2017-2018学年高中物理 第二章 恒定电流 第6讲 焦耳定律学案 新人教版选修3-1

焦耳定律目标定位1.理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.2.理解电功与电热、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、电功和电功率1电功(1)定义：电流在一段电路中所做的功(2)定义式：WIUt.(3)单位：焦耳，符号：J.(4)实质：电能转化为其他形式的能(5)适用条件：任何电路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：瓦特，符号：W.(4)物理意义：表示电流做功的快慢(5)适用条件：任何电路深度思考(1)两个电阻串联，功率和电阻存在什么关系？(2)两个电阻并联，功率和电阻存在什么关系？答案(1)由PI2R知，串联电阻的功率与电阻成正比(2)由P知，并联电阻的功率与电阻成反比例1将两个定值电阻R1、R2并联在电压为U的电源两端，R1消耗的功率为P1，R2消耗的功率为3P1，当把它们串联在电压为4U的电源两端时，下列说法正确的是()AR1两端的电压为UBR2消耗的功率变小C通过R2的电流变小D两个电阻消耗的总功率为12P1解析当R1、R2并联在电压为U的电源两端时，两电阻两端的电压为U，根据PIU，功率之比等于电流之比，根据并联电路电流和电阻的关系，可知：R13R2；当把它们串联在电压为4U的电源两端时，电路中的电流I，故通过R2的电流不变，电压不变，所以R2的电功率不变，仍为3P1，故B、C错误；R1两端的电压U1IR13R23U，故A错误；两个电阻消耗的总功率PUI4U12P1，故D正确答案D例2A、B为“220V100W”的两盏相同的灯泡，C、D为“220V40W”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1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_图1解析由PIU和I，得R则：RARB484，RCRD1210；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，由PIU和UIR，得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4841210PDPAPBPC(1)额定功率：用电器正常工作时所消耗的功率，也是用电器两端电压为额定电压(或通过的电流为额定电流)时消耗的电功率.用电器铭牌上所标的功率即为额定功率.(2)实际功率：用电器实际工作时消耗的电功率.为了保证用电器不被损坏，要求实际功率不能大于其额定功率.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)表达式：QI2Rt.(3)适用条件：任何电路2热功率(1)定义：单位时间内的发热量(2)表达式：PI2R.(3)适用条件：任何电路3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其他电功率和热功率的关系PP热，即IUI2RPP热P其他即IUtI2RP其他欧姆定律是否成立UIRI成立UIRI不成立深度思考电风扇、电冰箱消耗的电能等于I2Rt吗？电风扇、电冰箱消耗的电能转化成什么形式的能量？答案不等于；电风扇、电冰箱消耗电能没有全部转化为热能，有大部分转化为机械能，小部分转化为电热例3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BWIUt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，IUI2RD焦耳热QI2Rt适用于任何电路解析电功率公式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WIUt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IUI2R，C对QI2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对答案BCD例4在研究微型电动机的性能时，可采用如图2所示的实验电路当调节滑动变阻器R，使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5A和1.0V；当重新调节R，使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为20A和15.0V则有关这台电动机正常运转时的说法正确的是()图2A电动机的内阻为7.5B电动机的内电阻发热功率为8.0WC电动机的输出功率为30WD电动机的效率约为27%解析当电流表和电压表的示数分别为0.5 A和1.0 V时，电动机停止工作，电路中只有电动机的内阻消耗电能，其阻值r 2.0 ，选项A错误；电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V，则电动机的内电阻发热功率，P热Ir2.022 W8.0 W，选项B正确；电动机的总功率P总U2I215.0 V2.0 A30.0 W，所以电动机的输出功率P输出P总P热30.0 W8.0 W22.0 W，选项C错误；电动机的效率100%73.3%，选项D错误答案B电动机的功率和效率电动机的总功率(输入功率)：P入IU.电动机的热功率P热I2r.电动机的输出功率(机械功率)：P出IUI2r.电动机的效率：1.说明：注意区分电动机的几种功率，从能量守恒角度分析和考虑电动机问题.1(电功和电功率)(多选)如图3所示，把四个相同的灯泡接成甲、乙两种电路后，灯泡都正常发光，且两个电路的总功率相等则下列对这两个电路中的U甲、U乙、R甲、R乙之间的关系的说法，正确的是()图3AU甲2U乙BU甲2U乙CR甲4R乙DR甲2R乙答案BC解析设灯泡的电阻为R，正常发光时电流为I，电压为U，由于两个电路的总功率相等，PU甲IU乙2I，得U甲2U乙；又由U甲2UIR甲，U乙U2IR乙，得R甲4R乙，故正确答案为B、C.2(焦耳定律)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(焦耳定律和热功率)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4(非纯电阻电路的特点及有关计算)如图4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4(1)通过电动机的电流；(2)输入电动机的总功率；(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输入电动机的总功率P总IMUM550W.(3)电动机的热功率P热Ir20W电动机输出的机械功率P出P总P热530W题组一对电功、电功率的理解和计算1(多选)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I1I210.3电压都是110V，额定功率PA100W，PB40W的灯泡两盏，若接在电压为220V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是()答案C解析判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是额定电压，或电流是否是额定电流，对灯泡有PIU，可知RARB.对于A电路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110V，B灯被烧毁，UA110V，A灯不能正常发光对于B电路，由于RBRA，A灯又并联变阻器，并联电阻更小于RB，所以UBU并，B灯烧毁对于C电路，B灯与变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UAUB110V，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的并联电阻，则UAUB110V，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)110V，而D电路中变阻器功率为(IAIB)110V，所以C电路消耗电功率最小4两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PARB，由PIU可知额定电流IAPB，故C错误；两灯并联后，由并联电路的功率分配关系可知P，所以PAPB，故D正确5如图1为一种服务型机器人，其额定功率为48 W，额定工作电压为24 V，机器人的锂电池容量为20 Ah.则机器人()图1A额定工作电流为20 AB充满电后最长工作时间为2 hC电池充满电后总电量为7.2104 CD以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J答案C解析由PIU知额定电流I2 A，选项A错误；充满电后，锂电池容量为20 Ah，最长工作时间t10 h，选项B错误；电池充满电后总电量QIt203 600 C7.2104 C，选项C正确；以额定电流工作时每秒消耗能量WIUt48 J，D错误题组二焦耳定律的理解非纯电阻电路计算6(多选)关于四个公式PIU；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PIU、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、D错误PI2R适用于任何电路的热功率的计算，PIU、P只适用于纯电阻电路的热功率的计算，故B正确7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，电风扇将部分电能转化为机械能，日光灯将部分电能转化为光能，故B选项正确8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9(多选)如图2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0.5A，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 ()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正确题组三综合应用10如图3所示的电路中，电源电压为60V，内阻不计，电阻R2，电动机的内阻R01.6，电压表的示数为50V，电动机正常工作，求电动机的输出功率图3答案210W解析电动机正常工作时，电动机两端的电压U050V，此时通过电路中的电流：I5A，电动机的输出功率P出U0II2R0210W.11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(计算结果均保留为整数)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.12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：(g取10m/s2，计算结果均保留两位有效数字)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？答案(1)1.686%(2)4.0m/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%86%设电机的内阻为r，则由欧姆定律知P入P出Ir解得r1.6(2)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，应有P出F阻vmax解得vmax4.0m/s.11