高中物理中的电动机问题

高中物理中的电动机问题河南省信阳高级中学陈庆威 2016.12.02由W UIt根据欧姆定律I U可推导得到W I2Rt和W Lt,但欧 RR2姆定律公式I U只适用于纯电阻电路，所以W I2Rt和W 二t只对 RRU 2纯电阻电路适用，即W UIt适用于所有电路，W I2Rt和W 匕t只适R用于纯电阻电路。如果电路中还包含有电动机、电解梢等用电器，这时电能除部分 转化为热能外，还要转化为机械能、化学能等，这时电功只能用W UItu 2 、，“一计算，而不能用W I Rt , W Jt计算了。R从能量转化的角度看，纯电阻电路是将电能全部转化为热能，即 电功等于电热。例如：日常生活中的白炽灯、电炉子、电饭锅等纯电 阻电路工作时V=Q而非纯电阻电路是电流做功将电能主要转化为其 他形式的能量，但还有一部分电能转化为了热能，此时电功大于电热。 例如：在电动机转动、电铃、蓄电池（充电）等这些非纯电阻的电路中 VQ特别是涉及非纯电阻电路的有关电功、电热、电功率和发热功 率的计算，学生极容易混淆。该类题目在中考中较为常见，高中的试题中也有出现，虽说在高 考中不是重点，但这类题目高中的学生也很头痛。比如以下几题：i例题1:如图所示，电阻R=20Q,电动机白绕组电阻 R =10Q.当 开关打开时，电流表的示数是I,电路消耗的电功率为P。当开关合 上后，电动机转动起来。若保持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()A. I =3I B . I 31C. P = 3P D . P 3P试题分析：因闭合开关后保持电压不变，故 R中的电流不变；由并联 电路的规律可知，电流表中电流为电动机电流与 R中电流之和；因电 动机电流I机U 2I 故I I机I 3I ，故B正确，A错误；R由功率公式P=UI可知，R消耗的功率不变，而电动机消耗的功率小于2P,故总功率小于3P,故C错误，D正确；故选BD点评：因电动机在工作时有电能转化为动能，不能用欧姆定律求解，但可以用P=UI及串并联电路的性质求解.例题2:如图所示电路，电源电动势为 E,内阻为r。当开关S闭合 后，小型直流电动机M和指示灯L都恰能正常工作。已知指示灯L的 电阻为R,额定电流为I ,电动机M的线圈电阻为R,则下列说法中 正确的是A.电动机的额定电压为IR却产 触一B.电动机的输出功率为IE-I 2RC.电源的输出功率为IE-I 2rD.整个电路白热功率为12 (R +R + r )试题分析：指示灯正常工作，电流为额定电流 I,灯与电动机串联，所以电动机电流也等于I。电动机为非纯电阻电路，电动机电压仃手改,根据闭合回路欧姆定律电动机电压 r =选项a错。电动机的输出功率为总功率减去热功率与皿”外二7-尸包+=）必选项B错。电源的输出功率2=及3 选项c对。整个电路的热功率根据焦耳定律p=选项D对, 故选CD.例题3:在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路。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;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2.0A和15.0V.则当这台电动机正常运转 时（）A.电动机的输出功率为30WB.电动机的输出功率为22WC.电动机白内阻为7.5二D.电动机白内阻为2二试题分析：电动机停止运转是，可得到电动机的电阻u上 故，C D中D正确。电动机消耗的功率即为电动机输入功率，为P=UI=30W输出功率为输入功率减去内耗功率，即：P出UI 12r 22W故A错误，B正确.故选BD.例题4:电动机是一种使用广泛的动力机械，从能量转化的角度看.它 主要是把电能转化为机械能，还有一部分能量在线圈中以热量的形式 散失掉。现有一台电动机，当电动机两端加 220V电压时，通过电动 机线圈的电流为50A。问：(1)每分钟该电动机消耗的电能是多少？