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2019-2020年高中物理第二章第6讲焦耳定律教学案新人教版选修3-1[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、电功和电功率1.电功如果电路左右两端的电势差是U,在电荷q从左端移到右端的过程中.静电力做的功是W=qU,把q=It代入得W=IUt,这表示,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、通过时间t三者的乘积.2.电功率单位时间内电流所做的功叫做电功率.用P表示电功率,则有P=,进而得到P=IU,单位瓦特W.想一想 电流做功越多,电功率越大吗?答案 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.电流通过白炽灯、电炉等电热元件做功时,电能全部转化为导体的内能.电流在这段电路中做的功W就等于这段电路发出的热量Q,即Q=W=IUt.2.焦耳定律由欧姆定律U=IR代入Q=IUt后可得热量Q的表达式Q=I2Rt,即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.这个关系最初是焦耳用实验直接得到的,我们把它叫做焦耳定律.3.热功率单位时间内的发热量通常称为热功率,其表达式为P=I2R.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.
一、电功和电功率1.电功电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I、通电时间t三者的乘积,公式为W=UIt.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.2.电功率的表达式为P=UI,反映了电流做功的快慢.例1 将两个定值电阻R
1、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 A.R1两端的电压为UB.R2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答案 D解析 当R
1、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P=UI,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R1=3R2;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U1=IR1=×3R2=3U,故A错误;两个电阻消耗的总功率P=U′I=4U×=12P1,故D正确.例2 A、B为“220V100W”的二盏相同的灯泡,C、D为“220V40W”的相同灯泡,A、B灯的电阻为________Ω;C、D电阻为________Ω.现将四盏灯泡接成如图261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________.答案 484 1210 PD>PA>PB>PC解析 根据R=得RA=RB==484Ω,RC=RD==1210Ω;由电路图可知,B、C并联,所以电压相等,根据P=可知PB>PC,A、D串联,电流相等,根据P=I2R可知,PD>PA;A、D的电流大于B、C的电流,根据P=I2R可知PA>PB,PD>PC;所以PD>PA>PB>PC.
二、电热焦耳定律和热功率1.电功的计算公式为W=UIt,电功率的计算公式为P=UI.电热的计算公式为Q=I2Rt焦耳定律,热功率的计算公式为P热=I2R.2.纯电阻电路电流通过纯电阻电路做功时,电能全部转化为导体的内能.3.非纯电阻电路含有电动机或电解槽的电路称为非纯电阻电路.在非纯电阻电路中,电流做的功将电能除了转化为内能外,还转化为机械能或化学能.4.纯电阻电路中W=Q=UIt=I2Rt=tP=P热=UI=I2R=非纯电阻电路中W=UIt>Q=I2RtP=UI>P热=I2R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B.W=UIt适用于任何电路,而W=I2Rt=t只适用于纯电阻电路C.在非纯电阻电路中,UII2RD.焦耳热Q=I2Rt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P=IU,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.W=UIt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.Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路,D对.图262例4 如图262所示的电路中,电源电压为60V,内阻不计,电阻R=2Ω,电动机的内阻R0=
1.6Ω,电压表的示数为50V,电动机正常工作,求电动机的输出功率.答案 210W解析 电动机正常工作时,电动机两端的电压U0=50V,此时通过电路中的电流I===5A,电动机的输出功率P出=U0I-I2R0=210W.规律总结 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=UI-I2r.电动机的效率η===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.电功率和热功率1.一台电动机,额定电压为100V,电阻为1Ω.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 A.500WB.25WC.1000WD.475W答案 B解析 电动机的热功率P=I2r=52×1W=25W,B正确,A、C、D错误.电功和电热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 A.4QB.2QC.D.答案 C解析 根据Q=I2Rt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.非纯电阻电路的特点及有关计算图2633.如图263所示是一直流电动机工作时的电路图.电动机内阻r=
0.8Ω,电路中另一电阻R=10Ω,直流电压U=160V,电压表示数UV=110V.试求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 15A 2550W 3530W解析 1由电路中的电压关系可得电阻R的分压UR=U-UV=160-110V=50V通过电阻R的电流IR==A=5A即通过电动机的电流IM=IR=5A.2电动机的分压UM=UV=110V输入电动机的功率P入=IM·UM=550W.3电动机的发热功率P热=Ir=20W电动机输出的机械功率P出=P入-P热=530W时间60分钟题组一 电功和电功率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
①P=UI;
②P=I2R;
③P=;
④P=,下列叙述正确的是 A.公式
①④适用于任何电路的电功率的计算B.公式
②适用于任何电路的热功率的计算C.公式
