专题3.6-4　电能-电热（解析版）

第3章能量的转化与守恒3.6-4电能——电热目录 1 3 4 5【基础巩固练】 5【发散思维练】 9【核心素养练】 11【中考提分练】 121.电流的热效应（1）电流的热效应——电流通过各种导体时，会使导体的温度升高，这种现象叫做电流的热效应。（2）电热器：利用电流的热效应制成的加热设备。主要元件是发热体，是由电阻率大、熔点高的电阻丝绕在绝缘体上制成的。从能量的转化来看，电流通过导体发热的过程实质是电能转化为内能的过程。电热器的优点：清洁、无污染、热效率高，便于控制和调节等。(2)影响电流的热效应的因素：电流、电阻和通电时间。(3)电热的利用和防止：①电流的热效应的应用，如电烤箱、电热毯、电炉子、电灯等。②电视机等长时间工作，会使后壳积聚较多的热量从而影响其寿命，所以需要散热。【注意】判断某用电设备是不是电热器，一定要抓住其原理——电流的热效应。如果某用电器不是利用电流的热效应工作的，即使它是通电后用来加热的设备，也不是电热器。2.电热的计算(1)焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比，即：Q=I2Rt。(2)电热计算：①Q=I2Rt(适合任何情况下的电热计算)；②Q=UIt，Q=W=(当电能全部转化成内能时，电热等于电功，电热计算式与电功计算式相同，即在纯电阻电路中的电热计算也可以用这两个公式)；③Q=Pt(式中P为电热功率，这个公式只在纯电阻电路中适用)。【注意】只有当电能全部转化为热能时，电能等于热能，W＝Q；当电能不能全部转化为热能时，W>Q。3.焦耳定律的探究（3）“控制变量法”的运用①控制电流和电阻相同，改变通电时间，研究电热与通电时间的关系。②控制通电时间和电阻不变，改变电流，研究电热与电流的关系。③控制通电时间和电流不变，改变电阻，研究电热与电阻的关系。（2）实验过程与分析依据①在两个相同的烧瓶中装满煤油，瓶塞上各插1根玻璃管，瓶中各放一根电阻丝，甲瓶中电阻丝的电阻比乙瓶中的大，通电后电流通过电阻丝产生的热量使煤油的温度升高，体积膨胀，煤油在玻璃管内上升，电流产生的热量越多，煤油上升得越高，观察煤油在玻璃管内上升的情况，就可以比较电流产生的热量的大小。②接通电路一段时间，比较两瓶中的煤油哪个上升得高。③在两玻璃管中的液柱降回原来高度后，调节滑动变阻器，加大电流重做上述实验，通电时间与前次相同，在两次实验中，比较甲瓶(或乙瓶)中的煤油哪次上升得高。（3）实验证明：电流越大、电阻越大、通电时间越长，电流通过导体产生的热量越多。电流通过电暖器电阻丝会热的发红，而与之串联的导线却不怎么热原因是：电阻丝的电阻大于导线的电阻。进一步的实验可以得出：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫作焦耳定律，它最先是由英国科学家焦耳发现的。焦耳定律可以用公式：Q＝I2Rt表示。1.关于电热问题的分析与计算Q＝W＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2t,R)，这三个公式都可以计算纯电阻电路的电热和电能。计算非纯电阻的电热只能用Q＝I2Rt。两种电路中计算公式不同是因为非纯电阻电路的电能主要转化为其他形式的能。2.电热器具的“双挡”问题(1)电热器具通常设计有“高温挡”和“低温挡”，根据可知，当U一定时，电阻越大时，电功率越小；电阻越小，电功率越大。所以高温挡总电阻最小，低温挡总电阻最大。(2)两挡的控制开关①短路式：两个电阻串联，把开关与其中一个电阻并联，如下图所示。