2017-2018學(xué)年高中物理 第2章 直流電路 第6節(jié) 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化練習(xí) 教科版選修3-1.doc

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第6節(jié)　焦耳定律　電路中的能量轉(zhuǎn)化 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．電流做功的公式為________，適用于____________． 電功率的公式為________，適用于____________． 2．電流通過電阻產(chǎn)生的熱量跟電流的________成正比，跟電阻值成________，跟通電時(shí)間成________，這一規(guī)律叫焦耳定律，表達(dá)式為________，適用于____________．焦耳定律是電流熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)定律，凡計(jì)算電熱都要用該規(guī)律． 電熱功率是描述電流做功產(chǎn)生電熱的________程度的物理量，公式為________，適用于__________． 3．只含有電阻的電路稱為純電阻電路，當(dāng)有電流通過時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即電功________電熱，用公式表示為W＝Q＝I2Rt＝UIt.含有電動(dòng)機(jī)等非純電阻元件的電路稱為非純電阻電路，電路中的電能除一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，其他部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等，此時(shí)電功________電熱，電功表達(dá)式W＝UIt，電熱表達(dá)式為__________． 4．根據(jù)能量守恒定律，電源消耗的總功率、內(nèi)電阻消耗的功率和外電阻消耗的功率滿足關(guān)系式P總＝__________，當(dāng)外電路為純電阻R時(shí)，上式也可寫為：____________，當(dāng)外電路短路時(shí)有____________． 5．兩個(gè)繞線電阻分別標(biāo)有“100 Ω　10 W”和“20 Ω　40 W”則它們?cè)试S通過的額定電流之比是(　　) A./5 B./20 C./10 D．1/2 000 6．兩個(gè)電阻分別標(biāo)有“1 A　4 W”和“2 A　1 W”，則它們的電阻之比為(　　) A．2∶1 B．16∶1 C．4∶1 D．1∶16 7．關(guān)于電功，下列說法中正確的有(　　) A．電功的實(shí)質(zhì)是電場(chǎng)力所做的功 B．電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的量度 C．電場(chǎng)力做功使金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子運(yùn)動(dòng)的速率越來越大 D．電流通過電動(dòng)機(jī)時(shí)的電功率和熱功率相等 【概念規(guī)律練】 知識(shí)點(diǎn)一　電功、電功率的計(jì)算 1．關(guān)于四個(gè)公式①P＝UI；②P＝I2R；③P＝；④P＝，下列敘述正確的是(　　) A．公式①④適用于任何電路的電功率的計(jì)算 B．公式②適用于任何電路的電熱功率的計(jì)算 C．公式①②③適用于任何電路電功率的計(jì)算 D．以上均不正確 2．一個(gè)用半導(dǎo)體材料制成的電阻器D，其電流I隨它兩端的電壓U變化的關(guān)系圖象如圖1(a)所示，將它與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2并聯(lián)后接在電壓恒為U的電源上，如圖(b)所示，三個(gè)用電器消耗的電功率均為P.現(xiàn)將它們連接成如圖(c)所示的電路，仍然接在該電源的兩端，設(shè)電阻器D和電阻R1、R2消耗的電功率分別為PD、P1、P2，它們之間的大小關(guān)系為(　　) 圖1 A．P1＝4P2B．PD＝P/9 C．P1<4P2 D．PD>P2 知識(shí)點(diǎn)二　焦耳定律 3．下列關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說法中正確的是(　　) A．