则t时间内流过电路的电量q=It.电场力移动电荷做的功W=qU.t时间内电流做功W=UIt表明:电流在一段电路上所做的功,跟这段电路两端的电压电路中的电流和通电时间成正比.22:WUIt.,:WUItI Rt,.UIRUtR注意 电功适用于任何电路在纯电阻电路中由于所以在纯电阻电路中的电功可表示为(
3、3)单位:在国际单位中功的单位是焦耳,符号为J.常见的电功单位还有“度”.1度=1 kWh=3.6106J(4)意义:电流做功的过程是电能转化为其他形式能的过程,电流做了多少功,就表明有多少电能转化为其他形式的能,即电功反映了电能转化为其他形式能的多少.2.电功率(1)定义:电流所做的功跟完成这些功所用时间的比值,叫做电功率.22 2:PUI,PI.RWPtUPR公式 计算电功率的普适公式为和对于纯电阻电路 计算电功率还可以用公式和(3)单位单位:在国际单位制中的单位是瓦在国际单位制中的单位是瓦,符号为符号为W.(4)意义意义:电功率表示电流做功的快慢电功率表示电流做功的快慢.二 焦耳定律1.
4、电流的热效应:电流通过导体(或用电器)时,做定向移动的自由电子要频繁地跟金属正离子碰撞.由于这种碰撞,电子在电场力的加速作用下获得的动能,不断传递给金属正离子,使金属正离子的热运动加剧,于是通电导体的内能增加,温度升高,即电能通过电流做功转化为内能,这就是电流的热效应.2.焦耳定律:在一段电路中只有电阻元件,则电场力所做的功W等于电流通过这段电路时发出的热量Q,即Q=W=UIt,由欧姆定律U=IR,热量Q的表达式可写成Q=I2Rt.这就是焦耳定律.23.:,PI R.,QPt热功率 单位时间内发热的功率通常称为热功率由焦耳定律可得热功率为三 电功和电热的比较对任何电路,电流做的功恒为W=UIt
5、;电流产生的热恒为Q=I2Rt.1.在纯电阻电路中,由于U=IR,因此即电流做的功全部转化为电热.22,UUItI RttR2.在非纯电阻电路(像含有电动机 电解槽的电路)中,电流做的功只有很少一部分转化为电热,绝大部分转化成(机械能或化学能等)其他形式的能.因此,WQ即UItI2Rt,根据能的转化和守恒定律知,在非纯电阻电路中满足:电功=电热+其他形式的能,即UIt=I2Rt+E其他.例如,一台电动机,额定电压是110 V,电阻是0.40,在正常工作时通过的电流是50 A,每秒钟电流做的功为W=UIt=5.5103 J,而每秒钟电流产生的热为Q=I2Rt=1.0103 J,可见,电功W比电热
6、Q大得多.其中W-Q=4.5103 J为每秒钟产生的机械能.四 电路中电功率和热功率的计算方法1.注意区别“负载”“负荷”与“电阻”“负载”或“负荷”是对用电器功率特征的一种习惯称谓.通常说“负载”或“负荷”大,是指用电器的功率大,并不是用电器的“电阻”大.在一般情况下,“负载”大的用电器电阻反而小.如“220 V,60 W与220 V,100 W”的两个灯泡,后者的功率大但电阻却较小.2.注意区别纯电阻电路与一般电路电路消耗的电能全部转化为电热(内能)的电路称为纯电阻电路,对纯电阻电路有:22.UURPIPIR电热电路消耗的电能并不完全转化为内能,还有一部分转化为其他形式的能(如机械能 化学
7、能等),这种电路叫非纯电阻电路.如其中有电动机 电解槽的电路等.对非纯电阻电路有:P电=UII2R,此时 或UIR,决不能乱套用公式.计算电功率只能用P电=UI,计算热功率只能用P热=I2R.UIR典例分析一 对电功和电热的理解例1:在某段电路中,其两端电压为U,通过的电流为I,通电时间为t,若该电路的电阻为R.关于电功和电热的关系,下列结论正确的是()A.在任何电路中,电功W=UIt=I2RtB.在任何电路中,电功为UIt,电热为I2RtC.在纯电阻电路中,UIt=I2RtD.在非纯电阻电路中,UItI2Rt解析:电功是电流通过导体所做的功,根据电场力做功的特点一定等于UIt,而电热是电流流
8、过导体时所产生的热量,由焦耳定律可知一定等于I2Rt,对于纯电阻电路,电流做功,把电能全部转化为内能,UIt=I2Rt;对非纯电阻电路,电流做功,电能的一部分转化为内能,部分转化为其他形式的能,UIt=I2Rt+W其他,故B C选项正确.答案:BC名师点拨:电功和电热是两个不同的物理量,不能混淆,其关系为UItI2Rt,具体为在纯电阻电路中,UIt=I2Rt,在非纯电阻电路中UItI2Rt.巩固练习1.一只白炽电灯标有“220 V 100 W”的字样,它在正常发光时的电阻多大?当实际电压为55 V时,灯泡的实际功率怎样?2:,100W,220484,100.UPUI IRR解析 该白炽灯在额定
