2019_2020学年高考物理主题2电路及其应用5焦耳定律学案必修.pdf

《2019_2020学年高考物理主题2电路及其应用5焦耳定律学案必修.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019_2020学年高考物理主题2电路及其应用5焦耳定律学案必修.pdf（17页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、5 焦耳定律5 焦耳定律 学科素养与目标要求 物理观念 ： 1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念.2.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的 特点和区别. 科学思维 ： 1.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系，并能进行有关的计算.2.了解 公式QI2Rt(PI2R)、Q(P)的适用条件.3.通过有关实例，让学生理解非纯电阻电 U2t R U2 R 路中的能量转化关系. 一、电功和电功率 1.电功 (1)电功是指电路中静电力对定向移动的电荷所做的功， 电流做功的过程就是电能转化为其他 形式能的过程. (2)电功的计算公式：WIUt. 单位：焦耳，符号为 J. 常用的单位：千瓦时(kWh)，也

2、称“度” ，1kWh3.6106J. 2.电功率 (1)定义：单位时间内电流所做的功. (2)公式：P UI. W t (3)单位：瓦特，符号为 W. (4)意义：表示电流做功的快慢. 二、焦耳定律 1.焦耳定律 (1)内容 ： 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. (2)表达式：QI2Rt. 2.热功率 (1)定义：单位时间内的发热量称为热功率. (2)表达式：PI2R. (3)物理意义：表示电流发热快慢的物理量. 1.判断下列说法的正误. (1)电功率越大，表示电流做功越多.() (2)电功WUIt可以用来计算所有电路中电流所做的功.() (3)电热Q

3、I2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热.() (4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热.() 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 I 2 内产生的热量为_. 答案 Q 2 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，Q 22Rt 1 2( I 2) I2RtQ. 1 2 1 2 一、电功和电热的理解 电吹风工作时，将电能转化为什么能？电熨斗工作时，将电能转化为什么能？ 答案 电吹风工作时，把电能转化为内能和机械能.电熨斗工作时，将电能转化为内能.

4、1.电功和电功率 WUIt是电功的计算式，PUI是电功率的计算式，适用于任何电路. 2.电热和热功率 QI2Rt是电热的计算式，P热I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热 功率. 3.纯电阻电路与非纯电阻电路 (1)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. (2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路.在非纯电阻电路中，电 流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能. 4.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较 纯电阻电路非纯电阻电路 举例白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅电动机、电解槽 能量转化情况 电功和电热的 关系

5、WQ即IUtI2Rt WQE其他 UItI2RtE其他 电功率和热功 率的关系 PP热，即IUI2R PP热P其他 即IUI2RP其他 欧姆定律是否 成立 UIR，IU R UIR，IU R 成立不成立 说明 WUIt、P电UI适用于任何电路计算电功和电功率 QI2Rt、P热I2R适用于任意电路计算电热和热功率 只有纯电阻电路满足WQ，P电P热；非纯电阻电路WQ，P电P热 例 1 (多选)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.WUIt适用于任何电路，而WI2Rtt只适用于纯电阻电路 U2 R C.在非纯电阻电路中，U

6、II2R D.焦耳热QI2Rt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PIU，I ， W t P U 焦耳热Q( )2Rt，可见Q与P、U、t、R都有关，所以P越大，Q不一定越大，A 错误. P U WUIt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 正确. U R 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 正确. QI2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D 正确. 二、纯电阻电路中的功率分配及计算 1.在纯电阻电路中，由于WQ，I ，所以有UII2R. U R U2 R 2.串、

7、并联电路中的功率关系 串联电路并联电路 功率分配 P1 P2 R1 R2 P1 P2 R2 R1 总功率PP1P2PnPP1P2Pn 3.额定功率和实际功率 (1)用电器正常工作时所消耗的电功率叫做额定功率.当实际电压达到额定电压时，实际功率 等于额定功率. (2)为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率. 例 2 (2018西安高新一中期末)把家用电炉的电热丝剪去一小段后，继续使用，则在同样 的时间内( ) A.由QI2Rt可知，电炉的发热量减小 B.由QUIt可知，电炉的发热量不变 C.由Qt可知，电炉的发热量增大 U2 R D.无法确定 答案 C 解析 将家用电炉的电热丝剪去一小段后

8、， 其电阻R变小， 由于加在电炉两端的电压U不变， 因此由公式Qt可知，在相同时间t内，电炉的发热量Q增大，选项 C 正确. U2 R 例 3 额定电压都是 110V、额定功率PA100W、PB40W 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PUI，可知RARB. U2 R 对于 A 电路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110V，B 灯被烧毁，UA110V，A 灯不能正 常发光. 对于 B 电路，由于RBRA，A 灯又并联滑动变阻器