電功率越大，電流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多 B．W＝UIt適用于任何電路，而W＝I2Rt＝t只適用于純電阻電路 C．在非純電阻電路中，UI>I2R D．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路 4.如圖2所示，有一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī)，內(nèi)阻RM＝0.6 Ω，R＝10 Ω，U＝160 V，電壓表的讀數(shù)為110 V．則： 圖2 (1)通過電動(dòng)機(jī)的電流是多少？ (2)輸入到電動(dòng)機(jī)的電功率是多少？ (3)電動(dòng)機(jī)工作1 h所產(chǎn)生的熱量是多少？ 【方法技巧練】 一、純電阻電路中電功和電功率的計(jì)算方法 5.有四盞燈，接入如圖3所示的電路中，L1和L2都標(biāo)有“200 V　100 W”字樣，L3和L4都標(biāo)有“220 V40 W”字樣，把電路接通后，最暗的燈是哪一盞？最亮的燈是哪一盞？ 圖3 6．額定電壓都是110 V，額定功率PA＝100 W，PB＝40 W的電燈兩盞，若接在電壓是220 V的電路上，兩盞電燈均能正常發(fā)光，且電路中消耗功率最小的電路是下圖中的哪一個(gè)(　　) 二、純電阻電路與非純電阻電路中能量轉(zhuǎn)化問題的分析 7．一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻與一只電爐的電阻相同，都通過相同的電流，在相同時(shí)間內(nèi)(　　) A．電爐放熱與電動(dòng)機(jī)放熱相等 B．電爐兩端電壓小于電動(dòng)機(jī)兩端電壓 C．電爐兩端電壓等于電動(dòng)機(jī)兩端電壓 D．電動(dòng)機(jī)消耗的功率大于電爐消耗的功率 8．有一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，把它接入0.2 V電壓的電路時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，測(cè)得流過電動(dòng)機(jī)的電流是0.4 A；若把電動(dòng)機(jī)接入2 V電壓的電路中，電動(dòng)機(jī)正常工作，工作電流是1.0 A．則： (1)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的輸出功率為多大？ (2)如果在電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子突然被卡住，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率是多大？ 三、閉合電路功率問題的分析 9.如圖4所示，直線A為電源的路端電壓U與電流I關(guān)系的圖象，直線B是電阻R的兩端電壓U與電流I的關(guān)系圖象．用該電源與電阻R組成閉合電路，電源的輸出功率和效率分別為(　　) 圖4 A．4 W,33% B．2 W,33% C．2 W,67% D．4 W,67% 10.如圖5所示的電路中，電池的電動(dòng)勢(shì)E＝5 V，內(nèi)電阻r＝10 Ω，固定電阻R＝90 Ω，R0是可變電阻．在R0由0增加到400 Ω的過程中，求： 圖5 (1)可變電阻R0上消耗熱功率最大的條件和最大熱功率； (2)電池的內(nèi)電阻r和固定電阻R上消耗的最小熱功率之和． 1．不考慮溫度對(duì)電阻的影響，對(duì)一個(gè)“220 V　40 W”的燈泡，下列說法正確的是(　　) A．接在110 V的電路中時(shí)的功率為20 W B．接在110 V的電路中時(shí)的功率為10 W C．接在440 V的電路中時(shí)的功率為160 W D．接在220 V的電路中時(shí)的功率為40 W 2．通過電阻R的電流為I時(shí)，在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q；若電阻為2R，電流為I/2時(shí)，則在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為(　　) A．4Q B．2QC．Q/2 D．Q/4 3．關(guān)于電功和電熱，下面說法正確的是(　　) A任何電路中的電功W＝UIt，電熱Q＝I2Rt且W＝Q B．任何電路中的電功W＝UIt，電熱Q＝I2Rt但W有時(shí)不等于Q C．