2017年高中物理 第3章 恒定电流 第3讲 焦耳定律学案 鲁科版选修3-1

第3讲焦耳定律目标定位1.知道并理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系.3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别一、电能1电功(1)自由电荷在电场力的作用下定向运动而形成电流，电场力对自由电荷做的功，称为电功(2)公式：如果电路两端的电压是U，电流为I，在时间t内电流做的功WUIt2电功率：单位时间内电流所做的功就叫做电功率用公式表示为：PIU，单位：瓦特(W)想一想电流做功越多，电功率越大吗？答案不一定，电功率是指电流单位时间内做的功，电流做功多，由于时间不确定，所以电功率不一定大二、焦耳定律1焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比这就是焦耳定律用公式表示：QI2Rt.2在只含电阻的纯电阻电路中：由UIR，可推得Qt.想一想电风扇、电冰箱消耗的电能等于I2Rt吗？电冰箱消耗的电能转化成什么形式的能量了？答案不等于；电风扇、电冰箱消耗电能没有全部转化为热能，有大部分转化为了机械能，小部分转化为了电热三、身边的电热1电流热效应的应用如电热水器、电饭锅、电刻笔、电焊等都是利用电流的热效应工作的2电流热效应的危害如果插头和插座之间接触不良会迸出火花在输电线路中由于电热，降低电能的传输效率，电流过大，散热不好，还会烧坏电线的绝缘层，引起漏电、触电一、电功和电功率电热和热功率1电功和电功率(1)电功：WIUt.电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少量适用于任何电路(2)电功率：PIU，反映了电流做功的快慢适用于任何电路2电热和热功率(1)焦耳定律：电热的计算公式为QI2Rt(2)热功率的计算公式为P热I2R.例1有分别标有“220V、100W”、“220V、60W”的两个灯泡(1)把它们并联接到220V的电源上，实际功率各是多少？哪个灯泡更亮？(2)把它们串联接到220V的电源上，实际功率各是多少？哪个灯泡更亮？答案(1)P1100W，P260W,100W的灯泡更亮(2)P114.1W，P223.4W,60W的灯泡更亮解析由P得100W的灯泡电阻R1484，60W的灯泡电阻R2807.(1)当并联接入220V电源时，两灯泡两端电压均为220V，则灯泡均正常发光，故P1100W，P260W，100W的灯泡更亮(2)当串联接入220V电源时，IAA.所以100W灯泡的实际功率P1I2R114.1W60W灯泡的实际功率P2I2R223.4W，则60W的灯泡更亮针对训练一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36W与36V若把此灯泡接到输出电压为18V的电源两端，则灯泡消耗的电功率()A等于36WB小于36W，大于9WC等于9WD小于9W答案B解析白炽灯在正常工作时的电阻为R，由P变形得R36，当接入18V电压时，假设灯泡的电阻也为36，则它消耗的功率为PW9W，但是当灯泡两端接入18V电压时，它的发热功率小，灯丝的温度较正常工作时的温度低，其电阻率小，所以其电阻要小于36，其实际功率要大于9W，故选项B正确二、纯电阻电路和非纯电阻电路纯电阻电路非纯电阻电路能量转化情况电功和电热的关系WQ即IUtI2RttWQE其他UItI2RtE其他tE其他电功率和热功率的关系PP热，即IUI2RPP热其他即IUtI2RP其他欧姆定律是否成立UIRI成立UIRI不成立例2下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是()A电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多BWUIt适用于任何电路，而WI2Rtt只适用于纯电阻电路C在非纯电阻电路中，UII2RD焦耳热QI2Rt适用于任何电路答案BCD解析电功率公式P，表示电功率越大，电流做功越快对于一段电路，有PIU，I，焦耳热Q()2Rt，可见Q与P、U、t都有关，所以P越大，Q不一定越大，A错WUIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I只适用于纯电阻电路，B对在非纯电阻电路中，电流做的功焦耳热其他形式的能，所以WQ，即UII2R，C对QI2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对例3一台电风扇，内阻为20，接上220V的电压后正常工作，消耗的功率为66W求：(1)电风扇正常工作时通过风扇电动机的电流；(2)电风扇工作时，电动机发热功率，转化为机械能的功率及电机的效率；(3)若接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，此时通过电动机的电流多大？