2018-2019学年高中物理 第二章 恒定电流 第5节 焦耳定律学案 新人教版选修3-1

第5节焦耳定律1理解电功的概念，掌握电功和电功率的计算公式2搞清电功率和热功率的区别和联系3理解焦耳定律，掌握焦耳定律的应用4理解纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量转化一、电功和电功率1电功(1)定义：电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I和通电时间t三者的乘积(2)公式：WIUt(3)国际单位：焦，符号为J(4)意义：电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，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是电能转化为其他形式的能的量度2电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功(2)公式：PIU(3)单位：瓦，符号为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)公式：QI2Rt(3)适用范围：任何电路2热功率(1)定义：单位时间内产生的电热(2)公式：PI2R 判一判(1)电功是指电流通过一段电路所做的功，实质是静电力在这段电路中所做的功，其表达式为WUIt()(2)电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电流做了多少功，表明就有多少电能转化为其他形式的能()(3)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率，实际功率有时可以大于其额定功率()(4)焦耳定律的表达式为QI2Rt，此式适用于任何电路()(5)三个公式PUI、PI2R、P没有任何区别，它们表达相同的意义，所以P即是电功率()提示：(1)(2)(3)(4)(5) 想一想在任何情况下，都可以用公式QI2Rt来求电热吗？提示：焦耳定律表达式QI2Rt是个普遍式，适用于任何情况下求电热 做一做(多选)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适用于任何电路提示：选BCD由电功率公式P可知，电功率越大，表示电流做功越快对于一段电路，有PUI，I，焦耳热QRt，可见Q与P、t都有关所以，P越大，Q不一定越大，选项A错误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，选项B正确在非纯电阻电路中，电流所做的功等于焦耳热与其他形式的能之和，所以WQ，即UII2R，选项C正确QI2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，选项D正确纯电阻电路中功率的计算1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I2(2)并联电路中各个电阻的电功率跟它的阻值成反比，即P1R1P2R2PnRnU2(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2额定功率和实际功率(1)用电器正常工作时所消耗的功率叫做额定功率当用电器两端电压达到额定电压U额时，电流达到额定电流I额，电功率也达到额定功率P额，且P额U额I额(2)用电器的实际功率是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3在纯电阻电路中，PUII2R，此类题目主要考查串、并联电路的特点以及公式PUI、P和PI2R的灵活选择及应用【题组过关】1有额定电压都是110 V，额定功率PA100 W，PB40 W的电灯两盏，若接在电压是220 V的电路上，两盏电灯均能正常发光，那么电路中消耗功率最小的电路是图中的哪一个()解析：选C由P和已知条件可知，RARB对于A电路，由于RA110 V，B灯被烧毁，两灯不能正常发光对于B电路，由于RAU并，B灯烧毁对于C电路，由于B灯与变阻器的并联电阻可能等于RA，所以可能UAUB110 V，两灯可以正常发光对于D电路，若变阻器的有效电阻等于A、B并联电阻，则UAUB110 V，两灯可以正常发光比较C、D两个电路，由于C电路中变阻器功率为(IAIB)110 V，而D电路中变阻器功率为(IAIB)110 V，所以C电路消耗的电功率最小2A、B为“220 V，100 W”的两盏相同的灯泡，C、D为“220 V，40 W”的两盏相同灯泡”，A、B灯的电阻为_；C、D电阻为_现将四盏灯泡接成如图所示电路，并将两端接入电路，各灯实际功率分别为PA、PB、PC、PD，则实际功率的大小顺序是_解析：根据R得：RARB 484 ，RCRD 1 210 ；由电路图可知，B、C并联，所以电压相等，根据P可知：PBPC，A、D串联，电流相等，根据PI2R可知，PDPA；A、D的电流大于B、C的电流，根据PI2R可知：PAPB，PDPC，所以PDPAPBPC答案：4841 210PDPAPBPC非纯电阻电路的功率计算在非纯电阻电路中，要注意区别电功和电热，并应用能量守恒定律解决问题(1)电热QI2Rt(2)电功WUIt(3)对电动机来说，能量守恒公式为UItE机I2Rt或UIP机I2R，其中E机、P机为电动机输出的机械能和机械功率 命题视角1电动机功率的计算如图所示的电路中，电炉电阻R10 ，电动机线圈的电阻r1 ，电路两端的电压U100 V，电流表的示数为30 A，问通过电动机的电流为多少？