電功W＝UIt在任何電路中都適用，Q＝I2Rt只在純電阻電路中適用 D．電功W＝UIt，電熱Q＝I2Rt，只適用于純電阻電路 4．一臺(tái)額定電壓為U的電動(dòng)機(jī)，它的電阻為R，正常工作時(shí)通過的電流為I，則(　　) A．電動(dòng)機(jī)t秒內(nèi)產(chǎn)生的熱量是Q＝UIt B．電動(dòng)機(jī)t秒內(nèi)產(chǎn)生的熱量是Q＝I2Rt C．電動(dòng)機(jī)的功率為P＝I2R D．電動(dòng)機(jī)的功率為P＝U2/R 5．如圖6所示，電源電動(dòng)勢(shì)E＝10 V，內(nèi)阻r＝0.2 Ω，標(biāo)有“8 V　16 W”的燈泡L恰好正常發(fā)光，電動(dòng)機(jī)線圈電阻R0＝0.15 Ω，則電源的輸出功率為(　　) 圖6 A．16 W B．440 W C．80 W D．400 W 6.如圖7所示，三個(gè)電阻R1、R2、R3的阻值相同，允許消耗的最大功率分別為10 W、10 W、4 W，此電路中允許消耗的最大功率為(　　) 圖7 A．24 W B．16 W C．12 W D．15 W 7．下面是某電熱水壺的銘牌，由此可知該電熱水壺正常加熱1 min 產(chǎn)生的熱量為(　　) 電熱水壺 型號(hào) SP—356 A 額定電壓 220 V 額定功率 1 800 W 額定頻率 50 Hz 額定容量 1.5 L A.1.80103 J B．1.10104 J C．1.32104 J D．1.08105 J 8．有A、B兩個(gè)電阻，它們的伏安特性曲線如圖8所示，從圖線可以判斷(　　) 圖8 A．電阻A的阻值大于電阻B B．電阻A的阻值小于電阻B C．電壓相同時(shí)，流過電阻A的電流強(qiáng)度較大 D．兩電阻串聯(lián)時(shí)，電阻A消耗的功率較小 9．理發(fā)用的電吹風(fēng)機(jī)中有電動(dòng)機(jī)和電熱絲，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，電熱絲給空氣加熱，直到熱風(fēng)將頭發(fā)吹干．設(shè)電動(dòng)機(jī)線圈電阻為R1，它與電熱絲的電阻R2串聯(lián)后接到直流電源上，電吹風(fēng)機(jī)兩端電壓為U，電流為I，消耗的電功率為P，則有(　　) ①P＝IU?、赑＝I2(R1＋R2) ③P>IU　④P ＞I2(R1＋R2) A．①②B．①④ C．②③D．③④ 10．如圖9所示，直線OAC為某一直流電源的總功率隨電流I變化的圖線，曲線OBC表示同一直流電源內(nèi)部的熱功率隨電流I變化的圖線．若A、B點(diǎn)的橫坐標(biāo)均為1 A，那么AB線段表示的功率為(　　) 圖9 A．1 W B．6 W C．2 W D．2.5 W 題　號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答　案 11.如圖10所示，電源電壓恒為U＝14 V，小燈泡L標(biāo)有“4 V　8 W”，電動(dòng)機(jī)的線圈電阻rM＝1.0 Ω，當(dāng)變阻器調(diào)到2 Ω時(shí)，小燈泡與電動(dòng)機(jī)均正常工作，求電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率． 圖10 12．一直流電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻一定，用手握住轉(zhuǎn)動(dòng)軸使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，在線圈兩端加電壓為0.3 V時(shí)，電流為0.3 A．松開轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在線圈兩端加電壓為2 V時(shí)，電流為0.8 A，電動(dòng)機(jī)正常工作．則：該電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，輸入的電功率是多少？電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率是多少？ 第6節(jié)　焦耳定律　電路中的能量轉(zhuǎn)化 答案 課前預(yù)習(xí)練 1．W＝UIt　任何電路　P＝UI　任何電路 2．二次方　正比　正比　Q＝I2Rt　任何電路　快慢　P＝I2R　任何電路 3．等于　大于　Q＝I2Rt 4．P內(nèi)＋P出　IE＝IU＋I(xiàn)2r　IE＝I2r 5．C　6.B　7.AB 課堂探究練 1．