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(浙江專用)2022高中物理 第二章 恒定電流 2-5 焦耳定律學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、(浙江專用)2022高中物理 第二章 恒定電流 2-5 焦耳定律學(xué)案 新人教版選修3-1 [研究學(xué)考·明確要求] 知識(shí)內(nèi)容 焦耳定律 考試要求 學(xué)考c 選考c 基本要求 1.知道電流做功的實(shí)質(zhì),知道電流做功對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化。 2.會(huì)推導(dǎo)電功和電功率的表達(dá)式。 3.知道在純電阻電路中,電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。 4.知道焦耳定律,會(huì)用焦耳定律推導(dǎo)導(dǎo)體熱功率的表達(dá)式。 5.會(huì)計(jì)算電路中的電功、電功率、電熱和熱功率。 發(fā)展要求 知道P=UI、P=、P=I2R的區(qū)別、聯(lián)系和適用范圍。 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.電功 (1)定義:電流在一段電路中所做的功等于這段電路

2、兩端的電壓U、電路中的電流I、通電時(shí)間t三者的乘積。 (2)公式:W=qU=UIt。 (3)單位:國(guó)際單位為焦耳,符號(hào)為J。 常用單位為千瓦時(shí)(kW·h)。亦稱為“度”,1度=3.6×106 J。 (4)實(shí)質(zhì):電流通過一段電路所做的功,實(shí)質(zhì)是電場(chǎng)力在這段電路中對(duì)電荷做的功。 (5)意義:電流做功的過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程。電功的大小量度著電能的轉(zhuǎn)化,它標(biāo)志著有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。 2.電功率 (1)定義:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功叫做電功率。 (2)表達(dá)式:P==UI。 (3)單位:瓦特,符號(hào)W。 常用的單位還有千瓦(kW),1 kW=1_000_W。 (4)

3、物理意義:反映電流做功的快慢。 (5)額定功率:用電器在額定電壓下工作的電功率。 特別提醒 用電器上標(biāo)注的功率是它們的額定功率,是用電器的額定電壓下(或通過額定電流時(shí))長(zhǎng)時(shí)間正常工作的最大功率。用電器在實(shí)際工作時(shí)的電功率為實(shí)際功率,實(shí)際功率可能大于、小于或等于額定功率,為保護(hù)用電器,實(shí)際功率應(yīng)小于或等于額定功率。 [典 例 精 析] 【例1】 如圖1所示電路中,R1=R3P1>P3>P4 C.P2>P1>P4>P3

4、 D.P1>P2>P3>P4 解析 設(shè)R1、R2、R3、R4的電流分別為I1、I2、I3、I4,則I1=I2=I3+I(xiàn)4,故P1=IR1P3=IR3,即P2>P1>P3又因?yàn)閁3=U4,R3I4,即P3>P4故P2>P1>P3>P4,綜上選項(xiàng)B正確。 答案 B 在純電阻電路中,W=qU=UIt=I2Rt。P==UI=I2R。 [即 學(xué) 即 練] 1.(2018·浙江名校協(xié)作體模擬)如圖為某智能手機(jī)電池上的信息,電池支持“9V 2A”快充技術(shù),電池充滿僅需約1.3小時(shí),輕度使用狀態(tài)可使用一天。下列說法正確的是(  ) A.9.

5、88 Wh為該電池的電荷量 B.4.35 V為該電池的電動(dòng)勢(shì) C.輕度使用時(shí)的平均功率約1 W D.根據(jù)數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到該電池的容量約為2 600 mAh 解析 9.88 Wh為電池儲(chǔ)存的電能,A錯(cuò);3.8 V為該電池的電動(dòng)勢(shì),B錯(cuò);輕度使用時(shí)的平均功率P==W=0.41W,C錯(cuò);該電池的容量Q=It=2× 1 000×1.3 mA·h=2 600 mA·h,D正確。 答案 D [基 礎(chǔ) 梳 理] 1.焦耳定律 (1)內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比,跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。 (2)公式:Q=I2Rt。 (3)單位:焦耳,符號(hào)是J。 (4)實(shí)質(zhì)