通电1 min，电动机做的有用功为多少？思路点拨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只能运用干路和支路中电流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，通过电炉的电流为I1 A10 A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I230 AI120 A电动机的总功率为PUI210020 W2103 W因电动机发热而损耗的功率为PIr400 W，电动机的有用功率(机械功率)为PPP16103 W，电动机通电1 min做的有用功为WPt1610360 J96104 J答案20 A96104 J 命题视角2电动机中与力学综合问题的分析如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图电动机内电阻r08 ，电路中另一电阻R10 直流电压U160 V，电压表示数UV110 V(1)求通过电动机的电流；(2)求输入电动机的电功率；(3)若电动机以v1 m/s的速度匀速竖直向上提升重物，则该重物的质量为多少？(g取10 m/s2)解析(1)由电路中的电压关系可得电阻R两端的电压URUUV(160110)V50 V流过电阻R的电流IR A5 A即通过电动机的电流IMIR5 A(2)电动机两端的电压UMUV110 V输入电动机的功率P电IMUM550 W(3)电动机的发热功率P热Ir20 W电动机输出的机械功率P出P电P热530 W又P出mgv，所以m53 kg答案(1)5 A(2)550 W(3)53 kg解决电动机问题的一般方法(1)电动机两端的电压UM、通过的电流IM的求解是关键，但由于不是纯电阻电路不满足欧姆定律，UM、IM都是利用电路规律间接求解的(2)对电动机而言，求电功率用P电IMUM，求热功率用P热Ir，求输出机械功率用P出P电P热(3)电动机输出的机械功率还可用P出F牵v 【题组突破】1(2018娄星区测试)一个直流电动机所加电压为U，电流为I，线圈内阻为R，当它工作时，下列说法中错误的是()A电动机的输入功率为IUB电动机的发热功率为I2RC电动机的输出功率为IUI2RD电动机的功率可写为IUI2R解析：选D电动机的总功率为PUI，故A正确；电动机的发热功率，根据焦耳定律：P热I2R，故B正确；电动机的输出功率为：P出PP热UII2R，故C正确；因为PP热，即UII2R，UIR，欧姆定律不适用，故UII2R，故D错误2微型吸尘器的直流电动机的内阻一定，把它接入电压为U102 V的电路时，电动机不转，测得此时流过电动机的电流是I104 A；若把电动机接入电压为U220 V的电路中，电动机正常工作，工作电流是I210 A，求：(1)电动机线圈的电阻R；(2)电动机正常工作时的输出功率及吸尘器的效率；(3)如果电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机此时的发热功率(设此时线圈未被烧坏)解析：(1)电动机不转时，设线圈电阻为R，则R 05 (2)电动机正常工作时消耗的功率为PU2I22010 W20 W电动机正常工作时线圈电阻损耗的功率为P损IR10205 W05 W电动机正常工作时的输出功率为P出PP损(2005)W15 W电动机正常工作时吸尘器的效率为100%100%75%(3)电动机转子被卡住时，电功全部转化为电热P热 W8 W答案：(1)05 (2)15 W75%(3)8 W随堂检测 1(多选)马路上的“微公交”是用蓄电池对车上的电动机供电，电动机为车提供动力若车上蓄电池输出电压为48 V，电池容量为120 Ah，电动机额定电压为48 V，额定功率为12 kW，则()A电动机在额定电压下工作时，额定电流为25 AB蓄电池充满电时能储存5 760 J的能C蓄电池充满电后最多能供电动机正常工作48 hD电动机在额定电压下工作1 h，流过的电荷量为432105 C解析：选AC由PUI知，电动机在额定电压下的额定电流为I25 A，选项A正确；蓄电池储存的电能最多为EUQ207107 J，选项B错误；最长工作时间T17 250 s48 h，选项C正确；电动机在额定电压下工作1 