2019高考物理 考前复习利器之静电场和电路 专题5 直流电路 电功和电热、焦耳定律、电阻定律.doc
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1、1电功和电热、焦耳定律、电阻定律电功和电热、焦耳定律、电阻定律【学习目标学习目标】 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. 4理解电功、电功率以及焦耳热的计算公式,能够熟练地运用其进行计算;明确不同 的电路中能的转化情况,能够区分电功和焦耳热的不同、电功率和热功率的不同。5在非纯电阻电路中能的转化,电功和电热的区别以及一些功率的意义(如电源的总 功率,发热功率,额定功率,实际功率等) 。6明确导体电阻的决定因素,能够从实验和理论的两个方面理解电阻定律,能够熟练 地运
2、用电阻定律进行计算。【要点梳理要点梳理】 知识点一、电功和电功率知识点一、电功和电功率 1 1电功电功 (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qIt.电场力移动电荷做的功WqU.t时间内电流做功WqUUIt.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 间成正比注意:电功WUIt适用于任何电路在纯电阻电路中,由于UIR,所以在纯电阻电路中的电功可表示为2 2UWUItI RttR.(3)单位:在国际单位中功的单位
3、是焦耳,符号为J,常见的电功单位还有:千瓦时(kW h ) ,也称“度” ,61=1kW h 3.6 10 J . (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 2电功率电功率 (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 (2)公式:计算电功率的普适公式为2WPt和P UI,对于纯电阻电路,计算电功率还可以用公式2PI R和2UPR.(3)单位:在国际单位制中的单位是瓦,符号为W,常用的还有千瓦(kW) , 1kW=1000W. (4)意义:电功率表示电流做功的快慢
4、用电器的额定功率和实际功率:额定功率:用电器长期正常工作时的最大功率,也就是用电器加上额定电压(或通 以额定电流)时消耗的电功率。实际功率:用电器的实际工作时消耗的电功率。要点诠释:要点诠释:为了使用电器不被烧毁,要求实际功率不能大于其额定功率。知识点二、焦耳定律知识点二、焦耳定律1 1焦耳定律:焦耳定律: (1)1841 年,英国物理学家焦耳发现载流导体中产生的热量Q(称为焦耳热)与电流I 的平方、导体的电阻R、通电时间t成正比,这个规律叫焦耳定律。2QI Rt.焦耳定律是一个实验定律。它的适用范围很广,纯电阻电路、非纯电阻电路在计算电 热时都用到它。 (2)热功率:单位时间内导体的发热功率
5、叫做热功率热功率等于通电导体中电流I的 二次方与导体电阻R的乘积 2QPI Rt.(3)电功率与热功率 对纯电阻电路,电功率等于热功率 即: 2UII R.3此时,可得 UIR,所以纯电阻电路也可以说是欧姆定律成立的电路 对非纯电阻电路,电功率等于热功率与转化为除热能外其他形式的功率之和 即: 2UII R.此时,可得UIR ,所以,对非纯电阻电路欧姆定律不成立. 2 2电热电热(1)电热:由于导体的电阻,使电流通过导体时消耗的电能中转化为内能的那一部分 能量叫电热。(2)内容:电流通过导体时产生的热量等于电流的平方、导体的电阻和通电时间的乘 积。(3)公式:2QI Rt.(4)适用对象凡是要
6、计算电热,都应首选2QI Rt,可求任何电路中电流I通过电阻R时所产生的热量。3 3热功率的意义及计算热功率的意义及计算(1)热功率:单位时间内发热的功率叫作热功率。热功率即电能转化为内能的功率,即2QPI Rt.(2)热功率计算当电路不是纯电阻电路时,电功用WUIt来计算,电热Q只能用2QI Rt进行计算,电功率用P UI计算,热功率只能用2PI R 热计算。知识点三、电功和电热的比较知识点三、电功和电热的比较对任何电路,电流做的功恒为WUIt;电流产生的热恒为2QI Rt.1在纯电阻电路中,由于UIR,因此2 2UUItI RttR,即电流做的功全部转化为电热 2在非纯电阻电路(像含有电动
7、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2UItI Rt,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2=+UItI Rt E其他例如,一台电动机,额定电压是110V,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3=5.5 10 JWUIt,而每秒钟电流产生的热为423=1.0 10 JQ I Rt,可见,电功W比电热Q大得多其中3=4.5 10 JWQ为每秒钟产生的机械能知识点四、电路中电功率和热功率的计算方法知识点四、电路中电功率和热功率的计算方法 1 1注
8、意区别注意区别 “负载负载” “负荷负荷”与与“电阻电阻” “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“220V,60 W与220V,100 W”的两个灯泡,后者的功率大但电阻却较小 2 2注意区别纯电阻电路与一般电路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2 2UPPUII RR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它形式的能(如机械能、 化学能等) ,这种电路叫非纯电阻电路,如电动机