6、:電流的熱效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能通過電流做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 特別提醒 電熱是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量度。只要電路中有電阻元件,電流通過電路時(shí)必產(chǎn)生電熱,焦耳定律是一切電路中計(jì)算電熱的普適公式。 2.熱功率 (1)定義:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量叫熱功率。 (2)表達(dá)式:熱功率即電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率P==I2R。 (3)單位:瓦特,符號(hào)W。 (4)實(shí)質(zhì):電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率。 特別提醒 在任何電路中,總有電功率大于或等于熱功率,即UI≥I2R。只有在純電阻電路中,I2R=UI=。 3.純電阻電路和非純電阻電路 (1)純電阻電路:電流通過純電阻電路做功時(shí),電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能。 (2)非純電阻電

7、路:含有電動(dòng)機(jī)或電解槽的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中,電流做的功將電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外,還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能。 (3)兩種電路的比較 純電阻電路 非純電阻電路 能量轉(zhuǎn)化情況直觀圖 電功和電熱的關(guān)系 W=Q即IUt=I2Rt=t W=Q+E其他 UIt=I2Rt+E其他 電功率和熱功率的關(guān)系   P=P熱,即IU=I2R= P=P熱+P其他即 IU=I2R+P其他 歐姆定律是否成立 U=IR I=成立 U>IR I<不成立 元件舉例 電阻 電爐絲白熾燈等 電動(dòng)機(jī) 電解槽等 [典 例 精 析] 【例2】 如圖2所示的電路中,電源電

8、壓為60 V,內(nèi)阻不計(jì),電阻R=2 Ω,電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻R0=1.6 Ω,電壓表的示數(shù)為50 V,電動(dòng)機(jī)正常工作,求電動(dòng)機(jī)的輸出功率。 圖2 解析 電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí),電動(dòng)機(jī)兩端的電壓,U0=50 V,此時(shí)通過電路中的電流:I===5 A。電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出=U0I-I2R0=210 W 答案 210 W 電動(dòng)機(jī)的功率 電動(dòng)機(jī)的總功率(輸入功率):P入=UI。 電動(dòng)機(jī)的熱功率:P熱=I2r。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率(機(jī)械功率):P出=UI-I2r。 電動(dòng)機(jī)的效率:η===1-。 【例3】 規(guī)格為“220 V 36 W”的排氣扇,線圈電阻為40 Ω,求: (1)接上220 V的

9、電源后,排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率; (2)如果接上(1)中電源后,扇葉被卡住,不能轉(zhuǎn)動(dòng),求電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率。 解析 (1)排氣扇在 220 V的電壓下正常工作時(shí)的電流為 I== A=0.16 A 發(fā)熱功率為 P熱=I2R=(0.16)2×40 W=1 W 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為 P機(jī)=P-P熱=(36-1) W=35 W。 (2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)后,電動(dòng)機(jī)所在電路成為純電阻電路,電流做功電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,此時(shí)電動(dòng)機(jī)中電流為I′== A=5.5 A 電動(dòng)機(jī)消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率: P電′=P熱′=UI′=220×5.5 W=1 210 W。

10、 答案 (1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W (1)在純電阻電路中,電功和電熱相等,W=Q=UIt=t=I2Rt,電功率和熱功率相等,P電=P熱=UI=I2R=。 (2)在非純電阻電路中,電功大于電熱,W=Q+E其他,電功只能用W=UIt計(jì)算,電功率只能用P=UI計(jì)算;電熱只能用Q=I2Rt計(jì)算,熱功率只能用P熱=I2R計(jì)算。 [即 學(xué) 即 練] 2.電阻R和電動(dòng)機(jī)M串聯(lián)接到電路中,如圖3所示,已知電阻R跟電動(dòng)機(jī)線圈的電阻值相等,開關(guān)接通后,電動(dòng)機(jī)正常工作。設(shè)電阻R和電動(dòng)M兩端的電壓分別為U1和U2,經(jīng)過時(shí)間t,電流通過R做功為W1, 產(chǎn)生的熱量為Q1

11、,電流通過電動(dòng)機(jī)做功為W2,產(chǎn)生的熱量為Q2,則有(  ) 圖3 A.U1Q2 D.W1IR=U1,B錯(cuò)誤;電流做的功W1=U1It,W2=U2It故W1