当闭合开关时，有一个电阻短路，只有一个电阻工作，此时为高温挡；当断开开关时，两电阻串联，电阻大一些，电热器的功率小一些，此时为低温挡。②单刀双掷式：主要工作电阻放在干路上，一条支路连导线，一条支路连接附加电阻，如下图所示。当开关掷向附加电阻的支路时，两电阻串联，为低温挡；当开关掷向导线支路时，只有主要工作电阻工作，此时为高温挡。③多挡问题：两个电阻串联时为低温1挡；单独使用一个电阻时为低温2挡；并联时为高温挡。【常考1】知道电热器的工作原理及电热的影响因素，理解焦耳定律并能进行简单计算。【例1】如图甲所示的电加热恒温箱电路图，由控制电路和加热电路两部分构成，其中控制电路由U1＝6V的电源、电磁继电器(线圈电阻忽略不计)、热敏电阻R1和滑动变阻器R2串接而成。加热电路由U2＝220V的电源和R0＝48.4Ω的电热丝串接而成。恒温箱内包含了图中虚线框内的电热丝R0和热敏电阻R1，图乙是热敏电阻R1的阻值随温度变化的图像。当控制电路中的电流达到0.05A时，衔铁被吸下来，触点处断开，加热电路停止工作，当控制电路中的电流小于0.05A时，衔铁被弹回，触点处接通，加热电路正常工作。根据以上信息回答下列问题：(1)当恒温箱中温度保持在60℃时，在图乙中读出对应的热敏电阻的阻值为____Ω。(2)加热电路正常工作1min，电流通过电热丝R0做的功是多少？(3)通过调节控制电路中滑动变阻器R2接入电路的电阻，就能调节恒温箱中需要设定的不同温度。如果滑动变阻器R2的最大电阻为90Ω，该恒温箱能够设定的温度范围是多少？【答案】(1)70(2)6×104J(3)30～130℃【解析】(2)电流通过电热丝R0做的功W＝eq\f(U2,R0)t＝eq\f(（220V）2,48.4Ω)×1×60s＝6×104J。(3)由题意可知，当I＝0.05A时，控制电路中的电阻R＝eq\f(U1,I)＝eq\f(6V,0.05A)＝120Ω，当滑动变阻器接入电路的电阻为0时，热敏电阻的阻值R1＝120Ω，由图乙可知，此时对应的温度为30℃；当滑动变阻器接入电路的电阻为90Ω时，热敏电阻的阻值R1＝R－R2＝120Ω－90Ω＝30Ω，此时对应的温度为130℃。所以该恒温箱能够设定的温度范围是30～130℃。【常考2】掌握探究电流通过导体时产生热量的实验【例2】如图为“探究焦耳定律”的实验装置。两个相同的烧瓶中密封初温相同、质量相等的煤油，通电一段时间后，右侧玻璃管中液面比左侧高。下列说法正确的是(D)A．通过玻璃管中液面的高度判断电流产生热量的多少，这种方法是控制变量法B．右侧电阻丝的阻值比左侧小C．通过右侧电阻丝的电流比左侧小D．该装置用于探究电流通过导体产生的热量多少与电阻大小的关系【答案】D【解析】A、通过玻璃管中液面的高度判断电流产生热量的多少，这属于转换法，故A错误；C、由图知，两电阻丝串联，根据串联电路的电流特点可知，各处的电流是相同的，故C错误；B、两个相同的烧瓶中密封初温相同、质量相等的煤油，通电一段时间后，右侧玻璃管中液面比左侧高，说明电流通过右侧电阻丝产生的热量多；电流和通电时间均相同，根据焦耳定律Q＝I2Rt可知，右侧电阻丝的阻值大，故B错误；D、由前面解答可知，通过电阻丝的电流和通电时间均相同，由于左右两侧电阻丝的阻值不同，所以探究的是电流通过导体产生的热量多少与电阻大小的关系，故D正确。【例3】如图是探究电流通过导体时产生热量的实验，甲、乙两套装置中各有两个相同的透明容器。其中密封着等量的空气和一段电阻丝(阻值在图中已标出)，U形管中装有等量的液体，接通电源，观察现象。(1)实验中通过观察_______的变化来比较导体所产生热量的多少；这运用了____________(选填“转换法”或“等效替代法”)的物理思想。