電能、能量守恒定律(必修三第十二章，總結(jié)筆記)

2023-05-07 14:57 作者:syr56 0人讀過 | 我要投稿

1.電路中的能量轉(zhuǎn)化；2.閉合電路的歐姆定律；3.實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量；4.能源和可持續(xù)發(fā)展

1. 電路中的能量轉(zhuǎn)化

（1）電功和電功率（electric power）

電功：指電路中靜電力對定向移動的電荷所做的功，電流做功的過程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程。

電功計算式： $W%3DUIt$ 。單位：焦耳，符號：J。常用單位：千瓦時(kW·h)，也稱“度”， $1kW%5Ccdot%20h%3D3.6%5Ctimes%2010%5E6%20J$ 。

電功率：電流在一段電路中所做的功與通電時間之比。

電功率計算公式： $P%3D%5Cfrac%7BW%7D%7Bt%7D%3DUI$ 。單位：瓦特(W)。

電功率意義：表示電流做功的快慢。

【串、并聯(lián)電路的功率分配關(guān)系】

①串聯(lián)電路中各個電阻的電功率跟它的阻值成正比，即 $%5Cfrac%7BP_1%7D%7BR_1%7D%3D%5Cfrac%7BP_2%7D%7BR_2%7D%3D...%3D%5Cfrac%7BP_n%7D%7BR_n%7D%3DI%5E2$ 。

②并聯(lián)電路中各個電阻的電功率跟它的阻值成反比，即 $P_1R_1%3DP_2R_2%3D...%3DP_nR_n%3DU%5E2$ 。

③無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，電路消耗的總功率均等于電路中各電阻消耗的功率之和。

【額定功率和實際功率】

額定功率：用電器正常工作時所消耗的功率。當(dāng)用電器兩端電壓達到額定電壓 $U_%7B%E9%A2%9D%7D$ 時，電流達到額定電流 $I_%7B%E9%A2%9D%7D$ ，電功率也達到額定功率 $P_%7B%E9%A2%9D%7D$ ，且 $P_%7B%E9%A2%9D%7D%3DU_%7B%E9%A2%9D%7DI_%7B%E9%A2%9D%7D$ 。

實際功率：用電器在實際工作時消耗的電功率。為了使用電器不被燒毀，要求實際功率不能大于其額定功率。

（2）焦耳定律(Joule's law)

內(nèi)容：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時間成正比。

計算公式： $Q%3DI%5E2Rt$

熱功率：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量。表達式： $P_%7B%E7%83%AD%7D%3DI%5E2R$ 。

熱功率物理意義：表示電流發(fā)熱快慢的物理量。

（3）電路中的能量轉(zhuǎn)化

從能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度看，電動機從電源獲得能量，一部分轉(zhuǎn)化為機械能，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即 $P_%7B%E7%94%B5%7D%3DP_%7B%E6%9C%BA%7D%2BP_%7B%E6%8D%9F%7D$ ，其中 $P_%7B%E7%94%B5%7D%3DUI%2C%20P_%7B%E6%8D%9F%7D%3DI%5E2R$ 。

【純電阻電路與非純電阻電路】

①純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。

②非純電阻電路：含有電動機或電解槽等的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中，電流做功將電能除了部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機械能或化學(xué)能等其他形式的能。例如電動機 $P_%7B%E6%80%BB%7D%3DP_%7B%E5%87%BA%7D%2BP_%7B%E7%83%AD%7D$ 。

純電阻電路與非純電阻電路的比較

2. 閉合電路的歐姆定律

（1）電動勢

靜電力：帶電體之間通過電場相互作用的力。

非靜電力：指除靜電力外能對電荷移動起作用的力。

非靜電力的來源：①在化學(xué)電池(干電池、蓄電池)中，非靜電力是化學(xué)作用，它使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電勢能。②在發(fā)電機中，非靜電力是電磁作用，它使機械能轉(zhuǎn)化為電勢能。

非靜電力的作用：把正電荷從負極搬運到正極，同時在該過程中非靜電力做功，使電荷的電勢能增加。

電源：通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置。在電源內(nèi)部，非靜電力做正功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能，在電源外部，靜電力做正功，電勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