h，流过的电荷量qIt253 600 C9104 C，选项D错误2如表为某电热水壶铭牌上的一部分内容，根据表中的信息，可计算出电热水壶在额定电压下以额定功率工作时的电流约为()型号DF938额定功率900 W额定电压220 V额定容量12 LA68 AB41 AC12 A D024 A解析：选B由铭牌读出电热水壶额定功率为P900 W，额定电压为U220 V；由PUI得，通过电热水壶额定电流为：I A41 A3如图所示的电路中，电源的输出电压恒为U，电动机M的线圈电阻与电炉L的电阻相同，电动机正常工作，在相同的时间内，下列判断正确的是()A电炉放出的热量大于电动机放出的热量B电炉两端电压小于电动机两端电压C电炉两端电压等于电动机两端电压D电动机消耗的功率等于电炉消耗的功率解析：选B电动机M与电炉L串联，电流相等，电阻相等，根据焦耳定律QI2Rt可知，在相同的时间内，电炉放出的热量与电动机放出的热量相等，故A错误设电动机M线圈电阻与电炉L的电阻均为R，电路中电流为I，根据欧姆定律得：电炉两端的电压ULIR，电动机是非纯电阻电路，其电压UMIR，则有UMUL，所以电炉两端电压小于电动机两端电压，故B正确，C错误电动机消耗的功率PMUMI，电炉消耗的功率PLULI，UMUL，则PMPL，即电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率，故D错误4一台电风扇的额定功率是60 W，内阻为2 ，当把它接在220 V的电压下时可以正常运转(1)求电风扇正常运转时，通过它的电流多大？每秒钟有多少电能转化为机械能？(2)若接上电源后，电风扇因故不能转动，这时通过它的电流多大？电风扇实际消耗的电功率多大？此时可能会发生什么问题？解析：(1)电风扇正常运转，消耗的功率为额定功率PUI，所以I A027 A，由能量守恒定律得WQE，PtI2RtE，所以EPtI2Rt5985 J(2)电风扇不转动时，相当于纯电阻，由欧姆定律得UIR，所以I A110 A，实际消耗的电功率P W24 200 W由于电风扇实际消耗的电功率远大于其额定功率，且电能全部转化为内能，电风扇将被烧坏答案：(1)027 A5985 J(2)110 A24 200 W电风扇将被烧坏课时作业 学生用书P137(单独成册)一、单项选择题1某汽车发动机铭牌上标有“200 kW”的字样，其表示()A实际功率B瞬时功率C平均功率 D额定功率解析：选D汽车发动机铭牌上所标功率为汽车正常工作时的功率，即为额定功率2(2018淄博校级联考)如果家里的微波炉(1 000 W)、电视机(100 W)和洗衣机(400 W)平均每天都工作2 h，一个月(30天计)的用电量是()A10 kWh B20 kWhC45 kWh D90 kWh解析：选DP1 000 W100 W400 W1 500 W15 kW，故WPt15 kW2 h3090 kWh3如图所示的路灯为太阳能路灯，每只路灯的光伏电池板有效采光面积约03 m2晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3106 J如果每天等效日照时间约为6 h，光电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h光电池的光电转换效率约为()A48% B96%C16% D44%解析：选C路灯每天消耗的电能W有Pt3083 600 J864105 J，路灯每天接收的太阳能W总W0St3106036 J54106 J，效率16%，选项C正确4(2018宁波高二期中)粗细均匀的金属环上A、B、C、D四点把其周长四等分，如图所示，当A、B点接入电路中时，圆环消耗的电功率为P；当A、D点接入电路中时，电源内阻不计，圆环消耗的电功率为()A3P BCP D解析：选B设电源的电动势为E，金属环每一等份的电阻为R，则当A、B点接入电路中时总电阻R1R当A、D点接入电路中时总电阻R2R由功率公式P，UE得P2P1R1R243，又P1P，得P25如图所示，把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中，甲电路两端的电压为8 V，乙电路两端的电压为16 V调节变阻器R1和R2使两灯都正常发光，此时变阻器消耗的功率分别为P1和P2，两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，则下列关系中正确的是()AP甲P乙 BP甲P乙CP1P2 DP1P2解析：选D由灯都正常发光可知，R1中电流是R2中电流二倍，R1两端电压是R2两端电压的二分之一，两变阻器消耗的功率相等，两电路中消耗的总功率相等，选项D正确，A、B、C错误6(2018南宁高二检测)如图所示，有一内电阻为44 的电解槽和一盏标有“110 V60 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 