12、 在三種用電器中,只有電烙鐵能將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,電風(fēng)扇部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,日光燈部分電能轉(zhuǎn)化為光能,故選項(xiàng)B正確。 答案 B 2.(2018·嘉興模擬)太陽(yáng)能路燈是采用晶體硅太陽(yáng)能電池供電,用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)公用電力照明的路燈,白天太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電,晚上蓄電池的電能供給路燈照明。某一太陽(yáng)能路燈供電系統(tǒng)對(duì)一盞LED燈供電,太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右,電池板面積為1 m 2。采用24 V蓄電池(總?cè)萘繛?00 Ah),LED路燈規(guī)格為“40 W,24 V”。下列說法正確的是(  ) A.一盞LED燈正常工作時(shí),電流約為0.6 A B.一盞LED燈每天晚上正常工作,消耗的電能

13、約為0.96 kWh C.若太陽(yáng)光單位面積的輻射功率為1.0×103 W,太陽(yáng)能電池獲得電能的功率約為150 W D.完全充滿電的該蓄電池對(duì)一盞LED燈供電最多能供48 h 解析 LED燈正常工作時(shí)的電流為I== A≈1.67 A,A錯(cuò)誤;一盞LED燈每天晚上正常工作,按10小時(shí)算,消耗的電能約為W=Pt=40 W×10 h=400 W·h=0.40 kW·h,B錯(cuò)誤;太陽(yáng)能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能的功率為P=P0S×15%=1.0×103×1×0.15 W=150 W,C正確;若LED燈正常工作,則完全充滿電的該蓄電池對(duì)一盞LED燈正常工作供電時(shí)間為t==≈180 h,D錯(cuò)誤。 答案 

14、C 3.兩盞額定功率相同的燈泡A和B,其額定電壓UA>UB,則下列說法正確的是 (  ) A.兩燈正常發(fā)光時(shí),燈泡的電流IA>IB B.兩燈電阻RARB,由P=UI可知額定電流IAPB;兩燈并聯(lián)后,由并聯(lián)電路的功率分配關(guān)系可知P∝,所以PA′

15、電,等效電路如圖乙所示,充電寶的輸出電壓為U,輸出電流為I,該鋰電池的內(nèi)阻為r,則(  ) 圖4 A.充電寶輸出的電功率為UI+I(xiàn)2r B.電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為UI C.鋰電池產(chǎn)生的熱功率為I2r D.鋰電池產(chǎn)生的熱功率為 解析 充電寶的輸出功率P出=UI,A錯(cuò)誤;鋰電池產(chǎn)生的熱功率P熱=I2r,C正確,D錯(cuò)誤;電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率P=P出-P熱=UI-I2r,B錯(cuò)誤。 答案 C 1.下列關(guān)于電功率的說法中,正確的是(  ) A.用電器的額定功率與用電器的實(shí)際電壓和實(shí)際電流有關(guān) B.用電器的實(shí)際功率取決于用電器的額定功率 C.白熾燈正常工作時(shí),實(shí)際功率等于額

16、定功率 D.電功率越小,則電流做功越少 解析 用電器的額定功率是它正常工作時(shí)的功率,其值是由用電器本身的結(jié)構(gòu)決定的,與實(shí)際電流和實(shí)際電壓無關(guān),故A錯(cuò)誤,C正確;用電器實(shí)際功率的大小是由加在它兩端的電壓和通過它的電流決定的,B錯(cuò)誤;電流做功的多少不僅與功率的大小有關(guān),還與通電時(shí)間有關(guān),D錯(cuò)誤。 答案 C 2.下列說法正確的是(  ) A.家庭生活中,常說的“1度”電,指的是電功率的單位 B.功率是1千瓦的空調(diào)正常工作1個(gè)小時(shí)所消耗的電能是1度 C.1度等于1 000焦耳 D.1度等于3.6×106瓦 解析 “度”是電功的單位,1度=1 kW·h=1 000 W×3 600 s=

17、3.6×106 J,故A、C、D錯(cuò)誤;功率為1千瓦的空調(diào)正常工作1個(gè)小時(shí)消耗的電能為W=Pt=1 kW·h=1度,故B正確。 答案 B 3.一只電爐的電阻絲和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)線圈電阻相同,都為R,設(shè)通過它們的電流相同(電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)),則在相同時(shí)間內(nèi),下列判斷正確的是(  ) A.電爐和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量相同 B.電動(dòng)機(jī)兩端電壓等于電爐兩端電壓 C.電動(dòng)機(jī)消耗的功率等于是電爐消耗的功率 D.電爐兩端的電壓大于電動(dòng)機(jī)兩端的電壓 解析 對(duì)電動(dòng)機(jī)有P1=IU1=IU′+I(xiàn)UR① 其中IU′為轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率。 對(duì)電爐有P2=I2R=IUR② 可得IU1>IUR,P1>P2,B、C、D錯(cuò)