9、，并联电阻小于RB，所以UBU并，B 灯被 烧毁，A 灯不能正常发光. 对于 C 电路，B 灯与滑动变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UAUB110V，两灯可以正 常发光. 对于 D 电路，若滑动变阻器的有效电阻等于 A、B 的并联电阻，则UAUB110V，两灯可以正 常发光. 比较 C、D 两个电路，当灯 A、B 均正常发光时，由于 C 电路中滑动变阻器功率为(IA IB)110V，而 D 电路中滑动变阻器功率为(IAIB)110V，所以 C 电路消耗电功率最小. 三、非纯电阻电路功率的分析与计算 1.电动机的功率和效率 (1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P入UI. (2)电动机

10、的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热I2r. (3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率，P出IUI2r. (4)电动机的效率：100%100%. P出 P入 IUI2r IU 2.串、并联电路的总功率 (1)串联电路：P总U总I(U1U2U3)IP1P2P3 (2)并联电路：P总UI总U(I1I2I3)P1P2P3 从能量转化的角度看， 无论是串联电路还是并联电路， 无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路， 电路消耗的总功率均等于电路中各部分消耗的功率之和. 例 4 (2018九江一中月考)有一个直流电动机， 把它接入 0.2V 电压的电路时， 电动机不转， 测得流过电动机的电流是 0

11、.4A； 把它接入 2V 电压的电路中， 电动机正常工作， 工作电流是 1A. (1)求这台电动机的内阻； (2)求电动机正常工作时的输出功率； (3)如在正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率为多大？ 答案 (1)0.5 (2)1.5W (3)8W 解析 (1)电动机不转时电路为纯电阻电路， 由欧姆定律可知电动机线圈的内阻r U0 I0 0.2 0.4 0.5 (2)电动机正常工作时电路为非纯电阻电路，消耗的总功率P总UI21W2W 线圈内阻的热功率P热I2r120.5W0.5W 则电动机正常工作时的输出功率P出P总P热2W0.5W1.5W (3)电动机的转子突然被卡住时，此时电路

12、为纯电阻电路，发热功率PW8W. U2 r 22 0.5 例 5 小型直流电动机(其线圈内阻为r1)与规格为“4V 4W”的小灯泡并联，再与阻值 为R5 的电阻串联，然后接至U12V 的电源上，如图 1 所示，小灯泡恰好正常发光，电 动机正常工作，求： 图 1 (1)通过电动机的电流； (2)电动机的输出功率P出； (3)电动机的效率. 答案 (1)0.6A (2)2.04W (3)85% 解析 (1)流经灯泡的电流IL A1A P UL 4 4 流经电阻R的电流 IRA1.6A UUL R 124 5 流经电动机的电流IIRIL0.6A. (2)电动机消耗的总功率PULI40.6W2.4W

13、电动机的热功率 P热I2r(0.6)21W0.36W 电动机的输出功率P出PP热2.4W0.36W2.04W (3)电动机的效率： 100%100%85%. P出 P 2.04 2.4 学科素养 通过以上两题使学生熟练掌握电功、电热的基本公式，并能区别应用电功率、 热功率的相关公式进行相关计算，充分体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养. 针对训练 如图 2 所示，有一内电阻为 4.4 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( ) 图 2 A.电解槽消耗的电功率为 120W B.电解槽的发热功率为 60W C.电解槽消耗的

14、电功率为 60W D.电路消耗的总功率为 60W 答案 C 解析 灯泡正常发光，说明电解槽和灯泡均分得 110V 电压，且干路电流II灯A，则电 6 11 解槽消耗的电功率PP灯60W，A 错，C 对；电解槽的发热功率P热I2R内1.3W，B 错； 整个电路消耗的总功率P总220W120W，D 错. 6 11 1.(对电功率的理解)如图 3 所示， 一幢居民楼里住着生活习惯各不相同的 24 户居民， 所以整 幢居民楼里有各种不同的电器，例如电炉、电视机、微波炉、电风扇等.停电时，用欧姆表测 得A、B间电阻为R； 供电后，各家电器同时使用，测得A、B间电压为U，进线电流为I，则 计算该幢居民楼用

15、电的总功率可以用的公式是( ) 图 3 A.PI2RB.PU 2 R C.PIUD.PI2RU 2 R 答案 C 解析 家用电器中有纯电阻也有非纯电阻，故总电功率只能用PUI来计算，C 正确. 2.(对焦耳定律的理解)(多选)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的 电流且正常工作，在相同时间内( ) A.电炉放热与电动机放热相等 B.电炉两端电压小于电动机两端电压 C.电炉两端电压等于电动机两端电压 D.电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率 答案 ABD 3.(纯电阻电路功率的分配及计算)把 6 个相同的电灯接成如图 4 甲、乙所示两电路，通过调 节供电电压与变阻器R1、R2的阻

