高中教科版物理选修3-1素养学案第二章6焦耳定律电路中的能量转化

温馨提示：此套题为Word版，请按住Ctrl,滑动鼠标滚轴，调节合适的观看比例，答案解析附后。关闭Word文档返回原板块。6.焦耳定律电路中的能量转化必备知识·自主学习一、探究决定导体电阻的因素比较项目电功电功率概念电场力移动电荷所做的功电流所做的功与做这些功所用时间的比值公式W=IUtP=QUOTE=IU单位焦耳,符号是J瓦特,简称瓦,符号是W物理意义描述电能转化为其他形式的能的多少描述电流做功的快慢二、焦耳定律热功率为什么电视机、电风扇通电时间长了会发热?提示:由于电视机,电风扇存在电阻,电流通过时,电能转化为内能而发热。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,跟电阻值成正比,跟通电时间成正比。(2)表达式:Q=I2Rt。2.焦耳热和热功率:(1)焦耳热:电流通过电阻产生的热量。(2)热功率:①定义:电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值,它在数值上等于单位时间内电阻通电所产生的热量。②公式:P热=QUOTE=I2R。③物理意义:表示电流发热快慢的物理量。三、电路中的能量转化闭合开关,物体上升,此过程中能量转化情况是怎样的?提示:闭合开关,物体上升过程中,电源的电能转化为物体的机械能和电动机的内能。1.在电源内部,通过各种作用,其他形式的能转化为电能。2.在外电路上,电场力做功,将电源输出的电能转化为其他形式的能。(1)在纯电阻元件中,电流使电阻发热,电能全部转化为内能,电功率等于热功率,即P电=P热。(2)在非纯电阻元件中,电能要分别转化为机械能、化学能等,还有一部分转化为电阻的内能,这时P电=P热+P其他,电功率大于热功率。3.闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体体现:IE=IU+I2r。4.当外电路电阻R为零(短路)时,路端电压U=0,这时电流称为短路电流I0,有I0E=QUOTEr。发生短路时,电源释放的能量全部在内电路中转化成内能。关键能力·合作学习知识点一电功和电功率1.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较:比较项目纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的元件欧姆定律服从欧姆定律,I=QUOTE不服从欧姆定律,U>IR或I<QUOTE能量转化电流做功,电能全部转化为电热电流做功,电能除转化为内能外还要转化为其他形式的能元件举例电阻、电炉丝、白炽灯等电动机、电解槽等2.电功与电热的比较:(1)电功与电热。比较项目纯电阻电路非纯电阻电路能量转化电功W=UIt=I2Rt=QUOTEtW=UIt电热Q=UIt=I2Rt=QUOTEtQ=I2Rt关系W=QW>Q(2)电功率与热功率。比较项目纯电阻电路非纯电阻电路电功率P电=UI=I2R=QUOTEP电=UI热功率P热=UI=I2R=QUOTEP热=I2R关系P电=P热P电>P热情境:讨论:(1)家用电器的铭牌是我们在购买电器时的重要参考,电冰箱和电磁炉消耗的电能哪个更多?提示:虽然电磁炉的功率大于电冰箱的功率,但是工作时间不确定,所以无法比较消耗的电能大小。(2)电冰箱和电磁炉消耗的电能转化方向是否相同?提示:电冰箱:电能一方面转化为制冷消耗,一方面散热消耗;电磁炉:电能转化为热能。【典例】规格为“220V36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,求:(1)接上220V的电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率;(2)如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率。【解析】(1)接上220V电压后,排气扇的功率为36W。