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电能、能量守恒定律(必修三第十二章,总结笔记)

2023-05-07 14:57 作者:syr56  | 我要投稿

1.电路中的能量转化;2.闭合电路的欧姆定律;3.实验:电池电动势和内阻的测量;4.能源和可持续发展

1. 电路中的能量转化

(1)电功和电功率(electric power)

电功: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。

电功计算式:W%3DUIt。单位:焦耳,符号:J。常用单位:千瓦时(kW·h),也称“度”,1kW%5Ccdot%20h%3D3.6%5Ctimes%2010%5E6%20J

电功率:电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。

电功率计算公式:P%3D%5Cfrac%7BW%7D%7Bt%7D%3DUI。单位:瓦特(W)。

电功率意义:表示电流做功的快慢。

【串、并联电路的功率分配关系】

①串联电路中各个电阻的电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并联电路中各个电阻的电功率跟它的阻值成反比,即P_1R_1%3DP_2R_2%3D...%3DP_nR_n%3DU%5E2

③无论是串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率均等于电路中各电阻消耗的功率之和。

【额定功率和实际功率】

额定功率:用电器正常工作时所消耗的功率。当用电器两端电压达到额定电压U_%7B%E9%A2%9D%7D时,电流达到额定电流I_%7B%E9%A2%9D%7D,电功率也达到额定功率P_%7B%E9%A2%9D%7D,且P_%7B%E9%A2%9D%7D%3DU_%7B%E9%A2%9D%7DI_%7B%E9%A2%9D%7D

实际功率:用电器在实际工作时消耗的电功率。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。

(2)焦耳定律(Joule's law)

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。

计算公式:Q%3DI%5E2Rt

热功率:单位时间内的发热量。表达式:P_%7B%E7%83%AD%7D%3DI%5E2R

热功率物理意义:表示电流发热快慢的物理量。

(3)电路中的能量转化

从能量转化与守恒的角度看,电动机从电源获得能量,一部分转化为机械能,还有一部分转化为内能,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

【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等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中,电流做功将电能除了部分转化为内能外,还转化为机械能或化学能等其他形式的能。例如电动机P_%7B%E6%80%BB%7D%3DP_%7B%E5%87%BA%7D%2BP_%7B%E7%83%AD%7D

纯电阻电路与非纯电阻电路的比较

表1

2. 闭合电路的欧姆定律

(1)电动势

静电力:带电体之间通过电场相互作用的力。

非静电力:指除静电力外能对电荷移动起作用的力。

非静电力的来源:①在化学电池(干电池、蓄电池)中,非静电力是化学作用,它使化学能转化为电势能。②在发电机中,非静电力是电磁作用,它使机械能转化为电势能。

非静电力的作用:把正电荷从负极搬运到正极,同时在该过程中非静电力做功,使电荷的电势能增加。

电源:通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。在电源内部,非静电力做正功,其他形式的能转化为电势能,在电源外部,静电力做正功,电势能转化为其他形式的能。

电动势:电源内部,非静电力把正电荷从负极移到正极所做的功W与被移送电荷量q的比值。

电动势定义式:W%3DUIt。单位:伏特(V)。E的大小与W和q无关,是由电源自身的性质决定的,不同种类的电源电动势大小不同。

电动势意义:反映电源非静电力做功本领大小的物理量,是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量,即非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多,则电动势越大。电动势在数值上等于非静电力把1 C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。

电动势决定因素:由电源中非静电力的特性决定,跟电源的体积无关,跟外电路无关。

【静电力与非静电力做功的比较】

非静电力只存在于电源内部,因此非静电力只在电源内部对电荷做功。通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能。

