高中物理第二章恒定电流第5节焦耳定律教学案新人教版选修3_1

第5节 焦耳定律1.电功是指电流通过一段电路所做的功，实质是静电力在这段电路中所做的功，其表达式为WUIt。2电功率是指单位时间内电流所做的功，表达式为P。3焦耳定律的表达式为QI2Rt，此式适用于任何电路。4非纯电阻电路中，由于产热不可避免，所以非纯电阻电路的效率不可能达到100%。一、电功和电功率1电功(1)定义：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和通电时间t三者的乘积。(2)公式：WIUt。(3)国际单位：焦，符号为J。(4)实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。(5)意义：电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。即电功是电能转化为其他形式的能的量度。2电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功。(2)公式：PIU。(3)单位：瓦，符号：W。(4)意义：表示电流做功的快慢。二、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。3热功率(1)定义：单位时间内的发热量。(2)公式：P热I2R，单位：瓦特(W)。(3)意义：表示电流发热快慢的物理量。1自主思考判一判(1)电功与电能的单位相同，电功就是电能。()(2)电功率越大，电功越大。()(3)1千瓦时3.6106 J。()(4)非纯电阻电路中，电热的表达式是QI2Rt。()(5)电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热。()(6)根据I可导出P，该公式用于任何用电器。()2合作探究议一议(1)用电器额定功率越大，接在电路中电流做的功越多，这样说法对吗？提示：不对。电流做功一方面与实际功率有关，另一方面还与通电时间有关，只有实际功率与时间乘积大时，电流做功才多。(2)标有“220 V40 W”的白炽灯泡和“220 V40 W”的电动机，把它们并联后接到220 V的照明电路中，二者都能正常工作，它们在相同的时间内产生的电热相同吗？提示：不同。“220 V40 W”的白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而“220 V40 W”的电动机，通电后消耗的电能大部分转化为机械能，剩余的小部分才转化为内能。串、并联电路中电功率的分析与计算1串联电路功率关系2并联电路功率关系3结论无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。典例额定电压都是110 V，额定功率PA100 W，PB40 W的电灯两盏，若接在电压是220 V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是()审题指导(1)两电灯均正常发光时，其电压必为额定电压。(2)滑动变阻器消耗的功率最小时电路总功率就最小。解析对灯泡有PUI，可知：RARB，对于A电路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110 V，B灯被烧毁，A错误。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，B错误。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，而D电路中变阻器功率为(IAIB)110，所以C电路消耗电功率最小。答案C解答串并联电路电功率问题应注意的两个问题(1)求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要确定是正比还是反比关系。(2)当分析用电器的功率问题时，一定要注意用电器的安全，即不要超过用电器的额定电压、额定电流。 1三个阻值相同的灯泡，其允许消耗的最大功率都是10 W，现将其中的两只灯泡串联起来后再与第三只灯泡并联接在电路中，则整个电路允许消耗的最大功率为()A30 W B20 WC15 W D10 W解析：选C连接后电路如图所示，其中L3两端电压最大，它消耗的电功率为10 W时，因L1与L2串联，且电阻相等，则分配在L1与L2两灯上的电压都是灯L3两端电压的一半。所以P1P2 W2.5 W则整个电路消耗的功率PP1P2P3(2.52.510)W15 W，C正确。2.如图251所示，电源电压8 V，闭合开关后，电流表的示数为0.2 A，电流表的示数为0.3 A。试求：图251 1)R1的电功率；(2)1 min内R2消耗的电能。解析：由电路图可知：I10.2 A，I20.3 A0.2 A0.1 A，(1)P1UI180.2 W1.6 W。(2)QWUI2t80.160 J48 J。