9年级-14-焦耳定律的综合应用（解析版）-全国初中物理竞赛试题编选

试卷第=page2121页，共=sectionpages2222页试卷第=page2222页，共=sectionpages2222页焦耳定律的综合应用全国初中物理竞赛试题精编一、单选题1．如图甲所示，电源电压保持不变，小灯泡的额定电压为10V，电压表量程为0~15V，电流表量程为0~0.6A。在保证电路各元件安全的前提下，先只闭合开关S、S1，将滑片P从最右端b向左最大范围移动到a点。再断开开关S1，闭合开关S2，将滑片P从a点向右移动到最右端。图乙是这两次实验过程中绘制的电流表与电压表示数的关系图像。下列说法正确的是（）A．电源电压为10VB．滑动变阻器的最大阻值为40ΩC．只闭合开关S、S2，滑片P在a点时，定值电阻R2在10s内产生的热量为8JD．只闭合开关S、S1，灯泡L的功率变化范围为1W~5W【答案】D【详解】AB．只闭合开关S、S1，R1与L串联，电流表测电路中电流，电压表测滑动变阻器两端的电压，由题意可知，滑片P在a点时，电路的总电阻最小，根据欧姆定律可知，电路的电流最大，由图像可知最大电流为0.5A，此时滑动变阻器两端的电压为2V，滑动变阻器的最小电阻为滑片P在b端时，电路的总电阻最大，根据欧姆定律知电路的电流最小，由图像可知最小电流为0.25A，滑动变阻器两端的电压为8V，则滑动变阻器的最大电阻为只闭合开关S、S1，滑片从最右端b向左移动到a点，保证电路元件安全，当变阻器连入电路的阻值最小（即滑片在a点时），电路的总电阻最小，电路中电流最大，由图乙知，电路的最大电流Imax

=0.5A<0.6A说明灯泡的额定电流为0.5A，则此时灯泡两端的电压等于其额定电压，此时滑动变阻器的两端电压为2V，由串联电路的电压特点可得，电源电压为故AB错误；C．只闭合开关S、S2，滑片P在a点时，因电压表相当于开路，则可知R1的最大阻值与R2串联，电路中的电流恒为I1=0.3A，由欧姆定律可得，此时R1

两端的电压为此时R2两端的电压为则定值电阻R2在10s内产生的热量为故C错误；D．只闭合开关S、S1，滑片P在a点时，滑动变阻器连入电路的电阻最小，此时电路的电流最大为0.5A，根据串联分压原理可知，灯泡L的两端电压最大，即为其额定电压10V，因此此时灯泡的电功率最大，即为滑片P在b点时，滑动变阻器连入电路的电阻最大，此时电路的电流最小为Imin=0.25A，根据串联分压原理可知，灯泡L的两端电压最小，即为因此此时灯泡的电功率最小，即为因此，灯泡L的功率变化范围为1W~5W。故D正确。故选D。2．如图所示电路，电源电压保持不变。闭合开关S，当滑片P置于变阻器的中点时，电压表的示数为4V；当滑片P置于变阻器的b端时，电压表的示数变化了2V，在10s内定值电阻R1产生的热量为36J。则下列结果正确的是（）A．电路中的最大电流为1AB．滑片P在中点时，10s内滑动变阻器R消粍的电能为60JC．滑动变阻器R先后两次消耗的电功率之比为8:1D．R1先后两次消耗的电功率之比为16:9【答案】D【详解】当滑片P置于变阻器的b端时，其电阻变大，分压增多，电压表的示数变化了2V，则变阻器此时电压是6V，设电源电压是U，滑动变阻器最大阻值是R，由题意列方程得解得由串联分压比等于电阻比可知，滑片在b端时，R和R1各分6V电压，电源电压是12V。当滑片在中点时，R分4V电压，R1分8V电压。滑片P置于变阻器的b端时，在10s内定值电阻R1产生的热量为36J，则R1的阻值是A．当滑片在a点时，变阻器接入电路的阻值为0，电路中的电流最大，最大电流是故A错误；B．