焦耳定律新人教版高中物理选修

5焦耳定律一、电功和电功率1.电功(1)电功是指电路中静电力对定向移动的电荷所做的功，电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程.(2)电功的计算公式：W＝IUt.单位：焦耳，符号为J.常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h＝3.6×106 J.2.电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功.(2)公式：P＝Wt＝UI.(3)单位：瓦，符号：W.(4)意义：表示电流做功的快慢.二、焦耳定律1.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：Q＝I2Rt.2.热功率(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率.(2)表达式：P＝I2R.3.纯电阻电路与非纯电阻电路(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.(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.在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为机械能或化学能.(3)电功和电热的计算公式比较电功和电功率W ＝UIt ＝I 2Rt ＝U 2R tP 电＝UI ＝I 2R ＝U2R W ＝UIt P 电＝UI电热和热功率Q ＝I 2Rt ＝UIt ＝U 2R tP 热＝I 2R ＝UI ＝U 2RQ ＝I 2Rt P 热＝I 2R 电功和电热关系 W ＝Q W ＝Q ＋E 其他＞Q 电功率和热功率关系 P 电＝P 热 P 电＝P 热＋P 其他＞P 热 欧姆定律是否适用I ＝UR ，适用U ＞IR ，不适用(1)W ＝UIt 是电功的计算式，P 电＝UI 是电功率的计算式，适用于任何电路. Q ＝I 2Rt 是电热的计算式，可以计算任何电路中电流I 通过电阻R 时在t 时间内产生的热量，P 热＝I 2R 是热功率的计算式，可以计算任何电路的热功率.(2)只有在纯电阻电路中才有W ＝Q ，P 电＝P 热而在非纯电阻电路中W ＞Q ，P 电＞P 热. (3)在纯电阻电路中，由UIt ＝I 2Rt 得I ＝UR ，即欧姆定律成立；在非纯电阻电路中UIt ＞I 2Rt 知U ＞IR ，即欧姆定律不成立.5.电动机的功率和效率(1)电动机的输入功率指电动机消耗的总功率：P 入＝UI . (2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P 热＝I 2r .(3)电动机的输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，P 出＝IU －I 2r . (4)电动机的效率：η＝P 出P 入＝IU －I 2rIU .1 规格为“220 V 36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，求： (1)接上220 V 的电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率. 2 如图所示，有一内电阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V 的直流电路两端，灯泡正常发光，则( )A.电解槽消耗的电功率为120 WB.电解槽的发热功率为60 WC.电解槽消耗的电功率为60 WD.电路消耗的总功率为60 W3如图所示，A为电解槽，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，电解槽内阻r A＝2 Ω，当S1闭合、S2断开时，电流表的示数为6 A；当S2闭合、S1断开时，电流表的示数为4 A，求：(电流表内阻不计)(1)电炉子的电阻及发热功率各多大？(2)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？4有一个小型直流电动机，把它接入电压为U 1＝0.2 V的电路中时，电动机不转，测得流过电动机的电流是I1＝0.4 A；若把电动机接入U2＝2.0 V的电路中，电动机正常工作，工作电流是I2＝1.0 A，求：(1)电动机正常工作时的输出功率多大？(2)如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率是多大？5如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为r＝1 Ω，电动机两端的电压为5 V，电路中的电流为1 A，物体A重20 N，不计摩擦力，求：(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率；(2)电动机输入功率和输出功率；(3)10 s内，可以把重物A匀速提升的高度；(4)这台电动机的机械效率.5焦耳定律1答案(1)35 W 1 W(2)1 210 W 1 210 W解析(1)排气扇在220 V的电压下正常工作时的电流为I＝PU＝36220A≈0.16 A发热功率为P热＝I2R＝(0.16)2×40 W≈1 W转化为机械能的功率为P机＝P－P热＝(36－1) W＝35 W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为I′＝UR＝22040A＝5.5 A电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W.2答案 C解析灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且干路电流I＝I灯＝611A，则电解槽消耗的电功率P＝P灯＝60 W，A错，C对；电解槽的发热功率P热＝I2R内≈1.3 W，B错误；整个电路消耗的总功率P总＝220×611W＝120 W，D错. 3答案(1)2 Ω72 W(2)16 W解析(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律得I1＝UR，则R＝UI1＝12 V6 A＝2 Ω，其发热功率为：P R＝UI1＝12×6 W＝72 W.(2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为：P热＝I22r A＝42×2 W＝32 W，总功率为：P 总＝UI2＝12×4 W＝48 W，故电能转化为化学能的功率为：P化＝P总－P热＝(48－32) W＝16 W.4答案(1)1.5 W(2)8 W解析(1)U1＝0.2 V时，电动机不转，此时电动机为纯电阻，故电动机线圈内阻r＝U1I1＝0.20.4Ω＝0.5 Ω，U2＝2.0 V时，电动机正常工作.此时电动机为非纯电阻，则由电功率与热功率各自的定义式，得P电＝U2I2＝2.0×1.0 W＝2 W.P热＝I22r＝1.02×0.5 W＝0.5 W.所以由能量守恒定律可得电动机的输出功率P出＝P电－P热＝2 W－0.5 W＝1.5 W.(2)此时若电动机转子突然被卡住，则电动机又为纯电阻，其热功率P热′＝U22r＝2.020.5W＝8 W.5答案(1)1 W(2)5 W 4 W(3)2 m(4)80%解析(1)根据焦耳定律，热功率P热＝I2r＝12×1 W＝1 W.(2)电动机输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积P入＝IU＝1×5 W＝5 W，输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率P出＝P入－P热＝5 W－1 W＝4 W.(3)电动机输出的功率用来提升重物转化为机械能，在10 s内P出t＝mgh.解得h＝P出t mg＝4×1020m＝2 m.(4)机械效率η＝P出P入×100%＝80%.。