AB　[P＝UI、P＝適用于任何電路的電功率的計(jì)算，而P＝I2R、P＝只適用于純電阻電路的電功率的計(jì)算，故A正確，C錯(cuò)誤．P＝I2R適用于任何電路的熱功率的計(jì)算，P＝UI、P＝只適用于純電阻電路的熱功率的計(jì)算，故B正確．] 2．C　[從電阻器D的I—U圖線可以得出，電阻器的阻值隨所加電壓的增大而減小，在題圖(b)中，三個(gè)電阻消耗的功率相等，都為P＝＝＝，說明三個(gè)電阻的阻值相等，即R1＝R2＝RD.連接成圖(c)所示的電路時(shí)，電阻器D兩端的電壓小于U，電阻器D的阻值RD′>RD，這時(shí)電阻器RD兩端的電壓UD>，電阻R1兩端的電壓U1<，電阻R2兩端的電壓U2＝UD>，由電功率計(jì)算式綜合比較得出，A、B、D錯(cuò)誤，C正確．] 3．BCD　[電功率公式P＝，表示功率越大，電流做功越快．對(duì)于一段電路，有P＝IU，I＝，焦耳熱Q＝()2Rt，可見Q與P、U、t都有關(guān)．所以，P越大，Q不一定越大，A不對(duì)． W＝UIt是電功的定義式，適用于任何電路．而I＝只適用于純電阻電路，B對(duì)． 在非純電阻電路中，電流做的功＝焦耳熱＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C對(duì)． Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路中產(chǎn)生的焦耳熱，D正確．] 4．(1)5A　(2)550W　(3)5.4104J 解析　(1)電動(dòng)機(jī)是非純電阻，不能用公式來求電路中的電流．R兩端的電壓為UR＝U－UM＝160V－110V＝50V，I＝＝A＝5A. (2)P入＝UMI＝1105 W＝550 W. (3)Q＝I2RMt＝5.4104 J 5．L3最暗，L4最亮 解析　由它們的額定電壓、額定功率判斷出R1＝R2R1>R23并，由串聯(lián)電路的功率分配可得P4>P1>(P2＋P3)，由并聯(lián)電路的功率分配可得P2>P3，所以L3最暗，L4最亮． 方法總結(jié)　在比較兩個(gè)燈泡的功率大小時(shí)，可先比較有相同量的兩個(gè)燈泡，L1與L4電流相同，利用P＝I2R比較功率大??；L2與L4電壓相同，利用P＝比較功率大小；L1與L2電阻相同，利用P＝I2R比較功率大?。? 6．C　[判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流． 由P＝和已知條件可知RA110V，B燈被燒毀，兩燈不能正常發(fā)光． 對(duì)于B電路，由于RB>RA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UB>U并，A燈若正常發(fā)光，則B燈燒毀． 對(duì)于C電路，B燈與變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110V，兩燈可以正常發(fā)光． 對(duì)于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UA＝UB＝110V，兩燈可以正常發(fā)光． 比較C、D兩個(gè)電路，由于C電路中變阻器功率為(IA－IB)110，而D電路中變阻器功率為(IA＋I(xiàn)B)110，所以C電路消耗電功率最?。甝 方法總結(jié)　解此類問題的思路分兩步：①先分清哪個(gè)電路的A、B燈能正常發(fā)光，這里可以從電壓、電流、電功率三個(gè)量中任一個(gè)達(dá)到其額定值，其余兩個(gè)也達(dá)到額定值方面分析．②確定了正常發(fā)光的電路后，再比較哪一個(gè)的實(shí)際功率小，可以用計(jì)算的方法去比較，也可以用定性分析法比較． 7．ABD　[電爐屬于純電阻用電器，電動(dòng)機(jī)屬于非純電阻用電器．對(duì)于電爐有：U＝IR，放熱Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R.對(duì)于電動(dòng)機(jī)有：U>IR，放熱Q＝I2Rt，消耗功率P＝UI>I2R.] 8．(1)1.5W　(2)8W 解析　(1)接U＝0.2V電壓，電機(jī)不轉(zhuǎn)，電能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，故可視為純電阻電路．電流I＝0.4A， 根據(jù)歐姆定律，線圈電阻R＝＝Ω＝0.5Ω. 當(dāng)接U′＝2.0V電壓時(shí)，電流I′＝1.0A， 故輸入電功率P電＝U′I′＝2.01.0W＝2.0W， 熱功率P熱＝I′2R＝120.5W＝0.5W. 