串联电路中各处电流相等，滑片在中点时，电路中的电流10s内滑动变阻器消耗的电能故B错误；C．当滑片在b点时，变阻器接入的阻值最大，电路中的电流最小，最小电流是由P=UI可得，滑动变阻器R先后两次消耗的电功率之比故C错误；D．由P=UI可得，R1先后两次消耗的电功率之比故D正确。故选D。3．如图所示电路，电源电压为6V且保持不变。闭合开关S，当滑片P置于变阻器的中点时，电压表的示数为2V；当滑片P置于变阻器的b端时，电压表的示数变化了1V，在10s内定值电阻R1产生的热量为30J。则下列结果正确的是（）A．电路中的最小电流为0.5AB．滑片P在中点时，9s内滑动变阻器R消耗的电能为30JC．R1先后两次消耗的电功率之比为4：3D．R先后两次消耗的电功率之比为8：9【答案】D【详解】A．电源电压一定，根据公式得，当电阻最大时电路中的电流最小，即当滑片移动到b端时，电路中电流最小，滑片从中点移动到b端，电阻变大，电阻中电流变小，定值电阻R1的电压变小，所以R的电压变大，即电压表示数变大，由题意可知电压表示数为则R1的电压为因为R1和R串联，所以电流相同，根据公式得，R1和R的电阻相等，由题意可知解得此时的电流为1A，即最小电流为1A，故A错误；B．根据A选项，R1和R的最大电阻为滑片P在中点时，9s内滑动变阻器R消耗的电能为故B错误；C．当滑片在中点时电路中的电流为R1先后两次消耗的电功率之比为故C错误；D．R先后两次消耗的电功率之比为故D正确。故选D。4．如下图所示，当滑动变阻器的滑片P滑至a端时，定值电阻R产生热量Q用时是9min；当滑片P滑至b端时，定值电阻R产生相同热量Q的用时是36min，当滑片P滑至ab的中点时，若定值电阻R再产生热量Q的用时是（

）A．20.5min B．20.05min C．20.25min D．22.25min【答案】C【详解】当滑动变阻器的滑片P滑至a端时，电路为R的简单电路，产生热量等于消耗电能，则可由得，产生热量Q所用时间为当滑片P滑至b端时，电路为R与整个滑动变阻器串联电路，根据串联分压定律可求R两端电压为产生热量等于消耗电能，则可由得，产生热量Q所用时间为当滑片P滑至ab的中点时，电路为R与变阻器串联电路，此时滑动变阻器接入阻值为总阻值的一半，根据串联分压定律可求R两端电压为产生热量等于消耗电能，则可由得，产生热量Q所用时间为由于第一次用时9min，第二次用时36min，带入式子求解可得，t3=20.25min，故选C。二、多选题5．如图甲所示电路中，电源电压不变，灯泡L的规格为“6V2.4W”，忽略温度对小灯泡电阻的影响。只闭合开关S、S1，当滑动变阻器R2的滑片P从B端移到A端的过程中，R2的电功率P与电压表示数U的关系如图乙所示；P在B端时，定值电阻R1的电功率与电路的总功率之比为1︰4。在保证电路安全的情况下，下列说法正确的是（）A．电源电压U=10VB．定值电阻R1的阻值为15ΩC．只闭合开关S、S1，R1的功率的变化范围是0.9W~14.4WD．只闭合开关S、S2，电路总功率的变化范围是3.2W~7.2W【答案】C【详解】A．只闭合开关S、S1，滑动变阻器与定值电阻串联，电压表测滑动变阻器两端电压。由图乙即串联分压可知，当滑动变阻器阻值最大时，两端电压最大为9V，此时电功率为2.7W，根据P=UI，此时电流为0.3A；P在B端时，定值电阻R1的电功率与电路的总功率之比为1︰4，即定值电阻的电功率为0.9W，电路的总功率为3.6W，根据P=UI，电源电压为故A错误；B．由A可知，定值电阻的阻值故B错误；C．