電動勢：電源內(nèi)部，非靜電力把正電荷從負極移到正極所做的功W與被移送電荷量q的比值。

電動勢定義式： $W%3DUIt$ 。單位：伏特(V)。E的大小與W和q無關(guān)，是由電源自身的性質(zhì)決定的，不同種類的電源電動勢大小不同。

電動勢意義：反映電源非靜電力做功本領(lǐng)大小的物理量，是表征電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)大小的物理量，即非靜電力移送相同電荷量的電荷做功越多，則電動勢越大。電動勢在數(shù)值上等于非靜電力把1 C的正電荷在電源內(nèi)從負極移送到正極所做的功。

電動勢決定因素：由電源中非靜電力的特性決定，跟電源的體積無關(guān)，跟外電路無關(guān)。

【靜電力與非靜電力做功的比較】

非靜電力只存在于電源內(nèi)部，因此非靜電力只在電源內(nèi)部對電荷做功。通過非靜電力做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。

靜電力存在于整個閉合電路上，所以在電路中任何部位靜電力都要做功。靜電力做功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

（2）閉合電路歐姆定律及其能量分析

【閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化】

時間t內(nèi)電源輸出的電能(等于非靜電力做功的大小)為 $W%3DEq%3DEIt$ 。

時間t內(nèi)外電路產(chǎn)生的內(nèi)能為 $Q_%7B%E5%A4%96%7D%3DI%5E2Rt$ 。內(nèi)電路產(chǎn)生的內(nèi)能為 $Q_%7B%E5%86%85%7D%3DI%5E2rt$ 。

根據(jù)能量守恒定律，在純電阻電路中應(yīng)有 $W%3DQ_%7B%E5%A4%96%7D%2BQ_%7B%E5%86%85%7D$ ，即 $EIt%3DI%5E2Rt%2BI%5E2rt$ 。

【閉合電路的歐姆定律】

內(nèi)容：閉合電路的電流跟電源的電動勢成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比。

表達式： $I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BR%2Br%7D$ 。只適用于外電路為純電阻的閉合電路。

另一種表達形式： $U_%7B%E5%A4%96%7D%3DE-Ir%2C%20E%3DU_%7B%E5%A4%96%7D%2BU_%7B%E5%86%85%7D$ 。即：電源的電動勢等于內(nèi)、外電路電勢降落之和。適用于任意的閉合電路。

【內(nèi)、外電路中的電勢變化】

如下圖所示，外電路中電流由電源正極流向負極，沿電流方向電勢降低，內(nèi)電路中電流由電源負極流向正極，沿電流方向電勢升高。

（3）路端電壓與負載的關(guān)系

路端電壓的表達式： $U%3DE-Ir$ 。

【路端電壓隨外電阻的變化規(guī)律】

①當(dāng)外電阻R增大時，由 $I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BR%2Br%7D$ 可知電流I減小，路端電壓 $U%3DE-Ir$ 增大。

②當(dāng)外電阻R減小時，由 $I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BR%2Br%7D$ 可知電流增大，路端電壓 $U%3DE-Ir$ 減小。

③兩種特殊情況：當(dāng)外電路斷開時，電流I變?yōu)?， $W%3DUIt$ U=E。即斷路時的路端電壓等于電源電動勢。當(dāng)電源短路時，外電阻 $R%3D0$ ，此時 $I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7Br%7D$ 。

電源的U-I圖像：如下圖所示是一條傾斜的直線，圖像中U軸截距E表示電源電動勢， $I$ 軸截距 $I_0$ 等于短路電流(縱、橫坐標(biāo)都從零開始)，斜率的絕對值表示電源的內(nèi)阻。

3. 實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量

（1）實驗思路

【伏安法】

由 $E%3DU%2BIr$ 知，只要測出U、I的兩組數(shù)據(jù)，就可以列出兩個關(guān)于E、r的方程，從而解出E、r，用到的器材有電池、開關(guān)、滑動變阻器、電壓表、電流表，電路圖如下圖所示。

【伏阻法】

由 $E%3DU%2B%5Cfrac%7BU%7D%7BR%7Dr$ 知，如果能得到的U、R兩組數(shù)據(jù)，列出關(guān)于的E、r兩個方程，就能解出，E、r用到的器材是電池、開關(guān)、電阻箱、電壓表，電路圖如下圖所示。

【安阻法】

由 $E%3DIR%2BIr$ 可知，只要能得到的I、R兩組數(shù)據(jù)，列出關(guān)于的E、r兩個方程，就能解出E、r，用到的器材有電池、開關(guān)、電阻箱、電流表，電路圖如下圖所示。