焦耳定律★新课标要求（一）知识与技能1、理解电功的概念，知道电功是指电场力对自由电荷所做的功，理解电功的公式，能进行有关的计算。

2、理解电功率的概念和公式，能进行有关的计算。

3、知道电功率和热功率的区别和联系。

（二）过程与方法通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养学生的分析、推理能力。

（三）情感、态度与价值观通过电能与其他形式能量的转化和守恒，进一步渗透辩证唯物主义观点的教育。

★教学重点电功、电功率的概念、公式；焦耳定律、电热功率的概念、公式。

★教学难点电功率和热功率的区别和联系。

★教学方法等效法、类比法、比较法、实验法★教学用具：灯泡（36 V，18 W）、电压表、电流表、电源、滑动变阻器、电键、导线若干、投影仪、投影片、玩具小电机★教学过程（一）引入新课教师：用电器通电后，可以将电能转化成其他形式的能量，请同学们列举生活中常用的用电器，并说明其能量的转化情况。

学生：（1）电灯把电能转化成内能和光能；（2）电炉把电能转化成内能；（3）电动机把电能转化成机械能；（4）电解槽把电能转化成化学能。

教师：用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程。

电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢？本节课我们学习关于电功和电功率的知识。

（二）进行新课1、电功和电功率教师：请同学们思考下列问题（1）电场力的功的定义式是什么?（2）电流的定义式是什么?学生：（1）电场力的功的定义式W=qU（2）电流的定义式I=t q教师：投影教材图2.5-1（如图所示）如图所示，一段电路两端的电压为U ，由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在，电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流I ，在时间t内通过这段电路上任一横截面的电荷量q 是多少?学生：在时间t 内，通过这段电路上任一横截面的电荷量q=It 。

教师：这相当于在时间t 内将这些电荷q 由这段电路的一端移到另一端。

在这个过程中，电场力做了多少功？学生：在这一过程中，电场力做的功W=qU=IUt教师：在这段电路中电场力所做的功，也就是通常所说的电流所做的功，简称电功。