答案：(1)1.6 W(2)48 J纯电阻电路与非纯电阻电路纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件，如电阻、电炉丝、白炽灯电路中除电阻外，还包括能把电能转化为其他形式能的用电器，如电动机、电解槽欧姆定律是否适用适用，I不适用，I能量转化电能全部转化为内能：WQUItI2Rtt电能转化为内能和其他形式的能量：WUIt，QI2Rt，WQW其他功率特点电功率等于热功率：P电P热UII2R电功率等于热功率与其他功率之和：P电UI P热I2R P电P热P其他典例规格为“220 V36 W”的排气扇，线圈电阻为40 ，求：(1)接上220 V的电压后，求排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上220 V的电压后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率。审题指导第一步抓关键点关键点获取信息排气扇规格为“220 V36 W”接220 V电压电压和功率均达到额定值线圈电阻40 可根据“220 V36 W” 求出I，从而求出P热接上电源，电动机不转电路转化为纯电阻电路第二步找突破口(1)额定电压下，电流可据I求出。(2)机械功率可通过P机P电P热求出。(3)电动机不工作时，220 V电压全加在40 电阻上，电动机此时即为“电阻”。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P电P热36 W1 W35 W。(2)扇叶被卡住不能转动后， 电动机成为纯电阻电路，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发热功率：P电P热UI2205.5 W1 210 W。答案(1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W(1)当电动机不转动时，消耗的电能全部转化为内能，此时是一个纯电阻元件。当电动机转动时，消耗的电能转化为机械能和内能，此时是非纯电阻元件。(2)求解非纯电阻电路问题时，注意区分电功率和热功率，弄清电功率、热功率、其他功率的关系。 1有一个电风扇，标有“200 V50 W”，电动机线圈的电阻为0.4 ，把它接入220 V的电路中，以下几种计算时间t内产生热量的方法中正确的是()AQ BQPtCQ2Rt D以上三种方法均正确解析：选C通过电风扇的电流为I，因为电风扇不是纯电阻电路，所以其焦耳热为Q2Rt，而不应该是Q或QPt，C正确。2(多选)理发用的电吹风机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，得到热风将头发吹干，设电动机的线圈电阻为R1，它与电热丝的电阻R2串联，接到直流电源上，电吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的电功率为P，则有()APUIBPI2(R1R2)CPUI DPI2(R1R2)解析：选CD电动机电路在电机正常转动时，电动机消耗的功率PUI，且大于发热功率，选项C、D正确。3. (多选)如图252所示，电阻R120 ，电动机的绕阻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，此时电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是()图252AI1.5 A BI1.5 ACP15 W DP15 W解析：选BD当开关断开时，根据UIR算出电源电压为10 V，开关闭合后，电阻R1中的电流没变，电动机两端电压也为10 V。此电压不可能全部在电动机的内阻上，故电动机中的电流不可能达到1 A，所以总电流小于1.5 A。据PUI可知，电源的功率也小于15 W。选项B、D正确。1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WUIt、QI2Rt，且WQB在任何电路中都有WUIt、QI2Rt，但W不一定等于QCWUIt、QI2Rt均只有在纯电阻电路中才成立DWUIt在任何电路中成立，QI2Rt只在纯电阻电路中成立解析：选BWUIt、QI2Rt适用一切电路，但在纯电阻电路中WQ，在非纯电阻电路中WQ，B对，A、C、D错。2(多选)用一个额定电压为220 V的电热水器煮沸一壶水需要t s，如果不考虑电热水器的电热损失和电热丝电阻受温度的影响，那么()A当线路电压为110 V时，煮沸一壶水需要2t sB当线路电压为110 V时，煮沸一壶水需要4t sC当线路电压为55 V时，煮沸一壶水需要4t sD当线路电压为55 V时，煮沸一壶水需要16t s解析：选BD由公式Qt，煮沸一壶水所需的热量为Qt J。当电压变为原来的时，所需热量没变，因此时间要变为原来的4倍，即4t s，选项B正确。当电压变为原来的时，时间要变为原来的16倍，即16t s，选项D正确。3.图1为甲、乙两灯泡的IU图像，根据图像，计算甲、乙两灯泡并联在电压为220 V的电路中时实际发光的功率约为()图1A15 W,30 WB30 W,40 WC40 W,60 WD60 W,100 W解析：选C从图像的横坐标(U)为220 V的刻度可找出对应的纵坐标(I)的值分别为I甲0.18 A，I乙0.27 A。