16、值，使两组电灯均能正常发光，并且两电路消耗的总电功率 也相同，则R1、R2大小满足( ) 图 4 A.R29R1B.R26R1 C.R23R1D.R1R2 答案 A 解析 设每个灯泡正常发光时其电流为I，则题图甲中总电流为 3I，题图乙中总电流为I； 要使两电路消耗的总电功率也相同，需使PR1PR2，即(3I)2R1I2R2，故R29R1，所以选项 A 正确. 4.(非纯电阻电路功率的计算)(2018清华附中期中)小电瓶车的电源电动势为 12V，电源内 阻不计，电动机线圈电阻为 1，当它以 5m/s 的速度在水平地面匀速行驶时，受到的摩擦力 为 7.2N，求此时通过电动机线圈的电流. 答案 6

17、A 解析 电瓶车匀速运动时，FFf7.2N， 由PFv可知，电瓶车输出功率：P7.25W36W， 电动机的输出功率P出UII2r36W， 代入数据得：12II236 计算得出：I6A. 一、选择题 考点一 电功、电功率 1.室内有几种用电器 ： 1.5kW 的电饭煲、 200W 的电冰箱、 750W 的取暖器、 250W 的电视机和 2kW 的空调器.如果进线处有 13A 的保险丝，供电电压为 220V，下列情况下不能同时使用的是 ( ) A.电饭煲和电冰箱 B.取暖器和空调器 C.电饭煲和空调器 D.电冰箱、电视机和空调器 答案 C 解析 电路中允许的最大功率为PmUI2860W.用电器的功

18、率之和大于Pm时， 用电器就不可 以同时使用，故 C 正确. 2.如图 1 所示为某两个电阻的UI图象，则电阻之比R1R2和把两电阻串联后接入电路时 消耗功率之比P1P2及并联后接入电路时消耗功率之比P1P2分别是( ) 图 1 A.21 21 12 B.21 12 21 C.12 12 21 D.12 21 12 答案 A 3.(多选)有两个灯泡 L1、L2，额定电压皆为 6V，额定功率分别为 6W、3W，将它们接在电路中， 下列说法正确的是( ) A.若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为 9W B.若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为 4.5W C.若将它们并联接在电路中，

19、两灯泡的总功率最大为 9W D.若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为 4.5W 答案 BC 解析 当两灯泡串联时，电流相等，L1的额定电流为I11A，电阻R16，L2的 P1 U1 U12 P1 额定电流为I20.5A，电阻R212.要使两灯泡不致被烧坏，电路中的最大电流 P2 U2 U22 P2 为 0.5A，最大功率为PmaxI22R1I22R24.5W，故 A 错误，B 正确；当两灯泡并联时，电压 相等，当电压为 6V 时，两灯皆可正常发光，此时电路最大功率为 9W，故 C 正确，D 错误. 4.A、B 为“220V 100W”的两盏相同的灯泡，C、D 为“220V 40W”的两

20、盏相同的灯泡.现将 四盏灯泡接成如图 2 所示的电路，并将两端接入电路，各灯实际功率分别为PA、PB、PC、PD. 则实际功率的大小关系为( ) 图 2 A.PAPB，PCPD B.PAPDPBPC C.PDPAPBPC D.PBPCPDPA 答案 C 解析 根据R得，RARBRCRD.由电路图知，UBUC， 根据P知PBPC； 因为IAID， U2 P U2 R 根据PI2R知，PDPA.流过 A、 D 的电流大于流过 B、 C 的电流， 由PI2R知，PAPB，PDPC， 所以PDPAPBPC. 考点二 焦耳定律、热功率 5.关于电功W和电热Q的说法正确的是( ) A.在任何电路中都有WU

21、It、QI2Rt，且WQ B.在任何电路中都有WUIt、QI2Rt，但W不一定等于Q C.WUIt、QI2Rt均只有在纯电阻电路中才成立 D.WUIt在任何电路中都成立，QI2Rt只在纯电阻电路中才成立 答案 B 解析 WUIt是电功的定义式，适用于任何电路，QI2Rt是焦耳热的定义式，也适用于任 何电路，如果是纯电阻电路，则WQ，在非纯电阻电路中WQ，B 对，A、C、D 错. 考点三 纯电阻、非纯电阻电路 6.有一台电风扇，额定电压为 220V，额定电功率为 50W，线圈电阻为 0.4.当电风扇在额定 电压下工作时，关于它的线圈电阻每分钟产生的热量是多少，有四位同学计算如下，其中正 确的是(