只闭合开关S、S1，当滑动变阻器阻值最大时，R1的功率最小，即为0.9W，当滑动变阻器阻值最小时，R1的功率最大，根据，功率最大为所以R1的功率的变化范围是0.9W~14.4W，故C正确；D．只闭合开关S、S2，灯泡与滑动变阻器串联，电流表使用“0~0.6A”量程，灯泡的额定电流为0.4A。因此当电流最大为0.4A时，电路总功率最大，根据P=UI，总功率最大为P'max=UImax=12V×0.4A=4.8W当滑动变阻器阻值最大时，电路总功率最小小灯泡的电阻此时电路最小功率为所以电路总功率的变化范围是3.2W~4.8W。故D错误。故选C。6．将定值电阻R1，R2和滑动变阻器R3接入如图所示的电路中，已知R1的阻值为16Ω，电流表测量范围为0~0.6A，电源电压不变。当开关S闭合，移动滑片，当滑片移至ab中点时，R3的电功率最大，此时电压表V2的示数为6V；当开关S断开，滑片移至a端，两个电压表V1和V2的示数之比U1︰U2=3︰1。下列说法中正确的是（）A．电源电压为18VB．滑动变阻器R3的最大阻值为16ΩC．当开关S断开，滑片移至a端，电流表示数为0.5AD．通过调节开关S的通断，R3滑片的位置，电路消耗的最大功率为9W【答案】C【详解】A．当开关S闭合，R1和R3串联，R2被短路，电压表V2的测R3两端电压；此时移动滑片，当滑片移至ab中点时，R3的电功率最大，电压表V2的示数为6V；消耗的功率为所以，当R3=R1=16Ω滑动变阻器消耗的功率最大，则根据串联分压的特点，电源电压为12V。故A错误；B．当滑片移至ab中点时电阻为16Ω，所以滑动变阻器R3的最大阻值为32Ω，故B错误；C．当开关S断开，R1、R2和R3串联，滑片移至a端，滑动变阻器阻值为零，电压表V1测R1、R2两端总电压，电压表V2测R2两端电压，又因为电源电压为12V，两个电压表V1和V2的示数之比U1︰U2=3︰1，所以R1两端电压为8V，此时电路电流故C正确；D．根据，因为电源电压不变，当电路中电阻最小时，电路消耗功率最大，因此开关S应闭合，滑动变阻器滑片移至a端时，为R1的简单电路，电路的功率最大此时电路中电流为电路中电流大于电流表的量程，为了电路安全，所以电路消耗的最大功率小于9W。故D错误。故选C。三、填空题7．如图是某款家用电饭煲的保温、加热两挡调节功能电路。已知电源电压为220V，电热丝R1的阻值为121Ω，电路处于加热挡时功率为1400W，则电热丝R2的阻值为Ω，电路处于保温挡时功率为W。电热丝通电一段时间后变得很烫，而与电饭煲连接的导线却不怎么热，主要是因为导线，产生的热量少。若电饭煲正常工作1小时，使标有“1000imp/(kW·h)”的电能表指示灯闪烁640次，则电饭煲处于加热挡与保温挡的工作时间之比为。【答案】48.4400电阻小6∶19【详解】[1]分析电路可知，当开关S1和S2都闭合时，电路的总功率最大时高温档，此时流过R1的电流为干路电流为流过R2的电流为所以R2的电阻为[2]当开关S1闭合，S2断开时功率小，是保温状态，所以保温时的功率为[3]电热丝与电饭煲连接的导线是串联的，所以电流和通电时间都相同，根据公式可知，电热丝通电一段时间后变得很烫，而与电饭煲连接的导线却不怎么热，主要是因为导线电阻小。[4]电饭煲消耗的电能为假设加热时间为t，则保温时间为1h-t，则由题意知解得加热的时间为0.24h，所以加热挡与保温挡的工作时间之比为8．如图甲的多功能养生壶具有精细烹饪、营养量化等功能，深受市场认可和欢迎。图乙是某品牌养生壶简化电路图。[ρ水=1.0×103kg/m3，c水=4.2×103J/（kg•℃），g取10N/kg]