18、誤,A正確。 答案 A 4.(2017·溫州選考模擬)掃地機(jī)器人是智能家用電器的一種,它利用自身攜帶的小型吸塵部件進(jìn)行吸塵清掃,如圖1為“iRobot”掃地機(jī)器人,已知其電池容量 2 000 mAh,額定工作電壓15 V,額定功率30 W,則下列說法正確的是(  ) 圖1 A.掃地機(jī)器人的電阻是10Ω B.題中“mAh”是能量的單位 C.掃地機(jī)器人正常工作時(shí)的電流是2 A D.掃地機(jī)器人充滿電后一次工作時(shí)間約為4 h 解析 掃地機(jī)器人不是純電阻,無法求出其電阻為10 Ω,A錯(cuò)誤;mAh是電荷量單位,不是能量單位,B錯(cuò)誤;由P=UI可得I==2 A,C正確;工作時(shí)間t==1

19、 h,D錯(cuò)誤。 答案 C 5.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,則在時(shí)間內(nèi)t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為(  ) A.4Q B.2Q C. D. 解析 由電熱公式Q=I2Rt可得:Q=()22Rt=I2Rt=Q。故C正確。 答案 C 6.有一只電風(fēng)扇,標(biāo)有“220 V 50 W”,電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為0.4 Ω,把它接入 220 V的電路中,以下幾種計(jì)算時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生熱量的方法,正確的是(  ) A.Q= B.Q=Pt C.Q=()2Rt D.以上三種方法均正確 解析 對(duì)純電阻電路電熱的計(jì)算可用Q=UIt=I2Rt=,而電風(fēng)扇工作時(shí)不能

20、看成純電阻電路,故電熱計(jì)算要用Q=I2Rt計(jì)算,而電流計(jì)算I=用于任何電路,所以C項(xiàng)正確。 答案 C 7.如圖2所示,有一內(nèi)電阻為4.4 Ω的電解槽和一盞標(biāo)有“110 V 60 W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220 V的直流電路兩端,燈泡正常發(fā)光,則(  ) 圖2 A.電解槽消耗的電功率為120 W B.電解槽的發(fā)熱功率為60 W C.電解槽消耗的電功率為60 W D.電路消耗的總功率為60 W 解析 燈泡能正常發(fā)光,說明電解槽和燈泡均分得110 V電壓,且電流I=I燈=,則電解槽消耗的功率P=P燈=60 W,C對(duì)、A錯(cuò);電解槽的發(fā)熱功率 P熱=I2R=1.3 W,B錯(cuò);整個(gè)

21、電路消耗的功率P總=220 V×=120 W,D錯(cuò)誤。 答案 C 8.加在某電動(dòng)機(jī)上的電壓是U,電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為P,電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為r,則電動(dòng)機(jī)線圈上消耗的電熱功率為(  ) A.P B. C. D.P- 解析 因?yàn)镻=IU,I=,所以P熱=()2r,故選項(xiàng)C正確。 答案 C 9.如圖3所示的電路中,L1、L2是兩個(gè)不同的小燈泡,a、b間有恒定的電壓,它們都正常發(fā)光,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向右滑動(dòng)時(shí),不可能發(fā)生的現(xiàn)象是(  ) 圖3 A.L1亮度不變,L2變暗 B.L1變暗,L2變亮 C.電路消耗的總功率變小 D.流過滑動(dòng)變阻器的電流變小 解析 滑動(dòng)變阻

22、器的滑片向右滑動(dòng)時(shí)阻值增大,并聯(lián)部分的電阻變大,分得電壓變大,所以L2兩端電壓增大,變亮。L1分得電壓變小,L1變暗,A不可能,B可能;因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器電阻變大,總電阻變大,由P=可知,U一定,P減小,即電路總功率減小,C可能;又因?yàn)榭傠娮柙龃?,總電流減小,而L2電壓變大,電流變大,所以流過變阻器的電流減小,D可能。 答案 A 10.一輛電瓶車,質(zhì)量為500 kg,由內(nèi)阻不計(jì)的蓄電池組向直流電動(dòng)機(jī)提供24 V的電壓,當(dāng)電瓶車在水平地面上以0.8 m/s的速度勻速行駛時(shí),通過電動(dòng)機(jī)的電流為5 A,設(shè)電瓶車所受的阻力是車重的0.02倍,則此電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻為(g取10 m/s2)(  ) A.4.