①②③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 P=UI、P=适用于任何电路的电功率的计算,而P=I2R、P=只适用于纯电阻电路的电功率的计算,故A正确,C错误.P=I2R适用于任何电路的热功率的计算,P=UI、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“100Ω,10W”和“20Ω,40W”,则它们的额定电流之比为 A.∶5B.∶20C.∶10D.1∶2000答案 C解析 由公式P=I2R得I=,所以I1∶I2=∶
10.4.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.电压都是110V,额定功率PA=100W,PB=40W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P=UI=,可知RA<RB.对于A电路,由于RA<RB,所以UB>UA,且有UB>110V,B灯被烧毁,UA<110V,A灯不能正常发光.对于B电路,由于RB>RA,A灯又并联变阻器,并联电阻更小于RB,所以UB>U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UA=UB=110V,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UA=UB=110V,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IA-IB×110V,而D电路中变阻器功率为IA+IB×110V,所以C电路消耗电功率最小.6.两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PA′PB′答案 D解析 由P=U2/R可知RARB,由P=UI可知额定电流IAIB.两灯串联后,由串联电路的功率分配关系可知P∝R,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PA′PB′.题组二 非纯电阻电路及焦耳定律7.有一内阻为
4.4Ω的电解槽和一盏标有“110V 60W”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I=I灯=A=A,则电解槽消耗的电功率P=IU=P灯=60W,A选项错误,B选项正确;电解槽的发热功率P热=I2r=
1.3W,C选项错误;电路消耗的总功率P总=IU总=×220W=120W,D选项错误.图2648.如图264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 A.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IU-I2R答案 ACD9.下面列出了不同品牌的电视机、电风扇、空调机和电冰箱铭牌上的主要项目,试判断1正常工作时,其中功率最大的是 A.54cm彩色电视接收机工作电压170V~240V;工作频率50Hz;额定功率85WB.BC-65B电冰箱额定电压220V;工作频率50Hz;额定功率70W;耗电量
0.5kW·h/24hC.FS-69电风扇规格400mm;额定电压220V;工作频率50Hz;额定功率65WD.KFR-33GW空调机额定电压220V;工作频率50Hz;制冷/制热电流
6.2A2根据上题铭牌上提供的信息,判断在12h内正常使用的电冰箱与连续运转的电风扇消耗电能的情况是 A.电冰箱比电风扇多B.电风扇比电冰箱多C.电风扇与电冰箱一样多D.电冰箱比电风扇可能多,也可能少答案 1D 2B解析 1根据题意得正常工作时电视机的功率为85W,电冰箱的功率为70W,电风扇的功率为65W,空调机的功率为P=UI=1364W,因此,功率最大的是空调机.2依据电冰箱铭牌可知,电冰箱在12h内消耗电能为
0.25kW·h,而电风扇在12h内消耗电能为W=Pt=
0.78kW·h,故B选项正确.图26510.如图265所示,电阻R1=20Ω,电动机的绕组的电阻R2=10Ω.当电键打开时,电流表的示数是
0.5A,当电键合上后,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 A.I=
1.5AB.I<
1.5AC.P=15WD.P<15W答案 BD解析 电路两端的电压为U=I1R1=
0.5A×20Ω=10V.电动机是非纯电阻用电器,UI2>IR2,所以I2<=1A.电流表的示数I=I1+I2<
1.5A,A错误、B正确.电路总功率为P=UI1+I2<15W,C错误、D正确.题组三 综合题组11.用稳压电源和三根电阻丝R
1、R
2、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 C解析 A选项总电阻为R3,B选项总电阻为R1+R2+R3,C选项的总电阻小于R
1、R
2、R3三个电阻的任何一个电阻,D选项的总电阻大于R3,E选项的总电阻大于R1,可知C选项的总电阻最小,根据P=知,功率最大,供热最快.故C正确.12.功率为10W的发光二极管LED灯的亮度与功率为60W的白炽灯相当.根据国家节能战略,xx年前普通白炽灯应被淘汰.假设每户家庭有2只60W的白炽灯,均用10W的LED灯替代,估算出全国一年节省的电能最接近 A.8×108kW·hB.8×1010kW·hC.8×1011kW·hD.8×1013kW·h答案 B解析 按每户一天亮灯5小时计算,每户一年节省的电能为2×60-2×10×10-3×5×365kW·h=
182.5kW·h,假设全国共有4亿户家庭,则全国一年节省的电能为
182.5×4×108kW·h=
7.3×1010kW·h,最接近B选项,故选项B正确,选项A、C、D错误.13.规格为“220V 36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,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 135W 1W 21210W 1210W解析 1排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为I==A=
0.16A发热功率为P热=I2R=
0.162×40W=1W转化为机械能的功率为P机=P-P热=36-1W=35W.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′==A=
5.5A电动机消耗的功率即电功率等于发热功率P电′=P热′=UI′=220×
5.5W=1210W.14.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
3.5A1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
11.63Ω
85.7% 24m/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U0=40V,额定电流为I0=
3.5A电机正常工作时输入功率为P入=U0I0=40×
3.5W=140W所以电机的效率为η=×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r=
1.63Ω2设车的质量为m,由题意知,行驶时所受阻力为F阻=kM+mg当达到最大速度vmax时,应用P出=F阻vmax解得vmax=4m/s.。