故輸出功率即機(jī)械功率 P機(jī)＝P電－P熱＝(2.0－0.5) W＝1.5W. (2)如果正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子被卡住，則電能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，故其發(fā)熱功率P熱′＝＝W＝8W. 方法總結(jié)　(1)電動(dòng)機(jī)是非純電阻用電器，要注意區(qū)分電功率和熱功率，電功率用P總＝UI計(jì)算，熱功率P熱＝I2R，機(jī)械功率P機(jī)＝P總－P熱． (2)注意搞清楚電動(dòng)機(jī)電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，用能量守恒定律來分析問題． 9．D 10．(1)R0＝100Ω時(shí)，Pm＝W　(2)0.01W 解析　(1)可變電阻R0上消耗的熱功率 P1＝I2R0＝()2R0＝ ＝ 由上式可得：當(dāng)R0＝100Ω時(shí)，P1有最大值Pm＝W＝W. (2)r和R上消耗的熱功率之和P2＝I2(R＋r)＝100 由上式可知，R0最大時(shí)，P2最小，即當(dāng)R0＝400Ω時(shí)，P2有最小值P2min＝100W＝0.01W. 方法總結(jié)　電源的輸出功率P與外電阻R的關(guān)系 P出＝UI＝I2R＝()2R＝＝ 由上式可知：當(dāng)R＝r時(shí)，P出有最大值，且最大值Pm＝. 根據(jù)電源的輸出功率與外電阻的關(guān)系可知，二者關(guān)系如圖所示． 課后鞏固練 1．BD　[由P額＝得，燈泡的電阻R＝Ω＝1210Ω，當(dāng)電壓為110V時(shí)，P＝＝W＝10W；電壓為440V時(shí)，超過燈泡的額定電壓一倍，故燈泡燒壞，P＝0.] 2．C　[由電熱公式Q＝I2Rt可得Q′＝(I)22Rt＝I2Rt＝Q.] 3．B 4．B　[電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，是非純電阻電路，輸入的總電能為UIt，它轉(zhuǎn)化為兩部分：一是電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻上產(chǎn)生的熱能Q＝I2Rt，二是電動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出的機(jī)械能E＝UIt－I2Rt.] 5．C　[電路的總電流I＝＝A＝10A， 則電源的輸出功率為P＝IU額＝108W＝80W] 6．D 7．D　[由銘牌可知，電熱水壺的功率為1 800 W，所以正常加熱1分鐘產(chǎn)生的熱量為Q＝Pt＝1 80060 J＝1.08105 J．] 8．BCD　9.B 10．C　[由圖象中不難看出，在C點(diǎn)，電源的總功率等于電源內(nèi)部的熱功率，所以電源的電動(dòng)勢(shì)為E＝3V，短路電流為I＝3A，所以電源的內(nèi)阻為r＝＝1Ω.圖象上AB段所表示的功率為PAB＝P總－I2r＝(13－121) W＝2W．故正確選項(xiàng)為C.] 11．66.7% 解析　小燈泡正常工作I＝＝2A 電動(dòng)機(jī)的輸入功率P入＝I(U－U1－IR)＝12W 線圈電阻消耗的功率P內(nèi)＝I2rM＝4W 所以電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率 η＝＝＝66.7%. 12．1.6W　0.96W 解析　電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其消耗的電功全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故可視為純電阻電路，由歐姆定律得電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻： r＝＝Ω＝1Ω. 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，消耗的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和機(jī)械能，其輸入的電功率為 P入＝I1U1＝0.82 W＝1.6 W， 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率為 P機(jī)＝P入－Ir＝1.6 W－0.821 W＝0.96 W.