根据热功率公式P热=I2R=(QUOTE)2×40W≈1W所以转化为机械能的功率P机=P-P热=36W-1W=35W(2)当接上220V电压后,扇叶被卡住,不能转动,此电路变为纯电阻电路,消耗的功率全部转化为热功率,所以P=P热=QUOTE=QUOTEW=1210W答案:(1)35W1W(2)1210W1210W1.随着我国人民生活水平的不断提高,家庭中使用的电器越来越多,下列电器中主要利用电流的热效应工作的是()A.手机B.电视机C.电热水壶D.空调【解析】选C。手机充电时是电能转化为化学能,A错误;电视机工作时,将电能转化为光能、电场能、磁场能等,B错误;电热水壶是将电能转化为内能,C正确;空调取暖时是电热器工作,电能转化为内能;制冷时是压缩机工作,将电能转化为机械能,D错误。故选C。2.(多选)(2020·广元高二检测)如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图,其中电动机内电阻r=1Ω,电路中另一电阻R=9Ω,直流电压U=180V,理想电压表示数UV=135V,电动机正以v=1m/s匀速竖直向上提升某重物,g取10m/s2,下列判断正确的是()A.通过电动机的电流是18AB.输入电动机的电功率是675WC.电动机的输出功率是25WD.重物的质量是65kg【解析】选B、D。通过R的电流为:I=QUOTE=QUOTEA=5A,A错误;电动机的输入功率为P1=UVI=135×5W=675W,故B正确;电动机内电阻的发热功率为P2=I2r=52×1W=25W,输出的机械功率为:P3=P1-P2=(675-25)W=650W,C错误;P3=Fv=mgv解得m=QUOTEkg=65kg,D正确;故选B、D。【加固训练】1.对计算任何用电器的热功率都适用的公式是(P表示用电器的热功率,W表示电流对用电器做的功,U表示用电器两端电压,I表示通过用电器上的电流)()A.P=I2R B.P=IUC.P=QUOTE D.P=QUOTE【解析】选A。公式P=I2R计算热功率适用于所有电器。则A正确,B、C、D三项若求得热功率,则只能是纯电阻电路才可用的公式。2.(多选)如图所示的电路中,L1、L2是两个不同的小灯泡,a、b间有恒定的电压,它们都正常发光,当滑动变阻器的滑片向右滑动时,发生的现象是()A.L1亮度不变,L2变暗B.L1变暗,L2变亮C.电路消耗的总功率变小D.流过滑动变阻器的电流变小【解析】选B、C、D。当变阻器滑片向右滑动时阻值增大,并联部分的电阻变大,分得电压变大,所以L2两端电压增大,变亮。L1分得电压变小,L1变暗,A错误,B正确;因为滑动变阻器电阻变大,总电阻变大,由P=QUOTE可知,U一定,P减小,即电路总功率减小,C正确;又因为总电阻增大,总电流减小,而L2电压变大,电流变大,所以流过变阻器的电流减小,D正确。知识点二闭合电路的功率1.电源总功率:电路消耗电能总功率,公式为P总=EI。2.电源的输出功率:外电路消耗功率,公式为P出=IU=IE-I2r。3.电源的内耗功率:电源的内电路消耗的功率,公式为P内=I2r。4.各部分功率间的关系:P总=P出+P内或IE=I2R+I2r。5.纯电阻电路中电源输出功率的讨论:P出=UI=I2R=QUOTE=QUOTE。(1)电源的输出功率随外电阻的变化关系如图所示。(2)当R=r时,P出max=QUOTE。(3)一个输出功率P(除最大功率外)对应于两个不同的外电阻R1和R2,且r=QUOTE。(4)当R<r时,R↑→P出↑;当R>r时,R↑→P出↓。6.电源的效率:(1)电源的输出功率与总功率的比值,即η=QUOTE×100%=QUOTE×100%。(2)当R=r时,η=50%。情境:电池说:我提供整个电路的能量,所以输出功率的大小我说了算。电阻说:我是用电器,消耗的电功率我说了算。讨论:(1)电源和电阻谁说的对?提示:电源的输出功率取决于外电阻的大小。(2)何时电路消耗的总功率最大?提示:由P=EI可知,I越大,P越大,所以电路中的电阻越小,电路消耗的总功率越大。【典例】如图所示,一直流电源与一保护电阻R0和一直流电动机串联,已知电源电动势E=24V(电源内阻不计),保护电阻R0=4Ω,电动机内阻R=2Ω,电动机竖直向上匀速吊起一质量为m=1kg的重物时,电流表的读数I=2A,不计一切阻力,g取10m/s2。