(2)用甲装置进行实验时，通过控制通电时间和电路中的________不变，来研究导体产生热量与电阻的关系。(3)在乙装置中，C、D透明容器中产生热量较多的是_______容器。【答案】（1）液面高度差转换法（2）电流（3）C【解析】(1)电流通过导体产生热量的多少不能直接观察，但电阻丝对容器中的空气加热时，空气温度升高体积膨胀，引起U形管中液柱高度的变化，所以通过液面高度差的变化来反映电阻丝产生热量的多少，这种研究方法叫转换法。(2)如图甲，两个电阻串联在电路中，电流相同，通电时间相同，电阻不同，运用控制变量法，探究电流产生热量跟电阻的关系。(3)图乙装置中两个5Ω的电阻并联后再与一个5Ω的电阻串联，根据串联电路的电流特点可知，右端两个电阻的总电流和左端的电阻电流相等，即I右＝I左，两个5Ω的电阻并联，根据并联电路的电流特点知I右＝I内＋I外，所以，I左＞I内，容器内的电阻值都是5Ω，通电一段时间，由Q＝I2Rt知，C容器中电流产生的热量多。【基础巩固练】1.下列用电器中，利用电流热效应工作的是（）A.电暖气B.计算器C.电视机D.笔记本电脑【答案】A【解析】电流热效应的实质是把电能转化为内能，在电暖气工作过程中主要是电能转化为内能。选A。2.如图所示的四种家用电器中，利用电流热效应工作的是（）【答案】B【解析】电流的热效应是把电能转化为内能，选项A和D是把电能转化为机械能，选项C中的电能主要转化为光能和声能，只有选项B中的电热水壶是把电能转化为内能。3.将两根电炉丝R1、R2串联起来，接在电路中，如图所示，若R1>R2，则先被点燃的火柴是（）A.电炉丝R1上的火柴B.电炉丝R2上的火柴C.两根电炉丝上的火柴同时被点燃D.无法确定【答案】A【解析】电流通过导体时产生的热量与电流、电阻和通电时间有关。已知电炉丝R1、R2，串联在电路中，则电路中电流相等，根据可知，在相同时间内电阻大的电炉丝产生的热量多，故R，上的火柴将先被点燃。4.下列关于如图所示实验的说法中错误的是（）A.该实验探究的是电流的热效应B.实验中采用了控制变量法C.观察实验现象可知：在其他条件相同时，电阻越大产生的热量越少D.实验中是通过观察温度计示数的高低来判断电流通过导体时产生热量的多少【答案】C【解析】观察实验现象可知，在其他条件相同时，电阻越大，温度计示数升高越快，即产生的热量越多。故选C.5.电炉丝断了，去掉1/5后，仍接在原来的电源两端，则在相同时间内产生的热量与原来产生的热量之比为（）A.5：4B.1：5C.5：1D.4：5【答案】A【解析】根据公式可知，当电压U和时间t相同时，Q∝1/R，所以电炉丝断了，去掉1/5后，仍接在原来的电源两端，则在相同时间内产生的热量与原来产生的热量之比为5：4故选A。6.有两个额定电压相同的电热水壶甲和乙，甲的额定功率为1800W，乙的额定功率为1200W。两个电热水壶都正常工作时，下列说法中正确的是（）A.甲电热水壶两端的电压较高B.电流通过甲电热水壶做功较快C.通过两个电热水壶的电流相等D.相同时间内，两个电热水壶消耗的电能一样多【答案】B【解析】额定电压相同，即两个热水壶在正常工作时的电压相同，选项A错误；电功率是反映电流做功快慢的物理量，甲的额定功率大，即电流通过甲热水壶中做功快，选项B正确；根据公式P=UI，功率不同，电压相同，电流不同，选项C错误；根据公式W=Pt，两个电热水壶因功率不同，在相同时间内，消耗的电能不一样多。7.如图是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻关系”的实验装置，铜丝的电阻小于镍铬合金丝的电阻，铜丝和镍铬合金丝串联浸在相同质量和相同初温的煤油中，每一烧瓶里各插入一支温度计。