23、8 Ω B.3.2 Ω C.1.6 Ω D.0.4 Ω 解析 根據(jù)能量守恒定律可得24×5=0.02×500×10×0.8+52r,解得r=1.6 Ω,選項(xiàng)C正確。 答案 C 11.微型吸塵器的直流電動(dòng)機(jī)M的內(nèi)阻一定,加在M兩端的電壓為0.3 V時(shí),通過M的電流為0.3 A,M不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)加在M兩端的電壓為2.0 V時(shí),通過M的電流為0.8 A,M正常工作,求: (1)電動(dòng)機(jī)內(nèi)電能轉(zhuǎn)化為熱能的功率P熱; (2)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率P機(jī); (3)吸塵器的效率η。 解析 (1)M不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為純電阻用電器,則M的內(nèi)阻為 r== Ω=1 Ω M正常工作時(shí),電能轉(zhuǎn)化為熱能的功率為

24、 P熱=I2r=0.82×1 W=0.64 W (2)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為 P機(jī)=P-P熱=U2I2-P熱=0.96 W (3)吸塵器的效率η=×100%=×100%=60% 答案 (1)0.64 W (2)0.96 W (3)60% 12.表中是一輛電動(dòng)自行車說明書上的一些技術(shù)參數(shù),根據(jù)表中提供的信息,探究以下問題: 規(guī)格 后輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī) 車型 26″電動(dòng)自行車 額定輸出功率 120 W 整車質(zhì)量 30 kg 額定電壓 40 V 最大載重 120 kg 額定電流 3.5 A (1)在額定電壓下工作時(shí),該電機(jī)的內(nèi)阻是多少?其效率為多

25、大? (2)假設(shè)行駛過程中所受阻力是車和人總重的0.02倍,在最大載重量的情況下,人騎車行駛的最大速度為多大?(g取10 m/s2) 解析 (1)由題目提供的表可知,電機(jī)的輸出功率為P出=120 W,額定電壓為U0=40 V,額定電流為I0=3.5 A 電機(jī)正常工作時(shí)輸入功率為 P入=U0I0=40×3.5 W=140 W 所以電機(jī)的效率為 η=×100%=×100%≈85.7% 設(shè)電機(jī)的內(nèi)阻為r,則由歐姆定律知P入-P出=Ir 解得r=1.63 Ω (2)設(shè)車的質(zhì)量為m,由題意知,行駛時(shí)所受阻力為 F阻=k(M+m)g 當(dāng)達(dá)到最大速度vmax時(shí),應(yīng)用P出=F阻vmax

26、 解得vmax=4 m/s。 答案 (1)1.63 Ω 85.7% (2)4 m/s 13.如圖4所示,有一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī),內(nèi)阻為0.6 Ω,串聯(lián)一個(gè)阻值為R=5 Ω的電阻,它們兩端的總電壓為U=160 V,電壓表讀數(shù)為110 V。求: 圖4 (1)通過電動(dòng)機(jī)的電流; (2)電動(dòng)機(jī)的輸入功率; (3)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率; (4)電動(dòng)機(jī)工作1小時(shí)對(duì)重物做的功。 解析 (1)根據(jù)題意得,加在電動(dòng)機(jī)兩端的電壓U1=110 V則電阻R的兩端的電壓UR=160 V-110 V=50 V,所以通過R的電流I== A=10 A,故通過電動(dòng)機(jī)的電流為10 A; (2)電動(dòng)機(jī)的輸入功率為 P1=U1I=110 V×10 W=1 100 W; (3)由焦耳定律得電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率為 P2=I2r=102×0.6 W=60 W; (4)由能量守恒可得電動(dòng)機(jī)輸出功率為 P3=P1-P2=1 040 W,所以電動(dòng)機(jī)工作一小時(shí)對(duì)重物做功為 W=P3t=1 040×3 600 J=3.744×106 J。 答案 (1)10 A (2)1 100 W (3)60 W (4)3.744×106 J

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