项目参数电源电压（V）220低温挡功率（W）275中温挡功率（W）550高温挡功率（W）1100容积（L）1由题中所给信息回答以下问题：（1）养生壶为高温挡，开关的状态是；（2）R1=Ω；（3）养生壶处于低温挡工作时，电路中的电流大小为A；（4）使用高温挡将初温是25℃的一壶水（1L）加热到95℃，用时5min，此次烧水的效率为。【答案】S1闭合，S2拨到B881.2589.1%【详解】（1）[1]当S1闭合，S2拨到B时，R1、R2并联；当S1断开，S2拨到A时，R1、R2串联；当S1闭合，S2拨到A时，电路为R1的简单电路；因为并联电路的总电阻小于各支路的电阻，串联电路中的总电阻大于各串联导体的电阻，所以由可知，R1、R2并联时，电路中的电阻最小，电功率最大，养生壶为高温挡；R1、R2串联时，电路中的电阻最大，电功率最小，养生壶为低温挡；电路为R1的简单电路时，养生壶为中温挡；因此养生壶为高温挡，开关的状态是：S1闭合，S2拨到B。（2）[2]因为中温挡时，电路为R1的简单电路，所以，由可知，R1的阻值（3）[3]由P=UI可知，养生壶处于低温挡工作时，电路中的电流（4）[4]由可知，养生壶高温挡加热消耗的电能W=P高温t=1100W×5×60s=3.3×105J由可知，水的质量为m=ρ水V＝1.0×103kg/m3×1×10-3m3=1kg水吸收的热量Q吸=c水m水Δt=4.2×103J/(kg·℃)×1kg×(95-25)℃=2.94×105J养生壶的烧水效率9．如图甲所示为自制简易电热水器的工作原理图。其控制电路电源电压恒为6V，电磁铁线圈电阻不计，为热敏电阻，其阻值随温度变化的规律如图乙所示。热敏电阻和工作电路中的三只电阻、、均有绝缘保护且置于储水箱中（产生的热量不计）。其中，。闭合开关S、，当控制电路中电流达到15mA时，电磁铁的衔铁被吸下，水箱内水温恰为75℃，工作电路的功率变为220W，此后水温逐渐下降；当控制电路中电流小于等于10mA时，衔铁被释放。（1）衔铁吸下后，工作电路中的电流为A；（2）衔铁释放时水箱中的水温()；（3）该热水器加热时，将50kg的水温度升高4℃，用时6min，该热水器的加热效率()。（保留一位小数）[]

【答案】130℃84.8%【详解】（1）[1]衔铁被吸下时，工作电路的功率变为220W，则工作电路中的电流（2）[2]衔铁被吸下时，由题意可知，，由图像可知，电路中总电阻则定值电阻R0的阻值衔铁被释放时，电路中总电阻则热敏电阻此时的阻值由图像可知（3）[3]将50kg的水温度升高4℃，水吸收热量衔铁被吸下时，R1与R3串联，电路中总阻值则R1的阻值由于R1︰R2=4︰1，可得R2的阻值衔铁被释放时，R1与R2并联，电路中的总功率用时6min，该热水器放出热量则热水器的加热效率四、实验题10．在“测量小灯泡的功率”实验中，小灯泡的额定电压为2.5V，电源电压为6V。(1)如图甲，连线时开关应处于（选填“闭合”或“断开”）状态，闭合开关前，应将变阻器滑片滑到端（选填“A”或“B”）；(2)按照图甲正确连好电路，闭合开关，小灯泡不亮，两表指针均有偏转，造成该现象的原因不可能的是()A．小灯泡短路

B．小灯泡两端电压太小C．滑动变阻器阻值太大