通电一定时间后，可以看到瓶中(填“A”或“B”)煤油温度升得高，这表明在相同时间内，电流相同的情况下，电阻越，电流通过导体时产生的热量越多。【答案】B大【解析】由电路图可知，两电阻丝串联，通过他们的电流I与通电时间t相同，铜丝的电阻小于镍铬合金丝的电阻，由Q=I2Rt可知，镍铬合金丝产生的热量多，B瓶中煤油吸收的热量多，温度升得高，这表明：在相同时间内，电流相同的情况下，电阻越大，电流通过导体时产生的热量越多。8.利用如图所示的装置探究导体产生的热量与电阻大小的关系。烧瓶中铜丝的电阻小于镍铬合金丝的电阻。(1)实验中两金属丝产生热量的多少是通过观察反映出来的。(2)为了便于比较两种电阻丝通过电流后产生热量的多少，A、B两烧瓶中需装入初温相同、质量(填“相等”或“不相等”)的同种液体。(3)为了在较短时间内达到明显的实验效果，选用煤油而不用水的主要理由是。A.煤油有颜色便于观察B.煤油的密度比较小C.煤油的比热容比较小D.煤油的热值比较大【答案】(1)温度计的示数变化(2)相等(3)C【解析】(1)电阻丝产生热量的多少可以通过温度计示数变化反映出来，电阻丝产生的热量转化为温度计示数的变化，本实验应用了转换法。(2)A、B两烧瓶中需装入初温相同、质量相等的同种液体。(3)因为煤油的比热容比水的比热容小，相同质量的煤油和水比较，吸收相同的热量，煤油的温度升高得多，用煤油做实验效果更明显，便于观察。9.小明家的电热水壶的铭牌如图所示，在一个标准大气压下，该水壶正常工作时，用10min能将2kg、10℃的水烧开。[水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃)](1)计算水吸收的热量。(2)计算消耗的电能。(3)水增加的内能比消耗的电能少多少?请结合物理知识，从节能的角度提一个合理化的建议。【答案】(1)7.56×106J(2)9×105J(3)1.44×105J建议略【解析】(1)Q=cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃-10℃)=7.56×106J(2)W=Pt=1500W×10×60s=9×105J。(3)9×105J-7.56×105J=1.44×105J；建议略，只要答出与减少热量损失相应的合理措施都可以。10.如图甲、乙所示为某型号电水壶的电路示意图及铭牌，R与R0产生的热量均能被水吸收，保温状态下，水温保持在80℃以上。回答下列问题：[水的比热容c=4.2×103J/(kg·℃)]（1）保温状态下，开关S0、S分别处于什么状态？（2）求电阻R0和R的阻值。（3）该电水壶在加热状态下工作3min可以产生多少热量？（4）80℃的一杯水放在桌上自然冷却，每隔5min记录一次水温，得出如图丙所示的图线。从图中可以得出什么降温规律？（5）一满壶80℃的水自然冷却到室温，水释放的热量为多少？【答案】（1）S0断开，S闭合（2）R0=1166ΩR=44Ω（3）1.98×105J（4）水的温度下降得越来越慢（5）1.26×105J【解析】（1）S0断开，S闭合时，R0与R串联，总电阻较大，根据公式P=U2/R可知，电路总功率较小，电水壶处于保温状态。（2）S、S0均闭合，电水壶处于加热状态，电路中只有R工作，所以R的阻值为R=U2/P加热=(220V)2/1100W=44Ω；电水壶处于保温状态时，R和R0串联，R串=U2/P保温=(220V)2/40W=1210Ω，所以，R0=R串-R=1210Ω-44Ω=1166Ω。