电动机消耗的电功率和发热功率各是多大？答案(1)0.3A(2)1.8W64.2W97.3%(3)11A2420W2420W解析(1)由PUI可得，电流I0.3A；(2)线圈电阻发热功率PQI2r1.8W；机械功率P机PPQ64.2W；效率为机械功率与总功率之比为97.3%.(3)当叶片不转动时，作纯电阻，I11A; PUII2r2420W.借题发挥(1)在纯电阻电路中，由于电功与电热相等，因此公式UIt、I2Rt、t既可计算电功，也可计算电热(2)在非纯电阻电路中，只能用UIt计算电功，用I2Rt计算电热，t无意义(3)通过电功(或电热)计算电流或电压电功电功率电热热功率1一台电动机，额定电压为100V，电阻为1.正常工作时，通过的电流为5A，则电动机因发热损失的功率为()A500WB25WC1000WD475W答案B解析电动机的热功率PI2r521W25W，B正确，A、C、D错误2通过电阻R的电流为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流为，则在时间t内产生的热量为()A4QB2QC.D.答案C解析根据QI2Rt得，电阻变为原来的2倍，电流变为原来的，时间不变，则热量变为原来的，C正确3电功率的计算公式P中，U是加在用电器上的电压，R是用电器的电阻，此式可用于()A计算电冰箱的功率B计算电风扇的功率C计算电烙铁的功率D计算洗衣机的功率答案C解析公式P是根据功率公式和欧姆定律推导出来的，只能用在纯电阻电路中，故C正确，A、B、D错误非纯电阻电路的特点及有关计算4如图1所示是一直流电动机工作时的电路图电动机内阻r0.8，电路中另一电阻R10，直流电压U160V，电压表示数UV110V试求：图1(1)通过电动机的电流；(2)输入电动机的电功率；(3)电动机输出的机械功率答案(1)5A(2)550W(3)530W解析(1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压URUUV(160110) V50V通过电阻R的电流IRA5A即通过电动机的电流IMIR5A.(2)电动机的分压UMUV110V输入电动机的功率P入IMUM550W.(3)电动机的发热功率P热Ir20W电动机输出的机械功率P出P入P热530W.题组一对电功和电功率电热和热功率的理解1关于电功，下列说法中正确的有()A电功的实质是静电力所做的功B电功是电能转化为其他形式能的量度C静电力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大D电流通过电动机时的电功率和热功率相等答案AB2关于四个公式PUI；PI2R；P；P，下列叙述正确的是()A公式适用于任何电路的电功率的计算B公式适用于任何电路的热功率的计算C公式适用于任何电路电功率的计算D以上均不正确答案AB解析PUI、P适用于任何电路的电功率的计算，而PI2R、P只适用于纯电阻电路的电功率的计算，故A正确，C错误PI2R适用于任何电路的热功率的计算，PUI、P只适用于纯电阻电路的热功率的计算，故B正确3两个精制电阻，用锰铜电阻丝绕制而成，电阻上分别标有“10010W”和“2040W”，则它们的额定电流之比为()A.5B.20C.10D12000答案C解析由公式PI2R得：I，所以I1I210.4额定电压、额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯，各自在额定电压下正常工作了相同的时间比较它们产生的热量，结果是()A电风扇最多B电烙铁最多C日光灯最多D一样多答案B解析在三种用电器中，只有电烙铁能将电能全部转化为内能，电风扇部分电能转化为机械能，日光灯部分电能转化为光能，故B选项正确5两盏额定功率相同的灯泡A和B，其额定电压UAUB，则下列说法正确的是()A两灯正常发光时，灯泡的电流强度IAIBB两灯电阻RARBC将两灯串联后接入电路中发光时，则灯泡的功率PAPBD将两灯并联后接入电路中发光时，则灯泡的功率PAPB答案D解析由PUI可知额定电流IARB.