9、电压下正常发光 功率为额定功率对白炽灯可看成是纯电阻用电器由得22.55V,P161,416,.2R5,16RP.UURRPW当实际电压为时 实际功率由于实际电压仅为额定电压的所以通过灯泡的电流较小 灯丝的焦耳热功率明显减小 灯丝的温度比正常发光时低得多 所以答案答案:484 :484 实际功率应大于实际功率应大于6.25 W6.25 W二 非纯电阻电路中电功和电热的计算例2:规格为“220 V 36 W”的排气扇,线圈的电阻为40,求接上220 V电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热功率分别为多少?22:A0.16A,PI R0.1640W1W,PPP36W1W35W2.3620PIU热热
10、机解析 排气扇正常工作的电流发热功率转化为机械能的功率答案答案:见解析见解析 巩固练习2.在题(例2)中若将排气扇接上220 V电压后,扇叶被卡住,不能转动,求其电动机消耗的电功率及发热的功率.222201210.4:,0,UPWWR解析 当扇叶被卡住 不能转动 此时该电路就成为纯电阻电路消耗的电能完全转化为焦耳热由焦耳定律答案答案:1210 W 1210 W:1210 W 1210 W三 电功率的分析和计算例3:额定电压都是110 V,额定功率PA=100 W PB=40 W的电灯两盏,按下图所示的四种方式接在电压是220 V的电路两端,要求每盏电灯均能正常发光,且电路中消耗的电功率最小,则
11、正确的电路是()解析:若要使两电灯均正常发光,亦即每灯的电压均为110V.因为PAPB,根据可知,RA110V,B灯将被烧坏;B电路中,A灯并联一个电阻后,并联部分电阻更小,当然有R并110V,B灯将被烧坏;C电路中,B灯与变阻器并联后的电阻可能等于A灯的电阻,所以当变阻器的阻值为某一适当的值时,可以使UA等于UB,这时两灯正常发光,并联部分电路消耗的电功率等于A灯的电功率,所以电路消耗的总功率为200W;2,URP对于D电路,当变阻器的电阻等于AB两灯并联后的电阻时,电灯两端的电压均为110 V,此时两灯均可正常发光,变阻器消耗的电功率等于并联部分消耗的功率,所以电路消耗的总功率为280 W
12、.综上所述,本题正确选项为C.答案:C名师点拨:本例题是一个带有设计性质的问题,也是一个很具有实际意义的问题,不仅要求用电器正常工作,还要求电路最合理 优化,正确快捷解决的关键在于串 并联电路的性质,特点熟练掌握,透彻理解.巩固练习3.有四盏灯,接入如下图所示的电路中,L1和L2都标有“220 V 100 W”字样,L3和L4都标有“220 V 40 W”字样,把电路接通后,最暗的灯是_,最亮的灯是_.L L3 3L L4 4解析:由它们的额定电压 额定功率可判断:R1=R2R1R23并,由串联电路的功率分配可得P4P1(P2+P3),由并联电路的功率分配可得P2P3,所以L3为最暗,L4最亮
13、.课后巩固提升巩固基础1.关于电功和焦耳热,下列说法错误的是()A.在纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2RtB.在非纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2RtC.在非纯电阻电路中,计算焦耳热用Q=I2RtD.在纯电阻电路中,计算焦耳热可以用Q=IUt解析:在纯电阻电路中电功和电热是相同的,故A说法正确;在非纯电阻电路中计算电功只能用W=UIt,故B说法错误.答案:B2.对于纯电阻用电器,下列说法中正确的是()A.如果额定功率相同,额定电流较大的用电器电阻较大B.如果额定功率相同,额定电流较大的用电器电阻较小C.如果额定电压相同,额定功率较大的用电器电阻较大D.如果额定电压相同,额定功率较大
14、的用电器电阻较小答案:BD解析:由P=I2R可知,如果额定功率相同,则额定电流较大的用电器电阻较小.由公式 如果额定电压相同,则额定功率较大的用电器电阻较小.2,UPR3.一盏电灯直接接在电压恒定的电源上,其功率为100 W,若将这盏电灯接上一段很长的导线后,再接在同一电源上,在导线上损失的电功率为9 W,那么此时电灯实际消耗的功率将()A.大于91 W B.小于91 WC.等于91 W D.条件不足,无法确定答案:B解析:电源电压不变,当电阻增大时,由 可知,功率减小,所以将灯接在很长的导线上总功率小于100 W,导线损失9 W,则电灯的功率将小于91 W,故B选项正确.2UPR4.两个电阻
15、分别标有“1 A 4 W”和“2 A 1 W”字样,则它们的电阻之比是()A.2:1 B.16:1C.4:1 D.1:1622222211411124:PI R16R4R.,:1PRIRR 解析 由公式所以所以所以答案答案:B5.A B两电阻串联后接入电源,改变电源的电压,测得电阻A B的伏安特性曲线如图,则电阻RA RB和功率PA PB的关系是()A.RARB B.RAPB D.PAPB解析:由伏安特性曲线可知两电阻RARB;由于A B两电阻串联,通过A B的电流相等,根据P=I2R可知PAPB,故选BD.答案:BD6.如图所示,电路两端的电压U保持不变,电阻R1 R2 R3消耗的电功率一样