（3）加热状态下，电水壶工作3min产生的热量为Q=W=P加热t=1100W×3×60s=1.98×105J。（5）由Q放=cm水Δt和ρ=m/V可得：Q放=cρV（t0-t）=4.2×103J/（kg·℃）×1.0×103kg/m3×0.5×10-3m3×（80℃-20℃）=1.26×105J。【发散思维练】11.甲、乙两个电热器的电阻之比为5：4，通过的电流之比为2：1，通电时间之比为1：2，则电流通过甲、乙两个电热器产生的热量之比为（）A.5：2B.5：4C.2：5D.10：1【答案】A【解析】电热器产生的热量之比：，故选A。12.如图所示的电路中，电源电压不变，R1为定值电阻。闭合开关S，当滑片P从中点向右移时（）A.电流表A1的示数变小B.电流表A2的示数变小C.电压表的示数变大D.R2的电功率变大【答案】B【解析】电阻R1与滑动变阻器R2并联，电流表A1测量通过R1的电流，电流表A2测量干路的电流，电压表测量电源两端的电压，闭合开关S，当滑片P从中点向右移时，电压表示数不变，选项C错误；当滑片从中点向右移动时，滑动变阻器接入电路中的电阻增大，并联电路的总电阻增大，干路的电流减小，选项B正确；电阻R1两端的电压和通过电阻R1的电流不变，电流表A1的示数不变，选项A错误；当滑片P从中点向右移时，接入电路的电阻增大，通过滑动变阻器的电流减小，R2两端的电压不变，故R2的功率变小，选项D错误。13.如图是探究电流通过导体产生的热量与什么因素有关的实验装置，将两根阻值不等的电阻丝R、R，串联后分别放入两个透明容器中，并封闭等量的空气，通电前，A、B两U形管内的液面相平，接通电源一分钟后，通过R1、R2的电流分别为I1、I2，则（）A.I1=I2，A管中的液面较高B.I1=I2，A管中的液面较低C.I1>I2，A管中的液面较高D.I1<I2，A管中的液面较低【答案】B【解析】由图知两电阻串联，通过两电阻的电流相等，根据Q=I2Rt可知，在电流和通电时间相等时，电流产生的热量跟电阻的大小成正比，故R2产生的热量多，对应的液面升高的多，选B。14.如图所示，电源电压为12V且保持不变，R1为定值电阻，R2为滑动变阻器(a、b为其两端点)。闭合开关S，当滑片P在某一端点a时，电流表示数为0.1A，R2消耗的电功率为1W；当滑片P移动至某一位置c时，电压表示数为4V，R1消耗的电功率为3.2W。下列说法正确的是（）A.滑片P在a点时，R1消耗的电功率为2WB.滑片P在b点时，R1消耗的电功率为0.6WC.滑片P在c点时，R2消耗的电功率为1.6WD.滑片P在c点时，电路消耗的总功率为4W【答案】C【解析】定值电阻和滑动变阻器串联，电压表测滑动变阻器两端的电压，闭合开关S，当滑片P移动至某一位置c时，电压表示数U2=4V，此时R1两端的电压U1=12V-4V=8V，可以求出此时的电路中的电流I=P1/U1=3.2W/8V=0.4A，电阻R1=U1/I1=8V/0.4A==20Ω，故滑片在a点时，R1消耗的电功率，选项A错误；闭合开关，当滑片P在端点a时，电路中的电流I=0.1A，滑片P在某一位置C时，电路中的电流I1=0.4A，则滑片P在端点a时接入电路中的阻值最大，在端点b时接入电路中的阻值为0。则滑片P在b点时，R1消耗的电功率，选项B错误；滑片P在c点时，R，消耗的电功率P2=U2I2=U2I1=4V×0.4A=1.6W，选项C正确；滑片在c点时，电路消耗的总功率P=UL=12V×0.4A=4.8W，选项D错误。15.如图甲所示，电源电压恒为6V，滑动变阻器的最大阻值为50Ω，电流在0.1~0.4A之间时，电子元件均能正常工作。