D．电源电压太小(3)移动滑片，使小灯泡正常工作，读出此时电流表的示数为0.3A，则小灯泡的额定功率为W。根据实验数据画出小灯泡I-U关系图像如图乙（坐标轴上的数值已被擦除），分析图像可知，当小灯泡两端电压减小时，小灯泡的电阻（选填“增大”“减小”或“不变”）；(4)当小灯泡两端电压为2V时，实际功率在以下哪个范围内()A．P实＜0.48WB．0.48W＜P实＜0.6WC．0.6W＜P实＜0.75WD．P实＞0.75W(5)实验结束后，小杜继续对滑动变阻器两端电压与通过它的电流关系进行了探究，则她画出的U-I图象应为图丙中的虚线（填“①”、“②”或“③”）；(6)小杜认为小灯泡的额定功率只测一次，误差较大，故又用上述器材多次实验测小灯泡的额定功率，当小灯泡正常发光一段时间后，小杜收拾实验器材时惊奇的发现小灯泡比滑动变阻器的电阻丝更烫手，原因。【答案】断开AA0.75减小B①小灯泡产生的热量积聚在灯泡内无法释放【详解】(1)[1]连线时开关应处于断开状态，以防止电路有短路的危险。[2]闭合开关前，应将变阻器滑片滑到阻值最大端，即A端。(2)[3]A．小灯泡短路时电压表没有示数，与描述不符，故不可能是小灯泡短路，故A符合题意；B．小灯泡两端电压太小，使小灯泡内电流太小，小灯泡功率太小而不亮，与描述相符，故B不符合题意；C．滑动变阻器阻值太大会造成小灯泡内电流太小，小灯泡功率太小而不亮，与描述相符，故C不符合题意；D．电源电压太小会使整个电路内的电流太小，小灯泡功率太小而不亮，与描述相符，故D不符合题意。故选A。(3)[4]小灯泡正常工作时电压为2.5V，读出此时电流表的示数为0.3A，则小灯泡的额定功率为[5]根据实验数据画出小灯泡I-U关系图像如图乙，分析图像可知，当小灯泡两端电压每减小相同值，小灯泡的电流减小的值在增大，由可知，随着电压减小，小灯泡电阻在减小。(4)[6]当小灯泡两端电压为2V时，灯泡的电阻灯泡实际功率实际功率0.48W＜P实＜0.6W故选B。(5)[7]滑动变阻器两端电压与通过它的电流关系图象应为图丙中的虚线①，因为小灯泡和滑动变阻器两端的电压之和为电源电源，电源电压始终保持变。(6)[8]电源电压是6V，灯泡额定电压是2.5V，所以滑动变阻器分得3.5V电压，由串联分压比等于电阻比可知，滑动变阻器的电阻要大于灯丝电阻。由可知，在电流一定、通电时间一定时，电阻越大产生的热量越多，但是因为小灯泡灯丝由玻璃包裹，产生的热量积聚在灯泡内无法释放，时间越长温度就越高，故感觉灯丝比滑动变阻器电阻丝更烫手。11．如图甲是小奇探究“影响电流热效应因素”的实验装置图。(1)如图甲所示的装置中小奇通过观察来反映电流产生热量的多少；通电一段时间后，可知R1电阻产生热产生热量多，由此可以说明：；(2)实验过程中，小奇发现实验现象并不明显，可能的原因是（一条即可）；(3)利用图甲小奇同学想“探究电流热效应与电流的关系”，请写出你需要收集的证据；(4)小奇用如图甲所示的装置，进一步探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，经多次实验测量，收集实验数据，绘制了烧瓶中玻璃管内液面上升的高度h与电流的关系图象，根据焦耳定律可知，图乙中能正确反映h-I关系的是。【答案】细玻璃管中红色液柱上升的情况在电流和通电时间相同时，电阻越大产生的热量越多装置的气密性不好相同时间、同一电阻、不同的两个电流、对应的红色液柱上升的高度A【详解】(1)[1]电流产生的热量不容易直接测出，实验中，产生的热量用来加热相同的液体，液体的液柱上升的越高，表明该液体的温度越高，吸热越多，故实验中通过观察玻璃管中红色液柱上升的情况来比较吸收热量的多少。[2]通电时间相同，电路是串联电路，电流也是相同的，可知R1电阻产生热产生热量多，故实验结论为：在电流和通电时间相同时，电阻越大产生的热量越多。(2)[3]实验中红色液柱液面上升情况差别不大，原因很多：可能是装置漏气，还可能是R1、R2的阻值大小相等。