2017-2018学年高中物理 第二章 直流电路 第8讲 焦耳定律 电路中的能量转化学案 教科版选修3-1.doc

第8讲 焦耳定律 电路中的能量转化目标定位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.4.明确闭合电路中的功率及能量转化一、电功和电功率1电功(1)定义：电场力移动电荷所做的功(2)定义式：WUIt.(3)单位：国际单位制：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电功率电流所做的功与做这些功所用时间的比值(1)定义：单位时间内电流所做的功(2)公式：PIU(3)单位：国际单位制：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二、焦耳定律热功率1焦耳定律：(1)内容：电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比(2)表达式：QI2Rt(3)焦耳热：电流通过电阻而产生的热量(4)适用条件：任何电路2热功率(1)定义：电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值，即单位时间内电阻通电所产生的热量(2)表达式：P热I2R(3)适用条件：任何电路深度思考电风扇、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2一台电动机，额定电压为100 V，电阻为1 .正常工作时，通过的电流为5 A，则电动机因发热损失的功率为()A500 W B25 WC1 000 W D475 W解析电动机的热功率P热I2r521 W25 W，B正确，A、C、D错误答案B三、电路中的能量转化1电源是将其他形式的能转化为电能的装置，电源转化为电能的功率IE，等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和，即：IEIUI2r2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不成立例3如图1所示的电路中，电源电压为60 V，内阻不计，电阻R2 ，电动机的内阻R01.6 ，电压表的示数为50 V，电动机正常工作，求电动机的输出功率图1解析电动机正常工作时，电动机两端的电压U050 V，此时通过电路中的电流：I5 A，电动机的输出功率P出U0II2R0210 W.答案210 W电动机的功率电动机的总功率(输入功率)：P入UI电动机的热功率P热I2r.电动机的输出功率(机械功率)：P出UII2r电动机的效率：1.说明：注意区分电动机的几种功率，从能量守恒角度去分析和考虑电动机问题例4如图2所示的电路中，电源电动势E10 V，内阻r0.5 ，电动机的电阻R01.0 ，定值电阻R11.5 .电动机正常工作时，电压表的示数U13.0 V，求：图2(1)电源释放的电功率；(2)电动机消耗的电功率及将电能转化为机械能的功率；(3)电源的输出功率解析(1)电动机正常工作时，总电流为I A2 A，电源释放的电功率为P释EI102 W20 W.(2)电动机两端的电压为UEIrU1(1020.53.0)V6 V.电动机消耗的电功率为：P电UI62 W12 W.电动机消耗的热功率为：P热I2R0221.0 W4 W.根据能量守恒得P机P电P热(124)W8 W.(3)电源的输出功率为P出P释P内P释I2r(20220.5)W18 W.答案(1)20 W(2)12 W8 W(3)18 W1(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()A4Q B2QC. 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100 V，电阻为1 .正常工作时，通过的电流为5 A，则电动机因发热损失的功率为()A500 W B25 W C1 000 W D475 W答案B解析电动机的热功率P热I2r521 W25 W，B正确，A、C、D错误4(闭合电路中的能量转化)如图4所示，电源电动势E30 V，内阻r1 ，灯泡上标有“6 V12 W”字样，直流电动机线圈电阻R2 ，若灯泡恰好能正常发光，求电动机输出的机械功率图4答案36 W解析因灯泡正常发光，所以I A2 AU内Ir21 V2 V所以电动机两端电压为UMEU内U30 V2 V6 V22 V电动机输出的机械功率为P机UMII2R222 W222 W36 W.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“100 10 W”和“20 40 W”，则它们的额定电流之比为()A.5 B.20 C.10 D12 000答案C解析由公式PI2R得：I ，所以I1I210.3电压都是110 V，额定功率PA100 W，PB40 W的灯泡两盏，若接在电压为220 V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UB110 V，B灯被烧毁，UA110 V，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灯被烧毁对于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的并联电阻，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用稳压电源和三根电阻丝R1、R2、R3来加热一桶水，三根电阻丝采用如图所示的几种连接方式，则供热最快的是()答案B解析A选项总电阻为R1R2R3，B选项的总电阻小于R1、R2、R3三个电阻的任何一个电阻，C选项的总电阻大于R3，D选项的总电阻大于R1，可知B选项的总电阻最小，根据P知，电功率最大，供热最快故B正确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“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电解槽消耗的电功率为60 WC电解槽的发热功率为60 WD电路消耗的总功率为60 W答案B解析灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且流过电解槽的电流II灯 A A，则电解槽消耗的电功率PIUP灯60 W，A选项错误，B选项正确；电解槽的发热功率P热I2r1.3 W，C选项错误；电路消耗的总功率P总IU总220 W120 W，D选项错误9(多选)如图1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0.5 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 ()图1AI1.5 A BI1.5 ACP15 W DP15 W答案BD解析电路两端的电压为：UI1R10.5 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II1I21.5 A，A错误，B正确电路总功率为PU(I1I2)15 W，C错误，D正确题组三综合应用10规格为“220 V36 W”的排气扇，线圈电阻为40 ，求：(1)接上220 V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)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W解析(1)排气扇在 220 V的电压下正常工作时的电流为I A0.16 A发热功率为P热I2R(0.16)240 W1 W转化为机械能的功率为P机PP热(361)W35 W.(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I A5.5 A电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：P电P热UI2205.5 W1210 W.11.如图2所示，电源电动势E10 V，内阻r0.5 ，标有“8 V16 W”的灯泡L恰好能正常发光，电动机线圈的电阻R01 ，求：图2(1)电源的总功率；(2)电动机的输出功率答案(1)40 W(2)12 W解析(1)L正常发光，路端电压等于灯泡额定电压8 V.内电压U内(108)V2 V，则总电流I4 A，电源总功率为P电IE410 W40 W.(2)流经电动机的电流IMI2 A.输入电动机的总功率PM总UIM82 W16 W.电动机内阻消耗功率PM内IR041 W4 W.故电动机的输出功率PM出(164)W12 W.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10 m/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120 W整车质量30 kg额定电压40 V最大载重120 kg额定电流3.5 A(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)1.6 86%(2)4.0 m/s解析(1)由题目提供的数据表可知，电机的输出功率为P出120 W，额定电压为U040 V，额定电流为I03.5 A电机正常工作时输入功率为P入U0I0403.5 W140 W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vmax4.0 m/s.