（2）實驗步驟及數(shù)據(jù)分析（以伏安法為例）

【實驗步驟】

①電流表用0～0.6 A量程，電壓表用0～3 V量程，按實驗原理圖連接好電路。

②把滑動變阻器的滑片移到一端，使其接入電路中的阻值最大。

③閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電流表有明顯的示數(shù)，記錄一組數(shù)據(jù)( $I_1$ 、 $U_1$ )．用同樣的方法測量幾組 $I$ 、 $U$ 值。

④斷開開關(guān)，整理好器材．

⑤處理數(shù)據(jù)，用公式法或圖像法求出電池的電動勢和內(nèi)阻．

【數(shù)據(jù)分析】

①公式法

依次記錄的多組數(shù)據(jù)(一般6組)如表所示：

分別將1、4組，2、5組，3、6組聯(lián)立方程組解出 $E_1%E3%80%81r_1%EF%BC%8CE_2%E3%80%81r_2%EF%BC%8CE_3%E3%80%81r_3$ ，求出它們的平均值作為測量結(jié)果。

$E%3D%5Cfrac%7BE_1%2BE_2%2BE_3%7D%7B3%7D%EF%BC%8Cr%3D%5Cfrac%7Br_1%2Br_2%2Br_3%7D%7B3%7D$ 。

②圖像法

根據(jù)多次測出的 $U$ 、 $I$ 值，作 $U-I$ 圖像；

將圖線兩側(cè)延長，縱軸截距的數(shù)值就是電池電動勢E；

橫軸截距(路端電壓 $U%3D0$ )的數(shù)值就是短路電流 $%5Cfrac%7BE%7D%7Br%7D$ ；

圖線斜率的絕對值等于電池的內(nèi)阻 $r$ ，即 $r%3D%7C%5Cfrac%7B%5CDelta%20U%7D%7B%5CDelta%20I%7D%7C%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BI_%7B%E7%9F%AD%7D%7D$ ，如下圖所示。

①為使電池的路端電壓有明顯變化，應(yīng)選取內(nèi)阻較大的舊干電池和內(nèi)阻較大的電壓表。

②實驗中不能將電流調(diào)得過大，且讀數(shù)要快，讀完后立即切斷電源，防止干電池大電流放電時內(nèi)阻r的明顯變化。

③當(dāng)干電池的路端電壓變化不很明顯時，作圖像時，縱軸單位可取得小一些，且縱軸起點可不從零開始。

如下圖所示，此時圖線與縱軸交點仍為電池的電動勢E，但圖線與橫軸交點不再是短路電流，內(nèi)阻要在直線上取較遠的兩點用 $r%3D%7C%5Cfrac%7B%5CDelta%20U%7D%7B%5CDelta%20I%7D%7C$ 求出。

④誤差分析

偶然誤差：主要來源于電壓表和電流表的讀數(shù)以及作U-I圖像時描點不準(zhǔn)確．

系統(tǒng)誤差：主要原因是電壓表的分流作用，使得電流表上讀出的數(shù)值比流過電源的電流偏小一些。U越大，電流表的讀數(shù)與總電流的偏差就越大，將測量結(jié)果與真實情況在U-I坐標(biāo)系中表示出來，如下圖所示，可見 $E_%7B%E6%B5%8B%7D%5Cleq%20E_%7B%E7%9C%9F%7D%2C%20r_%7B%E6%B5%8B%7D%5Cleq%20r_%7B%E7%9C%9F%7D$ 。

（4）伏阻法測電動勢和內(nèi)阻

根據(jù)圖4所示電路，利用公式 $E%3DU%2B%5Cfrac%7BU%7D%7BR%7Dr$ ，進行求解。

①計算法：由 $E%3DU_1%2B%5Cfrac%7BU_1%7D%7BR_1%7Dr$ 和 $E%3DU_2%2B%5Cfrac%7BU_2%7D%7BR_2%7Dr$ ，解方程組求得E和r。

②圖像法：由 $E%3DU%2B%5Cfrac%7BU%7D%7BR%7Dr$ 得： $%5Cfrac%7B1%7D%7BU%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BE%7D%2B%5Cfrac%7Br%7D%7BE%7D%5Ccdot%20%5Cfrac%7B1%7D%7BR%7D$ 。故 $%5Cfrac%7B1%7D%7BU%7D-%5Cfrac%7B1%7D%7BR%7D$ 圖像的斜率 $k%3D%5Cfrac%7Br%7D%7BE%7D$ ，縱軸截距為 $%5Cfrac%7B1%7D%7BE%7D$ 。如下圖所示