静电力存在于整个闭合电路上,所以在电路中任何部位静电力都要做功。静电力做功将电能转化为其他形式的能。

(2)闭合电路欧姆定律及其能量分析

【闭合电路中的能量转化】

时间t内电源输出的电能(等于非静电力做功的大小)为W%3DEq%3DEIt

时间t内外电路产生的内能为Q_%7B%E5%A4%96%7D%3DI%5E2Rt。内电路产生的内能为Q_%7B%E5%86%85%7D%3DI%5E2rt

根据能量守恒定律,在纯电阻电路中应有W%3DQ_%7B%E5%A4%96%7D%2BQ_%7B%E5%86%85%7D,即EIt%3DI%5E2Rt%2BI%5E2rt

【闭合电路的欧姆定律】

内容:闭合电路的电流跟电源的电动势成正比,跟内、外电路的电阻之和成反比。

表达式:I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BR%2Br%7D。只适用于外电路为纯电阻的闭合电路。

另一种表达形式:U_%7B%E5%A4%96%7D%3DE-Ir%2C%20E%3DU_%7B%E5%A4%96%7D%2BU_%7B%E5%86%85%7D。即:电源的电动势等于内、外电路电势降落之和。适用于任意的闭合电路。

【内、外电路中的电势变化】

如下图所示,外电路中电流由电源正极流向负极,沿电流方向电势降低,内电路中电流由电源负极流向正极,沿电流方向电势升高。

图1

(3)路端电压与负载的关系

路端电压的表达式:U%3DE-Ir

【路端电压随外电阻的变化规律】

①当外电阻R增大时,由I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BR%2Br%7D可知电流I减小,路端电压U%3DE-Ir增大。

②当外电阻R减小时,由I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7BR%2Br%7D可知电流增大,路端电压U%3DE-Ir减小。

③两种特殊情况:当外电路断开时,电流I变为0,W%3DUItU=E。即断路时的路端电压等于电源电动势。当电源短路时,外电阻R%3D0,此时I%3D%5Cfrac%7BE%7D%7Br%7D

电源的U-I图像:如下图所示是一条倾斜的直线,图像中U轴截距E表示电源电动势,I轴截距I_0等于短路电流(纵、横坐标都从零开始),斜率的绝对值表示电源的内阻。

图2

3. 实验:电池电动势和内阻的测量

(1)实验思路

【伏安法】

E%3DU%2BIr知,只要测出U、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r,用到的器材有电池、开关、滑动变阻器、电压表、电流表,电路图如下图所示。

图3

【伏阻法】

E%3DU%2B%5Cfrac%7BU%7D%7BR%7Dr知,如果能得到的U、R两组数据,列出关于的E、r两个方程,就能解出,E、r用到的器材是电池、开关、电阻箱、电压表,电路图如下图所示。

图4

【安阻法】

E%3DIR%2BIr可知,只要能得到的I、R两组数据,列出关于的E、r两个方程,就能解出E、r,用到的器材有电池、开关、电阻箱、电流表,电路图如下图所示。

图5

(2)实验步骤及数据分析(以伏安法为例)

【实验步骤】

①电流表用0~0.6 A量程,电压表用0~3 V量程,按实验原理图连接好电路。

②把滑动变阻器的滑片移到一端,使其接入电路中的阻值最大。

③闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I_1U_1).用同样的方法测量几组IU值。

④断开开关,整理好器材.

⑤处理数据,用公式法或图像法求出电池的电动势和内阻.

【数据分析】

①公式法

依次记录的多组数据(一般6组)如表所示:

表2

分别将1、4组,2、5组,3、6组联立方程组解出E_1%E3%80%81r_1%EF%BC%8CE_2%E3%80%81r_2%EF%BC%8CE_3%E3%80%81r_3,求出它们的平均值作为测量结果。

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图像法

根据多次测出的UI值,作U-I图像;

将图线两侧延长,纵轴截距的数值就是电池电动势E;

横轴截距(路端电压U%3D0)的数值就是短路电流%5Cfrac%7BE%7D%7Br%7D

图线斜率的绝对值等于电池的内阻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,如下图所示。

图6

①为使电池的路端电压有明显变化,应选取内阻较大的旧干电池和内阻较大的电压表。

②实验中不能将电流调得过大,且读数要快,读完后立即切断电源,防止干电池大电流放电时内阻r的明显变化。

③当干电池的路端电压变化不很明显时,作图像时,纵轴单位可取得小一些,且纵轴起点可不从零开始。

如下图所示,此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E,但图线与横轴交点不再是短路电流,内阻要在直线上取较远的两点用r%3D%7C%5Cfrac%7B%5CDelta%20U%7D%7B%5CDelta%20I%7D%7C求出。

图7

④误差分析

偶然误差:主要来源于电压表和电流表的读数以及作U-I图像时描点不准确.