22、 ) A.QI2Rt 20.460J1.24J ( 50 220) B.QPt5060J3000J C.QIUt22060J3000J 50 220 D.Qt60J7.26106J U2 R 2202 0.4 答案 A 解析 电风扇正常工作时产生的热量是由于线圈发热产生的，所以每分钟产生的热量为Q I2Rt1.24J，A 正确. 7.(多选)(2018山师附中期末)日常生活用的电吹风中有电动机和电热丝，电动机带动风叶 转动， 电热丝给空气加热， 得到热风可将头发吹干.设电动机线圈的电阻为R1， 它与电阻为R2 的电热丝相串联， 接到直流电源上， 电吹风两端电压为U， 通过的电流为I， 消耗的电

23、功率为P， 则以下选项正确的是( ) A.IUPB.IUP C.PI2(R1R2) D.PI2(R1R2) 答案 BC 解析 根据题意可知， 通过电吹风的电流为I， 它两端的电压为U， 所以它消耗的电功率PUI， A 项错误，B 项正确 ； 电吹风内部有两部分电阻，一是电热丝的电阻，二是电动机线圈的电阻， 所以热功率为I2(R1R2)，因为有一部分电能转化为电动机的机械能，所以PI2(R1R2)，C 项正确，D 项错误. 8.(2018河北正定中学段考)一个电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为 220V 的交流电 源上(电源内阻忽略不计)，均正常工作.用电流表分别测得通过电饭煲的电流是 5.0

24、A，通过 洗衣机电动机的电流是 0.50A，则下列说法中正确的是( ) A.电饭煲的电阻为 44，洗衣机电动机线圈的电阻为 440 B.电饭煲消耗的电功率为 1555W，洗衣机电动机消耗的电功率为 155.5W C.1min 内电饭煲消耗的电能为 6.6104J，洗衣机电动机消耗的电能为 6.6103J D.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的 10 倍 答案 C 解析 由于电饭煲是纯电阻用电器，所以R144，P1UI11100W，其在 1min 内消耗 U I1 的电能W1UI1t6.6104J， 洗衣机为非纯电阻用电器， 所以R2440，P2UI2110W， U I2 其在 1min 内

25、消耗的电能W2UI2t6.6103J，其热功率P热P2，而P110P2，所以电饭煲 发热功率不是洗衣机电动机发热功率的 10 倍，只有选项 C 正确. 9.电阻R和电动机串联接到电路中， 如图 3 所示， 已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等， 开关接通后，电动机正常工作.设电阻R和电动机两端的电压分别为U1和U2，经过时间t， 电流通过电阻R做功为W1，产生热量为Q1，电流通过电动机做功为W2，产生热量为Q2，则有 ( ) 图 3 A.U1U2，Q1Q2B.U1U2，Q1Q2 C.W1W2，Q1Q2D.W1W2，Q1Q2 答案 A 解析 电动机是非纯电阻，其两端电压U2IRU1，B 错；电流做

26、的功W1IU1t，W2IU2t， 因此，W1W2，C 错；产生的热量由QI2Rt可判断Q1Q2，A 对，D 错. 二、非选择题 10.(2017启东中学高一下期末)如图 4 所示， M 为电动机，N为电炉子， 电炉子的电阻R4， 电动机的内阻r1，恒定电压U12V.当 S1闭合、S2断开时，理想电流表 A 示数为I1； 当 S1、S2同时闭合时，理想电流表 A 示数为I25A.求： 图 4 (1)理想电流表的示数I1及电炉子发热功率； (2)电动机的输出功率. 答案 (1)3A 36W (2)20W 解析 (1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律得： I1 A3A U R 12 4 其发热功率为：

27、PRI12R324W36W； (2)当 S1、S2同时闭合时，流过电动机的电流为： I3I2I12A， 电动机为非纯电阻元件，由能量守恒定律得： UI3P出I32r， 代入数据解得：P出20W. 11.规格为“220V 36W”的排气扇，线圈电阻为 40，求： (1)接 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，扇叶卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率. 答案 (1)35W 1W (2)1210W 1210W 解析 (1)排气扇在 220V 的电压下正常工作时的电流为I A0.16A. P U 36 220 发热功率为P热I2R(0.1

28、6)240W1W. 转化为机械能的功率为 P机PP热(361) W35W. (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 A5.5A. U R 220 40 电动机消耗的功率即电功率等于发热功率： P电P热UI2205.5W1210W. 12.一台小型电动机在 380V 电压下正常工作时，能将 30kg 的货物在 30s 内匀速提升 30m，通 过它的电流是 1A.除电动机线圈生热，其他能量损失不计，求在此过程中：(g取 10N/kg) (1)拉力对货物做功的功率； (2)电动机的输出功率； (3)电动机线圈所产生的热量. 答案 (1)300W (2)300W (3)2400J 解析 (1)货物匀速上升，故拉力等于重力， 故有Fmg3010N300N， 上升的速度为v 1m/s， h t 30m 30s 故拉力的功率为PFv3001W300W. (2)电动机的输出功率P出P300W. (3)由能量守恒定律可知 QIUtmgh(13803030030) J2400J.