两灯串联后，由串联电路的功率分配关系可知PR，所以PAPB；两灯并联后，由并联电路的功率分配关系可知P，所以PAIR，放热QI2Rt，消耗功率PUII2R.7有一内阻为4.4的电解槽和一盏标有“110V60W”的灯泡串联后接在电压为220V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120WB电解槽消耗的电功率为60WC电解槽的发热功率为60WD电路消耗的总功率为60W答案B解析灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110V电压，且流过电解槽的电流II灯AA，则电解槽消耗的电功率PIUP灯60W，A选项错误，B选项正确；电解槽的发热功率P热I2r1.3W，C选项错误；电路消耗的总功率P总IU总220W120W，D选项错误8如图1所示，直流电动机线圈的电阻为R，当该电动机正常工作时，电动机两端电压为U，通过电动机的电流为I，则()图1A电动机内部发热功率为I2RB电动机的机械功率为IUC电动机的总功率为IUD电动机机械功率为IUI2R答案ACD9如图2所示，电阻R120，电动机的绕线的电阻R210.当开关打开时，电流表的示数是0.5A，当开关合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率应是 ()图2AI1.5ABI1.5ACP15WDP15W答案BD解析电路两端的电压为：UI1R10.5A2010V电动机是非纯电阻用电器，UI2IR2，所以I21A电流表的示数II1I21.5A，A错误、B正确电路总功率为PU(I1I2)15W，C错误、D正确10一台电动机内阻为1，接到120V的电源上当电动机工作时，电流为10A，问：(1)电动机输入功率是多少；(2)电动机发热功率是多少；(3)输出的机械功率是多少答案(1)1200W(2)100W(3)1100W解析(1)电动机的输入功率P电UI12010W1200W.(2)电动机的发热功率P热I2r1021W100W.(3)输出的机械功率P机P电P热1200W100W1100W.题组三综合应用11如图3所示的电路中，电炉电阻R10，电动机线圈的电阻r1，电路两端电压U100V，电流表的示数为30A，问通过电动机的电流为多少？通电一分钟，电动机做的有用功为多少？图3答案20A9.6104J解析题图中的两个支路分别为纯电阻电路(电炉)和非纯电阻电路(电动机)在纯电阻电路中可运用欧姆定律I直接求出电流，而非纯电阻电路中的电流强度只能运用干路和支路中电流强度的关系求出在非纯电阻电路中，电功大于电热，两者的差值才是有用功根据欧姆定律，通过电炉的电流强度为I1A10A.根据并联电路中的干路电流和支路电流的关系，则通过电动机的电流为I230AI120A.电动机的总功率为PUI210020W2103W.因发热而损耗的功率为PIr0.4103W电动机的有用功率(机械功率)为PPP1.6103W，电动机通电1min做的有用功为WPt1.610360J9.6104J.12规格为“220V36W”的排气扇，线圈电阻为40，求：(1)接上220V的电源后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上(1)中电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率答案(1)35W1W(2)1210W1210W解析(1)排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为IA0.16A发热功率为P热I2R(0.16)240W1W转化为机械能的功率为P机PP热(361) W35W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机所在电路成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为IA5.5A电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：P电P热UI2205.5W1210W.13表中是一辆电动自行车说明书上的一些技术参数，根据表中提供的信息，探究以下问题：规格后轮驱动直流电机车型26电动自行车额定输出功率120W整车质量30kg额定电压40V最大载重120kg额定电流3.5A(1)在额定电压下工作时，该电机的内阻是多少，其效率为多大；(2)假设行驶过程中所受阻力是车和人总重的0.02倍，在最大载重量的情况下，人骑车行驶的最大速度为多大(g取10m/s2)答案(1)1.6385.7%(2)4m/s解析(1)由题目提供的表可知，电机的输出功率为P出120W，额定电压为U040V，额定电流为I03.5A电机正常工作时输入功率为P入U0I0403.5W140W所以电机的效率为100%100%85.7%设电机的内阻为r，则由欧姆定律知P入P出Ir解得r1.63.(2)设车的质量为m，人的质量为M，由题意知，行驶时所受阻力为F阻k(Mm)g当达到最大速度vmax时，应用P出F阻vmax解得vmax4m/s.10