(3)[4]探究电流热效应与电流的关系时，应控制通电时间、电阻相同，电流的大小不同，产生的热量不同，液柱上升的高度也不同，故需要搜集的证据有：相同时间、同一电阻、不同的两个电流、对应的红色液柱上升的高度。(4)[5]小红用如图3所示的装置，进一步探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，要控制电阻与通电时间相同，经多次实验测量，收集实验数据，绘制了烧瓶中玻璃管内液面上升的高度h与电流的关系图象，根据转换法，煤油吸热越多，膨胀程度越大，液柱升高的越多，且膨胀程度与吸热多少成正比，根据焦耳定律可知Q=I2Rt其中Rt常数，且Rt>0，故由数学知识知，上式为Q关于I的抛物线，且开口向上，图中能正确反映h-I关系的是A。12．在探究“电流产生的热量跟什么因素有关”的实验中，两个密闭容器中都接有一段电阻丝，接通电路前，两个U型管的液面均相平：(1)图甲中通电一段时间后，观察到b管内液柱上升的较快，说明：；(2)如图乙所示的装置，是探究电流通过导体产生的热量跟关系；(3)如图丙、丁所示，电阻、、、均为发热电阻。请根据实验结果分析推理：①图丙、丁中的最大功率和最小功率均相同，则电阻；（选填“>”、“<”或“=”）②丙图中的最大功率是最小功率的10倍，若用电阻替换，则的功率变为原来的4倍，由此可知发热电阻=。【答案】电流和通电时间相同时，电阻越大，电热越多电流＜4【详解】(1)[1]由甲图知，两电阻串联，电路中电流的大小相等，通过时间相同，b管内液柱上升的较快，说明：电流和通电时间相同时，电阻越大，电流产生的热量越多。(2)[2]由乙图知，右端的两个相同的电阻并联后，再与左端的电阻串联，左、右两液体内的电阻相同，但通过左端电阻的电流大于通过右端液体中电阻的电流，故探究的是电阻和通过时间相同，电流通过导体产生的热量跟电流的关系。(3)①[3]由图丙知，当两开关都闭合时，电路中只有接入电路，根据可知，此时电路消耗的电功率最大，则有由图丁知，当两开关都闭合时，、并联，根据可知，此时电路消耗的电功率最大，则有因、并联，则因两电路消耗的最大电功率相等，则即故②[4]当只闭合开关S时，两电阻串联，根据可知，电路消耗的电功率最小，则有因最大功率是最小功率的10倍，则即消耗最小功率时，两电阻串联，分得的电压为即消耗的电功率为即……①用电阻替换，则的功率变为原来的4倍，则……②联立①②得，此时分得的电压为根据串联电压分压的特点可得五、计算题13．小灯泡（点光源）发出的光沿半径向外传播，在单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光能叫做光强。有同学设计并进行了如图所示的实验：将一个“6伏，8.0瓦”的小灯泡接入电路，使之正常发光，在灯泡灯丝的同一水平面、正对光线方向放一个光强传感器，以测定与光源间距为d时相应的光强值I，测得多组数据；将数据标在坐标图上，得到一根过原点的直线。（1）根据图线，求出该小灯泡将电能转化为光能的效率。（已知球表面积计算公式为，R为球半径）（2）为两盏额定电功率为200瓦照明用的路灯，其发光效率与光能的传播规律同上述实验。安装在离地面高5米处，P为路灯连线中点的正下方路面上的一点，为使照射到P点的光强不小于0.013瓦·米，则相邻两盏路灯之间的最远距离为多少？【答案】（1）5.25%；（2）14.0m【详解】解：（1）由图像可知，为处，即处的光强为，则在以d为半径的球面上在时间内的光能为在内灯泡消耗的电能为故小灯泡将电能转化为光能的效率为（2）设一盏路灯的电功率为，地面P点跟路灯的连线与地面的夹角为，则地面P点处垂直光的传播方向上的光强为考虑到相邻两盏灯同时照亮，地面不垂直光的传播