系统误差:主要原因是电压表的分流作用,使得电流表上读出的数值比流过电源的电流偏小一些。U越大,电流表的读数与总电流的偏差就越大,将测量结果与真实情况在U-I坐标系中表示出来,如下图所示,可见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

图8

(4)伏阻法测电动势和内阻

根据图4所示电路,利用公式E%3DU%2B%5Cfrac%7BU%7D%7BR%7Dr,进行求解。

①计算法:由E%3DU_1%2B%5Cfrac%7BU_1%7D%7BR_1%7DrE%3DU_2%2B%5Cfrac%7BU_2%7D%7BR_2%7Dr,解方程组求得Er

②图像法: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图像的斜率k%3D%5Cfrac%7Br%7D%7BE%7D,纵轴截距为%5Cfrac%7B1%7D%7BE%7D。如下图所示

图9

(5)安阻法测电动势和内阻

根据图5所示电路,利用公式E%3DIR%2BIr,进行求解。

①计算法:由E%3DI_1R_1%2BI_1rE%3DI_2R_2%2BI_2r,解方程组求得Er

②图像法: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图像,如下图甲所示。%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D-R图像斜率k%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BE%7D,纵轴截距为%5Cfrac%7Br%7D%7BE%7DR%3DE%5Ccdot%20%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D-r,可作R-%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D图像(如图乙),R-%5Cfrac%7B1%7D%7BI%7D图像的斜率k%3DE,纵轴截距为-r

图10

4. 能源和可持续发展

(1)能量守恒定律(law of energy conservation)

能量守恒定律:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。

(2)能量转移或转化的方向性

能量转移或转化的方向性:一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

能量耗散:燃料燃烧时一旦把热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用.电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化成内能和光能,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能,我们很难把这些散失的能量收集起来重新利用。

能量品质降低:能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,从便于利用的能源变成不便于利用的能源。

能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。

表达式:E_%7B%E5%88%9D%7D%3DE_%7B%E6%9C%AB%7D(初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和)

             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减少量)

【应用步骤】

①明确研究对象及研究过程;

②明确该过程中,哪些形式的能量在变化;

③确定参与转化的能量中,哪些能量增加,哪些能量减少;

④列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。

(3)能源的分类与应用

地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能

图11

可再生能源:在自然界中可以再生的能源,如:水能、风能、潮汐能等。

不可再生能源:自然界中无法在短时间内再生的能源,如:煤炭、石油、天然气等。

我国在能源的开发利用方面,有以下几种发电方式:太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电。

(4)能源与社会发展

人类对能源的利用大致经历了三个时期,即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。

能源的重要性:能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品,是国民经济运动的物质基础,它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。

人类社会可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡。人类要树立新的能源安全观,转变能源的供需模式:既要提倡节能,又要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等清洁能源。

【能源和环境污染】

①温室效应:石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量,由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用,且像暖房的玻璃一样,只准太阳光的热辐射进来,不让室内长波热辐射出去,使地球气温上升,这种效应叫温室效应。

温室效应造成的影响:温室效应使两极的冰雪融化,海平面上升,淹没沿海城市,使海水倒流入河流,从而使耕地盐碱化;温室效应使全球降水量变化,影响气候和植被变化,影响人体健康。

②酸雨:酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油,以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高,形成“酸雨”,腐蚀建筑物、酸化土壤。

③光化学烟雾:内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应,产生氮的氧化物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射,产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒,能引起人的多种疾病。

另外,常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物。

本章思维导图

图12 思维导图


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