若通过此电子元件的电流与其两端电压的关系如图乙所示，为使电子元件处于正常工作状态，滑动变阻器接入电路的最大阻值为Ω；在电子元件处于正常工作状态下，且电路消耗的功率最大时，滑动变阻器每分钟发热J。【答案】4048【解析】滑动变阻器接入电路的阻值最大时，也就是电路中的电流最小为0.1A时，这时电路中的总电阻为R总=U/I=6V/0.1A=60Ω，由图乙知电路中的电流为0.1A时，电子元件两端的电压为2V，此时电子元件的电阻为R=2V/0.1A=20Ω，所以滑动变阻器接入电路的最大阻值为60Ω-20Ω=40Ω；电路消耗的功率最大时，也就是电流最大为0.4A时，由图乙知电路中的电流为0.4A时，电子元件两端的电压为4V，此时电子元件的电阻为4V/0.4A=10Ω，总电阻为6V/0.4A=15Ω，滑动变阻器接入电路的阻值为15Ω-10Ω=5Ω，滑动变阻器两端的电压为2V，滑动变阻器每分钟发热Q=W=U滑I滑t=2V×0.4A×60s=48J。【核心素养练】16.(科学思维)笔记本电脑已进入寻常百姓家庭，出差旅游时常随身携带。出于安全考虑，民航局规定，乘客可随身携带0.16kW·h以下的可充电设备。目前，部分航空公司已允许乘客在非起降时间段、有条件地使用笔记本电脑等便携电子设备。请回答下列问题：(1)某旅客携带的笔记本电脑电池容量3000mAh，输出电压15V，充满电后，若工作时的平均电流为1.5A，可工作多少时间?。(2)请通过计算说明该旅客能否将此笔记本电脑带上民航飞机。。(3)使用发现，电脑工作时会发热，原因是。当升温到一定值时，温控开关S1自动闭合，风扇启动，加快散热从而保护电脑。如果断开电源总开关S2、风扇M和其他工作系统同时停止工作。根据上述特点，下列可能符合散热控温特点的原理图是。【答案】(1)2h(2)见解析(3)电流通过导体时会产生热量B【解析】(1)笔记本电脑电池容量为3000mAh，平均电流I=1.5A=1500mA，则工作时间t=3000mAh/1500mA=2h；(2)W=UIt=15V×3A×3600s=162000J=0.045kW·h，因为0.045kW·h<0.16kW·h，所以该笔记本电脑能带上民航飞机；(3)电流通过导体时，电能转化成内能的现象叫电流的热效应。电脑工作时会发热的原因是电流的热效应；由题意知，风扇与工作系统并联，开关S1只控制风扇，开关S2在干路上，B项符合题意。【中考提分练】17.(浙江湖州中考)如图装置，在两相同烧瓶内装满等量煤油，瓶塞上各插入一根粗细相同的玻璃管，瓶内装入粗细、材料相同的电阻丝R甲和R乙，R甲长度大于R乙。闭合开关，经过一段时间t后，甲中玻璃管液面上升高度h甲(选填“大于”或“小于”)乙中玻璃管液面上升高度h乙。断开开关，当两根玻璃管液面回到原来高度后，向右移动滑片，再闭合开关。则甲中玻璃管液面上升高度h甲所需时间t2(选填“大于”或“小于”)t1。【答案】大于大于【解析】在电流、通电时间相同时，电流通过导体产生的热量与电阻大小成正比。甲中电阻丝比乙中电阻丝长，在其他因素相同时，甲中电阻丝的电阻大，故甲中电阻丝产生的电热多，甲中玻璃管液面上升高度大于乙中玻璃管液面上升的高度；向右移动滑片时，由于电路中总电阻增大，电路中的电流减小，根据焦耳定律Q=I2Rt知，同一电阻丝产生相同的热量所需要的时间变长。18.（杭州中考)小金对玩具汽车的电动机很感兴趣，他拆下电动机，测得它的内阻为1.5Ω。为测量电动机工作时的电流，利用身边现有器材，设计了如图所示的电路(符号表示数值可读的变阻器)。已知电源电压为12V，当变阻器的阻值为6Ω时，电压表的读数为3