(1)电动机的电功率及热功率分别为多大?(2)重物匀速上升的速度v多大?(3)电动机的效率是多少?【解析】(1)根据欧姆定律求出保护电阻两端的电压,再应用串联电路的特点求电动机两端的电压,然后求出电动机的电功率PM=UMI及热功率P热=I2R;保护电阻两端的电压UR0=IR0=2×4V=8V电动机两端的电压UM=E-UR0=24V-8V=16V电动机的电功率PM=UMI=16×2W=32W电动机的热功率P热=I2R=22×2W=8W(2)求出电动机的机械功率P机,然后根据P机=mgv求出重物匀速上升的速度;电动机的机械功率P机=PM-P热=32W-8W=24W重物匀速上升,则F=mgP机=Fv=mgv,则重物匀速上升的速度v=QUOTE=QUOTEm/s=2.4m/s;(3)根据η=QUOTE求出电动机的效率。电动机的效率η=QUOTE×100%=QUOTE×100%=75%答案:(1)32W8W(2)2.4m/s(3)75%1.(多选)(2020·乐山高二检测)一辆电动观光车蓄电池的电动势为E,内阻为r,当空载的电动观光车以速度v在平直公路上匀速行驶时,流过电动机的电流为I,电动机线圈电阻为R,司机与电动观光车总重力为mg,电动观光车受到的阻力是总重力的k倍,忽略电动观光车内部的摩擦,则()A.电源输出功率为EIB.电源效率为QUOTE×100%C.电动机的输出功率为kmgvD.电动机发热功率为EI-I2r【解析】选B、C。电源输出功率为EI-I2r,选项A错误;电源效率为η=QUOTE×100%,选项B正确;电动观光车匀速运动,牵引力等于阻力,即F=kmg,则电动机的输出功率为P出=kmgv,选项C正确;电动机发热功率为I2R,选项D错误。故选B、C。2.(2020·宜宾高二检测)如图所示,电流表A视为理想电表,已知定值电阻R0=4Ω,滑动变阻器R的阻值范围为0～10Ω,电源的电动势E=6V。闭合开关S,当R=3Ω时,电流表的读数I=0.5A。(1)求电源的内阻。(2)当滑动变阻器R为多大时,电源的总功率最大?最大值Pm是多少?【解析】(1)电源的电动势E=6V。闭合开关S,当R=3Ω时,电流表的读数I=0.5A,根据闭合电路欧姆定律可知I=QUOTE解得:r=5Ω(2)电源的总功率P=IE解得:P=QUOTE当R=0Ω,P最大,最大值Pm=4W答案:(1)5Ω(2)04W【加固训练】1.用电器离电源Lm,线路上的电流为I,为使在线路上的电压降不超过U,已知输电线的电阻率为ρ。那么,输电线的横截面积的最小值为()A.QUOTE B.QUOTEC.QUOTE D.QUOTE【解析】选B。自用电器到电源需两根导线,故导线总长为2L,由R=QUOTE及R=ρQUOTE解得:S最小=QUOTE,B正确。2.(多选)在如图所示的电路中,灯泡L的电阻大于电源的内阻r,闭合开关S,将滑动变阻器滑片P向左移动一段距离后,下列结论正确的是()A.灯泡L变亮B.电源的输出功率变小C.电容器C上电荷量减少D.电流表示数变小,电压表示数变大【解析】选B、D。将滑动变阻器滑片P向左移动一段距离后,R的阻值变大,电路中电流变小,灯泡变暗,A选项错误;路端电压变大,电阻R两端电压变大,电容器C两端电压变大,电容器C上电荷量增加,C选项错误,D选项正确;当外电路电阻等于电源的内阻时电源的输出功率最大,灯泡L的电阻大于电源的内阻r,R增大,则外电路电阻比r大得越多,电源输出功率越小,即电源输出功率变小,B选项正确。3.如图所示,电源的电动势是6V,内电阻是0.5Ω,电动机M的线圈电阻为0.5Ω,限流电阻R0为3Ω,若电压表的示数为3V,试求:(1)电源的总功率和电源的输出功率。(2)电动机消耗的功率和电动机输出的机械功率。