（5）安阻法測電動勢和內(nèi)阻

根據(jù)圖5所示電路，利用公式 $E%3DIR%2BIr$ ，進行求解。

①計算法：由 $E%3DI_1R_1%2BI_1r$ 和 $E%3DI_2R_2%2BI_2r$ ，解方程組求得E和r。

②圖像法：由 $E%3DI(R%2Br)$ 得： $%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BE%7DR%2B%5Cfrac%7Br%7D%7BE%7D$ ，可作 $%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D-R$ 圖像，如下圖甲所示。 $%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D-R$ 圖像斜率 $k%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BE%7D$ ，縱軸截距為 $%5Cfrac%7Br%7D%7BE%7D$ 。 $R%3DE%5Ccdot%20%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D-r$ ，可作 $R-%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D$ 圖像(如圖乙)， $R-%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D$ 圖像的斜率 $k%3DE$ ，縱軸截距為 $-r$ 。

4. 能源和可持續(xù)發(fā)展

（1）能量守恒定律(law of energy conservation)

能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。

（2）能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性

能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的。

能量耗散：燃料燃燒時一旦把熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用．電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過燈泡轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們很難把這些散失的能量收集起來重新利用。

能量品質(zhì)降低：能量耗散雖然不會導(dǎo)致能量總量的減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，從便于利用的能源變成不便于利用的能源。

能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。

表達式： $E_%7B%E5%88%9D%7D%3DE_%7B%E6%9C%AB%7D$ (初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和)

? ? ? ? ? ? ?或 $%5CDelta%20E_%7B%E5%A2%9E%7D%3D%5CDelta%20E_%7B%E5%87%8F%7D$ (某些能量的增加量等于其他能量的減少量)

【應(yīng)用步驟】

①明確研究對象及研究過程；

②明確該過程中，哪些形式的能量在變化；

③確定參與轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少；

④列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)。

（3）能源的分類與應(yīng)用

地球上的絕大部分能源來源于太陽的輻射能

可再生能源：在自然界中可以再生的能源，如：水能、風(fēng)能、潮汐能等。

不可再生能源：自然界中無法在短時間內(nèi)再生的能源，如：煤炭、石油、天然氣等。

我國在能源的開發(fā)利用方面，有以下幾種發(fā)電方式：太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、核能發(fā)電。

（4）能源與社會發(fā)展

人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期、石油時期。

能源的重要性：能源是社會存在與發(fā)展永遠不可或缺的必需品，是國民經(jīng)濟運動的物質(zhì)基礎(chǔ)，它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會的三大支柱。

人類社會可持續(xù)發(fā)展的核心是追求發(fā)展與資源、環(huán)境的平衡。人類要樹立新的能源安全觀，轉(zhuǎn)變能源的供需模式：既要提倡節(jié)能，又要發(fā)展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等清潔能源。

【能源和環(huán)境污染】

①溫室效應(yīng)：石油、煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，由于二氧化碳對長波的輻射有強烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一樣，只準(zhǔn)太陽光的熱輻射進來，不讓室內(nèi)長波熱輻射出去，使地球氣溫上升，這種效應(yīng)叫溫室效應(yīng)。

溫室效應(yīng)造成的影響：溫室效應(yīng)使兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒沿海城市，使海水倒流入河流，從而使耕地鹽堿化；溫室效應(yīng)使全球降水量變化，影響氣候和植被變化，影響人體健康。

②酸雨：酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大氣降水。形成酸雨的主要原因是燃燒煤炭和石油，以及工業(yè)生產(chǎn)等釋放到大氣中的二氧化硫等物質(zhì)使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蝕建筑物、酸化土壤。

③光化學(xué)煙霧：內(nèi)燃機工作時的高溫使空氣和燃料中的多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮的氧化物和碳氫化合物。這些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產(chǎn)生二次污染物質(zhì)——光化學(xué)煙霧。這些物質(zhì)有毒，能引起人的多種疾病。

另外，常規(guī)能源燃燒時產(chǎn)生的浮塵也是一種污染物。

本章思維導(dǎo)圖

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