9、、电解槽的电路等。对非纯电阻的电路有:2PUII R电,此时UIR或UIR,决不能乱套用公式。要点诠释:要点诠释:对非纯电阻电路计算电功率只能用PUI电,计算热功率只能用2PI R热.知识点五、电动机工作过程的能量转化知识点五、电动机工作过程的能量转化1 1电流做功的过程,是电能转化为其他形式能量的过程电流做功的过程,是电能转化为其他形式能量的过程电动机把电能转化为机械能;电解槽把电能转化为化学能;电热器把电能转化为热 能 在真空中,电场力对电荷做正功时,减少的电势能转化为电荷的动能;在金属导体中,在 电场力作用下做加速运动的自由电子频繁地与离子碰撞,把定向移动的动能传给离子,使 离子热运动加
10、剧,将电能完全转化为内能2.2.电动机的总功率(输入功率):电动机的总功率(输入功率):总=PUI总. .3.3.电动机的热功率电动机的热功率 2PI r热. .4.4.电动机的输出功率(机械功率):电动机的输出功率(机械功率):2=PUII r. .55.5.电动机的效率:电动机的效率:2 100%=100%(1) 100%PUII rIr PUIU总. .要点诠释:要点诠释:注意区分电动机的几种功率,从能量守恒角度去分析和考虑电动机问题。知识点六、电阻定义及意义知识点六、电阻定义及意义 1 1导体电阻的定义及单位导体电阻的定义及单位导体对电流的阻碍作用叫做导体的电阻,导体的电阻与导体本身性
11、质有关,与电压、 电流均无关。(1)定义:导体两端的电压与通过导体的电流大小之比叫导体的电阻。(2)公式:URI.(3)单位:欧姆() ,常用单位还有千欧(k) 、兆欧(M) 361M=10 k=10 2 2物理意义物理意义反映导体对电流阻碍作用的大小。要点诠释:要点诠释:导体对电流的阻碍作用,是由于自由电荷在导体中做定向运动时,跟导体中的金属 正离子或原子相碰撞发生的。电流流经导体时,导体两端出现电压降,同时将电能转化为内能。URI提供了测量电阻大小的方法,但导体对电流的这种阻碍作用是由导体本身性质决定的,与所加的电压,通过的电流均无关系,决不能错误地认为“导体的电阻与导体 两端的电压成正比
12、,与电流成反比。 ”对URI,因U与I成正比,所以URI.知识点七、电阻定律知识点七、电阻定律1 1电阻定律的内容及适用对象电阻定律的内容及适用对象(1)内容:同种材料制成的导体,其电阻R与它的长度l成正比,与它的横截面积 S成反比;导体电阻与构成它的材料有关。6(2)公式:lRS.要点诠释:要点诠释:式中l是沿电流方向导体的长度,S是垂直电流方向的横截面积,是材料的电阻率。(3)适用条件:温度一定,粗细均匀的金属导体或浓度均匀的电解质溶液。要点诠释:要点诠释:电阻定律是通过大量实验得出的规律,是电阻的决定式。导体的电阻反映了导体阻碍电流的性质,由导体本身的因素决定。2 2电阻率的意义及特性电
13、阻率的意义及特性(1)物理意义:电阻率是一个反映导体导电性能的物理量,是导体材料本身的属 性,与导体的形状、大小无关。(2)大小:RS l.要点诠释:要点诠释:各种材料的电阻率在数值上等于用该材料制成的长度为1m,横截面积为21m的导体的电阻。(3)单位是欧姆米,符号为 m.(4)电阻率与温度的关系:各种材料的电阻率都随温度的变化而变化。金属的电阻率随温度升高而增大,可用于制造电阻温度计。有些合金如锰铜、镍铜的电阻率几乎不受温度变化的影响,可用来制作标准电阻。各种金属中,银的电阻率最小,其次是铜、铝,合金的电阻率大于组成它的任何一 种纯金属的电阻率。【典型例题典型例题】类型一、纯电阻电路功率分
14、配与计算类型一、纯电阻电路功率分配与计算 例 1.电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器,它们一般具有加热和保温功能,其工作原理大致相同如图所示为某种电热式电器的简化电路图,主要元件有电阻丝1R、2R和自动开关S7(1)当自动开关S闭合和断开时,用电器分别处于什么工作状态?(2)用电器由照明电路供电220VU ,设加热时用电器的电功率为400W,保温时用电器的电功率为40W,则1R和2R分别为多大?【答案】(1)S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态.(2)121,1089.【解析】(1)由于是纯电阻电路,当开关S闭合时,2R被短路,电路中只有1R,此时电器消耗的电功率为21 1UPR,S
15、断开时,22 12UPRR,故S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态.(2)S闭合时,由21 1UPR得221 1220=121400URP.S断开时,1R和2R串联,由22 12UPRR得2221 2220121 =108940URRP.8【总结升华】在纯电阻电路中,2UPIUI RR均适用,可以根据电路的连接情况灵活选择公式此题的难点是知道开关断开与闭合时电路的连接情况举一反三:举一反三:【变式 1】有两个标有“110V,25W”和“110V,60W”字样的灯泡,要把它们接在220V的电源上,灯泡即能正常发光,又能省电的连接方式应是图中的哪个? 【答案】D【变式 2】把“220V100W”
16、的A灯和“220V200W”的B灯串联起来接到 220V的电路中,导线的电阻不计,则两灯( )A电阻之比:2:1ABRR B电压之比为:1:2ABUU C功率之比为:2:1ABP P D电热之比为:2:1ABQQ 【答案】ACD类型二、识别纯电阻与非纯电阻电路类型二、识别纯电阻与非纯电阻电路例 2.一台电风扇的额定功率是60W,内阻为2,当它接在220V的电压下正常运转, 求:(1)电风扇正常运转时,通过它的电流多大?每秒有多少电能转化为机械能?(2)若接上电源后,电风扇因故不能转动,这时通过它的电流多大?电风扇实际消耗的电功率多大?此时可能会发生什么问题?【答案】(1)0.27A;59.85
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