(2)已知电流通过导体时产生的热量 Q= I2 R t (其中I、R和t分 别表示通过导体的电流、导体的电阻和通电时间)，若该电动机线圈 的电阻是0.4 Q ,则线圈每分钟产生的热量是多少？(3)这台电动机每分钟所做的机械功是多少 ？试题分析：(1)消耗的电能 W总=UIt=220VX50Ax60s=6.6X105J(2)产生的热量 Q= I 2 R t=(50A)2 X0.4 Q x 60s=6X 104J(3)所做的机械功 Wn=W-Q 热=6.6X105J 6X104J=6X 105J。例题5:有一个直流电动机，把它接入 0.2 V电压的电路时，电动机 不转，测得流过电动机的电流是 0.4 A;若把电动机接入2.0 V电压 的电路中，电动机正常工作，工作电流是 1.0 A .求电动机正常工作 时的输出功率多大？如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大？试题分析：电动机转子不转时，消耗的电能全部转化为内能，为纯电 阻元件，这时欧姆定律成立，电功率和热功率相等。当电动机转动时， 电动机消耗的电功率P=P热+P机，P机即为电动机的输出功率.接U=0.2 V电压，电动机不转，电流I=0.4 A .根据欧姆定律，线圈Mr u 0.20.5I 0.4当接U=2.0 V电压时，电流I=1.0 A .故：电功率 p 电=UT=2.0 X 1.0 W=2.0 W热功率 P热=I 22R=1.02X0.5 W=0.5 W故输出功率：P机=PrP热=(20-0.5)W=1.5 W如果电动机正常工作时，转子被卡住，则电能全部转化成内能，故其发热功率：例题6:如图所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻 r=0.6 Q,R=10Q , U=160 V,电压表白勺读数为110 V,求：(1)通过电动机的电流是多少？(2)输入到电动机的电功率是多少？1 I(3)在电动机中发热的功率是多少？i T :(4)电动机工作1 h所产生的热量是多少？试题分析：(1)设电动机两端的电压为 U,电阻R两端的电压为U2,则U=110V,Q 50U2=U-U=( 160-110)V=50V通过电动机的电流为I ,则=我=mA=5A(2)输入到电功机的电功率 P电，P电=UI=110X5W=550 W(3)在电动机中发热的功率 P热，P热=I2r=52X0.6W=15 W(4)电动机工作1 h所产生的热量Q,Q=I 2rt=5 2 x 0.6 x 3600J=54000 J例题7:汽车电动机启动时车灯会瞬时变暗，其原因可用图示电路解释.在打开车灯的情况下，电动机未启动时电流表读数为10A电动机启动时电流表读数为58A若电源电动势为12.5V,内阻为0.05 Q,电流表内阻不计，则：(1)电动机启动时车灯的电功率为多少？(2)因电动机启动，车灯的电功率降低了多少?试题分析:(1)电动机不启动时，灯泡的电压为电源路端电压，设为 U,电动机启动后灯泡电压仍为路端电压，设为 U.由欧姆定律得I ER r求得车灯的电阻R=1.2Q,灯泡消耗功率为PL=EI-I 2r=120VV(2)电动机启动后，路端电压 W =E-I r=9.6V,灯泡消耗电功率2为 PL ，Y-W 76.8W R 1.2W=76.8W所以灯泡功率降低了 P=120W-76.8W=43.2WV例题8: 一台小型电动机在3V电压下工作，用此电动机提升所受重力为4N的物体时，通过它的电流是0.2A。在30s内可使该物体被匀速提升3ml若不计除电动机线圈生热之外的能量损失，求：(1)电动机的输入功率；(2)在提升重物的30s内，电动机线圈所产生的热量;(3)线圈的电阻。试题分析：(1)电动机的输入功率 P入= UI=0.2X3 W= 0.6 W(2)电动机提升重物的机械功率 P机 = Fv=(4 X3/30) W =0.4 W根据能量关系P入=P机+PQ,得生热的功率PQ= P入一P机=(0.6 -0.4)W=0.2 W所生热量 Q= Pd =0.2X30 J =6 J(3)根据焦耳定律Q= I2Rt,得线圈电阻Q .R=春=石咬品Q = 5 Q7