16、大,则电阻之比R1:R2:R3是()A.1:1:1B.4:1:1C.1:4:4D.1:2:2123232211231231233322231:PPP,RR,PI R,P2,22244PI R,RRC.RRRRRR解析 由题意可知可知由串联电路的功率分配规律即故 选项正确答案答案:C提升能力7.电饭锅工作时有两种状态,一种是锅内水烧开前的加热状态,另一种是锅内水烧开后的保温状态,如图所示是电饭锅电路原理示意图,S是用感温材料制造的开关,下列说法正确的是()A.其中R2是供加热用的电阻丝B.当开关S接通时电饭锅为加热状态,S断开时为保温状态212C.R,2:1RR要使在保温状态时的功率为加热状态的
17、一半应为122(21):1D.R,RR要使在保温状态时的功率为加热状态的一半应为22112122222:S,R,S,R,R,22,R,22:(21):A B,1PI R,.D.UUIIIRRRRR解析 由电路图可知当 闭合时 只有中有电流 当 断开时串联 所以断开时电路的电功率较小 而闭合时电路的功率较大 故是供加热用的电阻丝 故 选项正确 要使保温功率为加热功率的一半由可知电流应为则故 选项正确答案答案:ABD8.一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
18、机消耗的功率大于电炉的功率解析:由焦耳定律可知W=I2Rt,所以电炉放热和电动机放热相等,A正确;电炉消耗的电功小于电动机消耗的电功,即U1I1U2I2,故B D选项正确,C错误.答案:ABD9.一根电阻丝,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 JC.4 V,32 J D.8 V,32 J答案:D解析:由W=I2Rt=8 J相同时间内通过的电荷量为4 C时,电流I=2I,所以W=I2Rt=4I2Rt=32 J3284.WUVVq加在电阻丝上的电压10.某个家庭有“220 V 40
19、 W”的电烙铁一把,“220 V 100 W”的白炽电灯一只,“220 V 25 W”的白炽灯两只.“220 V 300 W”的电熨斗一只,若当地的电源电压为210 V,每个用电器平均每天使用2 h,每度电的价格是0.5元,则该家庭一个月(按30天计算)该交纳多少电费?解析:该家庭全部用电器的额定功率之和:P0=40 W+100 W+252 W+300 W=490 W由于实际电压比额定电压略低一些,所以把各用电器的电阻值看成是不变的.22200:P490W446W,(30)WP t0.446 30 2kW h26.76kW h.26.76 0.513.38(21022).0UPRUPU 由得
20、实际功率一个月天 实际消耗的电能所以一个月需交纳电费元答案答案:13.88:13.88元元11.一台电风扇,内阻为20,接上220 V的电源,消耗的功率是66 W,求:(1)电风扇正常工作时通过电动机的电流强度;(2)如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,这时通过电动机的电流,以及电动消耗的电功率和发热功率.22:1,2,PI R1120W2420WP66,0.3.220220P24110022 W.PPUI IAAUUIAAR 热解析电风扇正常工作时电风扇被卡住以后 相当于纯电阻 此时答案答案:(1)0.3 A (2)2420 W 2420 W:(1)0.3 A (2)2420 W 2420
21、 W12.如图所示,已知UAB=6 V,当滑动变阻器触头P位于正中位置时,额定电压为3 V的灯泡正常发光,当触头滑至最左端时,电灯实际功率为2 W,求此灯泡额定功率和变阻器的总电阻.解析:当触头P位于正中位置时,由于灯与变阻器两端电压相等,所以灯的电阻RL与变阻器电阻R相等,当触头P位于最左端时,变阻器电阻R=2R=2RL,由串联电路的特点可知,变阻器消耗功率P=2PL=22 W=4 W 2222L241641PI R:R4,R2.34.P.52LPIAAUPIUWWR 额额由得 答案答案:4.5 W 4 13.某一直流电动机提升重物的装置如图,重物质量m=50 kg,电源电压U=110 V,不计电源的内阻及各处摩擦,当电动机以v=0.90 m/s的恒定速度向上提升重物时,电阻中的电流I=5 A,由此可知电动机线圈的电阻R为多少?解析:电动机消耗的电能一部分用于提升重物的机械能,一部分消耗在电动机线圈电阻发热上P电=P机+P热,其中P电=UIP机=mgv,P热=I2R则UI=mgv+I2R24.4IUmgvRI答案答案:4.4 :4.4
