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能量守恒定律在电学中的应用
时间:2019-09-27
摘要：能量守恒定律是中学物理的重要定律之一, 广泛应用于力学、热血、电学等知识点中。在电学中, 能量守恒定律涵盖了每一个角落, 学生在学习电流、电压等知识时, 不可避免地会用到能量守恒定律。本文对能量守恒定律和电学做简要介绍, 并探讨前者在后者中的应用情况, 希望能对高中生的学习起到一定帮助。
关键词：能量守恒定律; 电学; 应用;
能量守恒定律是高中物理中普遍使用的定律, 需要学生对相关知识有全面的把握。学好能量守恒定律, 可以有效地将其套用到电学中去, 并让学生更好地理解电学相关知识。
1 电学中的能量守恒定律
能量守恒定律原本是热力学第一定律, 其内容是在一个孤立的系统中, 总能量保持不变。换一种表述方式, 即为一个系统的总能量的改变只能等于传入或传出该系统能量的多少。这里的总能量是指系统机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。
在电学中, 电压、电流和电阻都是非常抽象的概念, 不像力学中的力或者热学中的热量可以实际感知, 所以电学是中学物理中相对抽象的概念, 很多学生都在学习过程中遇到了困难。但是从能量守恒定律出发, 就能把抽象的电学概念从某种意义上转化为其他概念, 让学生能更好地对其进行理解[1]。例如在讲解电功时, 课本的定义是“电功即电能做功, 是导体中的恒定电场对自由点和的静电力做功。”这段定义对很多学生而言都是非常抽象的, 他们无法想象恒定电场、自由点与静电力是什么, 更不要说理解恒定电场对后者做功的含义了。但是通过对能量守恒定律研究, 可以发现系统要保持能量守恒, 那么所谓电流做功就是电能转化成其他形式能的过程。电流做功的多少就等于电能转化为其他形式的能量。这样相对简单得多的概念解释, 能让学生更容易理解与吸纳。
2 能量守恒定律在电学中的应用
在高中物理电学知识的学习中, 熟练掌握并应用能量守恒定律, 可以有效提高电学学习效率, 更方便地解决电学问题, 并培养学生从多个角度对问题进行分析的习惯。通过几个例子, 可以发现能量守恒定律在电学中的重要性:
例1:有4盏电灯, 如图1所示, 其中L1、L2规格为额定电压220V, 额定功率110W, L3、L4规格为额定电压220V, 额定功率40W。接通电路后, 最暗的是哪盏灯?
解析:电功率是指单位时间内电流所做的功, 而额定功率是指用电器正常工作, 即在额定电压下工作时所消耗的功率。当用电器两端电压达到额定电压U额时, 电流为I流, 此时额定电功率P额=U额.I额, 而由U=I.R可以得知P=I2R或P=U2/R。通过公式P=U2/R, 可以得知R1=R2=440?, R3=R4=1210?, 即R1=R2<R3=R4。所以在接通电路后, 由公式P=U2/R知P2>P3, 再通过公式P=I2R得知P1>P2, P4>P3。综合来看, P3最小, 所以L3是最暗的。
这是以电学公式的方法来进行解答, 过程比较复杂, 应用公式比较多。但通过质量守恒定律, 将电功率看做单位时间内电能转换为热能的能量大小, 就能更直观地分析。首先是L3和L4, 串联在同一电路中两电灯, 其电流相同, 因此其电能转换大小决定于感应电流对其的阻力, 阻力越大, 电能转换成热能的量越大, 故P4>P1。而L2和L3是并联且R2<R3, 则I2>I3, 在单位时间内, L2的电流更大, 感应电流阻力也更大, 其电能换成热能也更多, 即P2>P3。再看L1和L2, 二者克服感应电流阻力一样, 但I1>I2, 则单位时间内电能转换为其他形式能前者更大, 即P1>P2。综合看来, P3最小, 即L3最暗。
例2:一盏电灯的规格为额定电压220V, 额定功率100W且灯丝的电阻恒定不变。通过长导线, 将电灯连接到远处恒定电压为220V的电源上, 电灯的实际电功率为81W。请计算导线上的电功率损耗。
解析:通过公式P额=U额2, 算得R=484。再由公式P实=I实2.R, 可算出电灯工作时的实际电流为。因此由公式P总=U.I实, 算得P总=90W。那么导线上损耗的电功率为总功率与实际功率之差, 即为9W。
从上述两个例子可以看出, 能量守恒定律完全适用于电学, 并且以能量守恒定律进行电学习题求解时, 往往不需要复杂的公式演算, 更多的是要求学生对于相关概念的理解与掌握。以能量守恒定律看上述例题, 其关键就在于把电路的联结转换成了能量的分配, 从而能以分配的差异求得电功率的差异。只有完全掌握了能量守恒定律的内涵及其应用到电学中的方式, 才能以最基础的方式对各概念进行转换[3]。
3 结束语
电学作为中学物理重要的一个分支, 是中学生必须牢固掌握的知识点。然而电学概念及习题通常比较抽象, 许多学生对此无法准确理解, 常常造成概念模糊不清、解题思路不明的情况。将能量守恒定律引入到电学的学习中, 能有效帮助学生换个角度思考问题, 更形象地理解电学含义, 把电学问题简单化、清晰化。
参考文献
[1]李静.能量观的初中电学教学研究[D].苏州大学, 2013.
[2]孟宪彪.浅谈能量守恒定律在电学中的运用[J].中华少年, 2016, (32) :191-192.
[3]黄致睿.如何用能量守恒分析高中物理问题[J].科技与企业, 2016, (2) :191.
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