W解析：选C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II灯 A，则电解槽消耗的功率PP灯IU60 W，C正确，A错误；电解槽的发热功率P热I2R内13 W，B错误；整个电路消耗的总功率P总220 W120 W，D错误7(2018普宁市校级月考)如图为A、B两灯泡的IU图象，把它们串联接在220 V的恒压电源上，根据图象，计算A、B两灯泡的实际功率分别约为()A484 W、22 W B22 W、484 WC50 W、170 W D5 W、17 W解析：选D两灯泡串联接在220 V的电压下，则可知两灯泡电流相等，且总电压为220 V，则由题图可知，电流约为01 A，A的电压为50 V，B的电压约为170 V，则由PUI可知，A的功率为5 W，B的功率为17 W二、多项选择题8(2018武汉高二检测)如图所示，电阻R120 ，电动机线圈的电阻R210 当开关断开时，电流表的示数是05 A，当开关闭合后，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P应是()AI15 A BI15 ACP15 W DP15 W解析：选BD电路两端的电压为：UI1R105 A20 10 V电动机是非纯电阻用电器，UI2IR2，所以I21 A电流表的示数II1I215 A，A错误，B正确电路总功率PU(I1I2)15 W，C错误，D正确9(2018山东日照一中月考)假设某同学研究白炽灯得到某白炽灯的伏安特性曲线如图所示图象上A点与原点连线与横轴成角，曲线在A点的切线与横轴成角，则()A白炽灯的电阻随电压的增大而减小B在A点，白炽灯的电阻可表示为tan C在A点，白炽灯的电功率可表示为U0I0D在A点，白炽灯的电阻可表示为解析：选CD白炽灯的电阻随电压的增大而增大，选项A错误；在A点，白炽灯的电阻可表示为，选项B错误，D正确；在A点，白炽灯的电功率可表示为U0I0，选项C正确10(2018南昌校级联考)如图所示是某型号电吹风的电路图，它主要由电动机M和电热丝R构成，已知电吹风的额定电压为220 V，吹冷风时的功率为120 W，吹热风时的功率为1 000 W，关于该电吹风，下列说法正确的是()A若S1、S2闭合，则电吹风吹冷风B电热丝的电阻为55 C电动机工作时输出的机械功率为880 WD当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为120 J解析：选BD若S1、S2闭合，电热丝接入，则此时电热丝发热，电吹风吹出的是热风，故A错误；电动机和电热丝并联，当吹热风时，电热丝消耗的功率为PP热P冷1 000 W120 W880 W，由P，可知R 55 ，故B正确；电动机工作时输出的功率为吹冷风时的功率，故只有120 W，故C错误；当吹热风时，电动机消耗的电功率仍为120 W，故每秒钟消耗的电能为120 J，故D正确三、非选择题11如图所示，A为电解槽，N为电炉子，恒定电压U12 V，电解槽内阻rA2 ，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：(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？解析：(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律I1，得R2 ，其发热功率为：PRUI1126 W72 W(2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为：P热IrA422 W32 W总功率为：P总UI2124 W48 W，故电能转化为化学能的功率为：P化P总P热(4832) W16 W答案：(1)2 72 W(2)16 W12(2018安溪县校级模拟)电动自行车作为一种重要的交通工具，越来越受到人们的喜爱，如表是一辆电动自行车的部分技术指标，其中额定车速是指电动车满载情况下在平直道路上以额定功率匀速行驶的速度额定车速载车质量载重电源电源输出电压充电时间额定输出功率电动机额定工作电压和电流18km/h40 kg80 kg36 V/12 Ah36 V68 h180 W36 V/6 A请参考表中数据，完成下列问题(g取10 m/s2)：(1)此车所配电动机的内阻是多少？(2)在行驶过程中电动车受阻力是车重(包括满载重)的k倍，试计算k的大小是多少？(3)若电动车满载时在平直道路上以额定功率行驶，且阻力大小恒定，当车速为3 m/s时，加速度为多少？解析：(1)从表中可知，输出功率P出180 W，输入功率P入UI366 W216 W由于内阻消耗的功率等于输入功率与输出功率的差：PrI2rP入P出所以：r 1 (2)车正常行驶时：P额Ffvmk(Mm)gvm所以：k003(3)又P额FvFk(Mm)g(Mm)a由代入数据得：a02 m/s2答案：(1)1 (2)003(3)02 m/s214