则P甲UI甲40 W，P乙UI乙60 W，C正确。4夏天空调器正常工作时，制冷状态与送风状态交替运行。一空调器在不同工作状态下电功率随时间变化的关系如图2所示，此空调器运行1小时用电()图2A1.0度B1.5度C2.0度 D2.5度解析：选B从题图可以看出，在1小时内，空调器以0.5 kW工作的时间为20分钟，以2 kW工作的时间为40分钟，故空调器1小时内用电为：P1t1P2t2(0.52) kWh1.5 kWh1.5度。5如图3所示，把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中，甲电路两端的电压为8 V，乙电路两端的电压为16 V。调节变阻器R1和R2使两灯都正常发光，此时变阻器消耗的功率分别为P1和P2，两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，则下列关系中正确的是()图3AP甲P乙CP1P2 DP1P2解析：选D由灯都正常发光可知，R1中电流是R2中电流二倍，R1两端电压是R2两端电压的二分之一，两变阻器消耗的功率相等，两电路中消耗的总功率相等，选项D正确，A、B、C错误。6.如图4所示，有一内电阻为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()图4A电解槽消耗的电功率为120 WB电解槽的发热功率为60 WC电解槽消耗的电功率为60 WD电路消耗的总功率为60 W 解析：选C灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且干路电流II灯，则电解槽消耗的功率PP灯60 W，C对A错；电解槽的发热功率P热I2R1.3 W，B错；整个电路消耗的功率P总220 V120 W，D错误。7如图5所示，一幢居民楼里住着生活水平各不相同的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、电脑等。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电的总功率可以用的公式是()图5API2R BPCPIU DPI2R解析：选C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。8(多选)有两个灯泡L1、L2，额定电压皆为6 V，额定功率分别为6 W、3 W，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9 WB若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 WC若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为9 WD若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 W解析：选BC当两灯泡串联时，电流相等，L1的额定电流为I11 A，电阻R16 ，L2的额定电流为I20.5 A，电阻R212 。要使两灯泡不致被烧坏，电路中的最大电流为0.5 A，最大功率为PmaxI2R1I2R24.5 W，故A错，B正确；当两灯泡并联时，电压相等，当电压为6 V时，两灯皆可正常发光，此时电路最大功率为9 W，故C正确，D错误。9(多选)如图6所示，电路两端电压U保持不变，滑动变阻器R的总阻值与R2的阻值均为20 ，电阻R1的阻值为5 。在滑动变阻器R的滑片P由a向b滑动的过程中()图6A干路中的电流不断增大BR1上消耗的电功率不断增大CR1上消耗的电功率不断减小DR2上消耗的电功率不断减小解析：选ABD滑片P由a向b滑动时滑动变阻器接入电路的电阻变小，R并变小，R总变小，电路中的总电流变大，R1两端电压变大，R1消耗的电功率变大；并联部分电压变小，R2消耗的电功率变小。故选项A、B、D正确。10.粗细均匀的金属环上A、B、C、D四点把其周长分成四等份，如图7所示，当A、B两点接入电路中时，圆环消耗的电功率为P；当A、D两点接入电路中时，圆环消耗的电功率为(电源内阻不计)()图7A3P B.PCP D.P解析：选B设金属环的总电阻为4R，则当A、B两点接入电路中时，等效电阻为R，圆环消耗的电功率为P；当A、D两点接入电路中时，等效电阻为R1，圆环消耗的电功率P1P，选项B正确。11一辆电动自行车的铭牌上给出的技术参数如下表。质量M70 kg的人骑着此电动自行车沿平直公路行驶，所受阻力f恒为车和人总重力的k倍，k0.02。取g10 m/s2。求：规格后轮驱动直流永磁铁电动机车型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)此电动自行车的电动机在额定电压下正常工作时的效率；(2)仅在电动机以额定功率提供动力的情况下，人骑车行驶的最大速率；(3)仅在电动机以额定功率提供动力的情况下，当车速v2.0 m/s时，人骑车的加速度大小。解析：(1)由题表可知，电动机的额定电压为U040 V，额定电流为I03