【解析】(1)在串联电路中,电压表测R0两端的电压,由欧姆定律得I=QUOTE=QUOTEA=1A电源的总功率:P总=EI=6×1W=6W由能量转化和守恒定律得:P输出=P总-I2r源=6W-12×0.5W=5.5W(2)电源的输出功率为电动机和限流电阻获得功率之和,即P输出=PM+P0,故PM=P输出-P0=P输出-I2R0=5.5W-3W=2.5W由PM=P机+PMr得P机=PM-PMr=2.5W-I2r机=2.5W-12×0.5W=2W答案:(1)6W5.5W(2)2.5W2W【拓展例题】考查内容:电功率、力的综合应用【典例】一辆电动自行车的铭牌上给出了如表的技术参数: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最大载量120kg额定电流3.5A质量为M=70kg的人骑此电动自行车沿平直公路行驶,所受阻力F阻恒为车和人总重的k=0.02倍。g取10m/s2,求:(1)此车电机的内阻。(2)在电机正常工作时,人骑车行驶的最大速度。【解析】(1)由表可知,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:P入=U0I0=40×3.5W=140W设电机的内阻为r,则由欧姆定律知:P入-P出=QUOTEr解得r=1.63Ω(2)设车的质量为m,由题意知,行驶时所受阻力:F阻=k(M+m)g当达到最大速度vm时,有P出=F阻·vm解得vm=6m/s答案:(1)1.63Ω(2)6m/s课堂检测·素养达标1.(多选)(2020·广元高二检测)如图所示,电源的电动势E=12V,内阻r=2Ω,直流电动机额定功率为6W,额定电压为3V,内阻R0=0.5Ω,调节滑动变阻器R,使电动机刚好正常工作,则此时滑动变阻器通以电流部分的阻值R和电动机的输出功率P分别为()A.R=2.5Ω B.R=3.5ΩC.P=2W D.P=4W【解析】选A、D。根据P=UI可知电动机中的电流为:I=QUOTE=QUOTEA=2A,滑动变阻器两端的电压为UR=E-UM-Ir=12V-3V-4V=5V,故滑动变阻器连入电路的电阻为:R=QUOTE=QUOTEΩ=2.5Ω,A正确,B错误;电动机的输出功率为:P输出=P-I2R0=(6-22×0.5)W=4W,C错误,D正确。故选A、D。2.(多选)关于三个公式P=UI,P=I2R,P=QUOTE的适用范围,以下说法正确的是()A.第一个公式普遍适用于求电功率,后两式普遍适用于求热功率B.在纯电阻电路中,三个公式既可适用于求电功率,又可适用于求热功率C.在非纯电阻电路中,第一个公式可适用于求电功率,第二个公式可适用于求热功率,第三个公式没有意义D.由U=IR可知,三个公式没有任何区别,它们表达相同的意义,所求P既是电功率,也是热功率【解析】选B、C。首先要明确,欧姆定律U=IR只适用于纯电阻电路,因此三个公式在纯电阻电路中没有区别,但在非纯电阻电路中它们互不相同。其次,P=UI表示电功率,而P=I2R表示热功率。因此,在纯电阻电路中,UI=I2R,消耗的电能全部转化为内能;而在非纯电阻电路中,UI>I2R,即消耗的电能只有部分转化为内能。3.R1和R2分别标有“2Ω,1.0A”和“4Ω,0.5A”,将它们串联后接入电路中,如图所示,则此电路中允许消耗的最大功率为()W B.3.0W C.5.0W D.6.0W【解析】选A。把R1和R2串联后,由于R2的最大电流较小,所以串联后的最大电流为0.5A,串联后的总电阻为6Ω,所以电路的最大功率为P=I2R=0.52×6W=1.5W,所以A正确。4.(多选)(2020·绵阳高二检测)在如图所示电路中,P为滑动变阻器的滑片,电表均为理想电表。下列说法正确的是()A.在P向右移动的过程中,电流表的示数变大B.在P向右移动的过程中,电压表的示数变大C.当P移到滑动变阻器的右端时,电源内部消耗的电功率最大D.当P移到滑动变阻器的右端时,电源的效率最高【解析】选A、C。滑动变阻器滑片P向右移动,电路总电阻减小,根据I=QUOTE可知,电流表的示数变大,根据E=U+Ir可知电压表的示数减小,故A正确,B错误;当P移到滑动变阻器的右端时,外电阻R最小,根据I=QUOTE,可知,电路中的电流最大;根据P内=I2r可知此时电源内部消耗的电功率最大,故C正确;根据效率η=QUOTE×100%可知,此时的电源的效率最低,故D错误。5.(多选)如图所示的电路中,电源电动势为12V,内阻为2Ω,四个电阻的阻值已在图中标出。闭合开关S,下列说法正确的有