【】2020年高中物理(人教选修3-1)配套学案：第2章--学案6-焦耳定律.docx

学案6焦耳定律学习目标定位 1.知道并理解电功、电功率的概念，并能利用公式进行有关计算.2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区分和联系.3.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区分一、电功和电功率1电功(1)公式推导：如图1所示，假如电路左、右两端的电势差是U，在电荷q从左端移到右端的过程中静电力做的功是WqU，把qIt代入得WIUt.图1这表示，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、通过时间t三者的乘积(2)单位：焦耳，符号为J.2电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率(2)公式推导：用P表示电功率，则有P，进而得到PIU.(3)单位：瓦特，符号为W.二、焦耳定律1推导：由欧姆定律UIR代入QIUt后可得热量Q的表达式QI2Rt.2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3热功率(1)单位时间内的发热量称为热功率(2)表达式：PI2R.一、电功和电功率问题设计1在日常生活中，经常会用到家用小电器，例如电吹风、电熨斗等，它们都会分为几挡，像电吹风可以吹暖风和热风它们都是通过电流做功把电能转化为热能的电流做功的实质是什么？答案导体中的恒定电场通过静电力对自由电荷做功，通过电流做功把电能转化为其他形式的能2电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是否相同，两者间有何关系？答案不相同电流做功快，但做功不愿定多；电流做功慢，但做功不愿定少电流做功的快慢用电功率表示，电流做功的多少用电功表示电流做功的多少与做功的时间和做功的快慢有关要点提炼1电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的削减量2电功的实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功3电功常用的单位还有：千瓦时(kWh)，也称“度”，1 kWh3.6106 J.4电功率PIU，表示电流做功的快慢二、焦耳定律和纯电阻电路、非纯电阻电路问题设计1某一电路中只含有某一电阻元件，即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中的一种，分析哪些属于纯电阻电路，哪些属于非纯电阻电路答案纯电阻电路有：白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅；非纯电阻电路有：电动机、电解槽、电容器2试依据电功和电热的关系区分纯电阻电路和非纯电阻电路答案在纯电阻电路中，电流做的功全部转化为电热，即WQ.在非纯电阻电路中，电流做的功除一部分转化为电热之外，大部分转化为其他形式的能，即WQE其他，此时WQ.要点提炼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的电路称为非纯电阻电路在非纯电阻电路中，电流做的功将电能除了转化为内能外，还转化为机械能或化学能3电功和电热的计算公式比较纯电阻电路非纯电阻电路电功WUItI2RttWUIt电热QUItI2RttQI2Rt电功率PUII2RPUI热功率P热UII2RP热I2R4纯电阻电路中：WQ；PP热；非纯电阻电路中：WQE其他Q；PP热P其他P热延长思考用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么缘由？答案通电导线跟电炉丝是串联在一起的，通过它们的电流相等，而电炉丝的电阻比连接电炉丝的部分导线电阻大得多由焦耳定律QI2Rt知在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热量要少得多一、电功、电热电功率、热功率公式的比较例1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确定越多BWUIt适用于任何电路，而WI2Rtt只适用于纯电阻电路C在非纯电阻电路中，UII2RD焦耳热QI2Rt适用于任何电路解析电功率公式P，表示电功率越大，电流做功越快对于一段电路，有PIU，I，焦耳热Q()2Rt，可见Q与P、U、t、R都有关，所以P越大，Q不愿定越大，A错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对在非纯电阻电路中，电流做的功焦耳热其他形式的能，所以WQ，即UII2R，C对QI2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D对答案BCD二、纯电阻电路中的功率支配及计算例2额定电压都是110 V，额定功率PA100 W，PB40 W的灯泡两盏，若接在电压为220 V的电路上，使两盏灯炮均能正常发光，且消耗功率最小的电路是()解析推断灯泡能否正常发光，就要推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.对于A电路，由于RARB，所以UBUA，且，有UB110 V，B灯被烧毁，UA110 V，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，并联电阻小于RB，所以UBU并，B灯烧毁对于C电路，B灯与滑动变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UAUB110 V，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UAUB110 V，两灯可以正常发光比较C、D两个电路，由于C电路中滑动变阻器功率为(IAIB)110 V，而D电路中滑动变阻器功率为(IAIB)110 V，所以C电路消耗电功率最小答案C三、非纯电阻电路的特点及计算例3如图2所示的电路中，电源电压为60 V，内阻不计，电阻R2 ，电动机的内阻R01.6 ，电压表的示数为50 V，电动机正常工作，求电动机的输出功率图2解析电动机正常工作时，电动机两端的电压U050 V，此时通过电路中的电流：I5 A，电动机的输出功率P出U0II2R0210 W.答案210 W规律总结电动机的功率电动机的总功率(输入功率)：P入UI.电动机的热功率P热I2r.电动机的输出功率(机械功率)：P出UII2r.电动机的效率：1.针对训练一台电动机内阻为1 ，接到120 V的电源上当电动机工作时，电流为10 A问：(1)电动机输入功率是多少？(2)电动机发热功率是多少？(3)输出的机械功率是多少？答案(1)1 200 W(2)100 W(3)1 100 W解析(1)电动机的输入功率P电UI12010 W1 200 W.(2)电动机的发热功率P热I2r1021 W100 W.(3)输出的机械功率P机P电P热1 200 W100 W1 100 W.1(功率PUI，PI2R，P的区分)关于三个公式PUI，PI2R，P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，其次个公式可用于求热功率，第三个公式没有意义D由UIR可知，三个公式没有任何区分，它们表达相同的意义，所求P既是电功率，也是热功率解析首先要明确，欧姆定律UIR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分，但在非纯电阻电路中它们互不相同其次，PUI表示电功率，而PI2R表示热功率因此，在纯电阻电路中，UII2R，消耗的电能全部转化为内能；而在非纯电阻电路中，UII2R，即消耗的电能只有部分转化为内能答案BC2(非纯电阻电路)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，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的功率答案ABD解析电炉属于纯电阻元件，电动机属于非纯电阻元件，对于电炉有：UIR，放热QI2Rt，消耗功率PI2R.对于电动机有：UIR，放热QI2Rt，消耗功率PUII2R.3. (非纯电阻电路的特点)如图3所示，直流电动机线圈的电阻为R，当该电动机正常工作时，电动机两端电压为U，通过电动机的电流为I，则()图3A电动机内部的发热功率为I2RB电动机的机械功率为IUC电动机的总功率为IUD电动机机械功率为IUI2R答案ACD4(纯电阻电路功率的计算)有规格为“220 V 1000 W”的电炉，问它在正常工作时的电阻；假如电压只有200 V，求它实际消耗的功率答案48.4 826.4 W解析由于电炉是纯电阻电路，故P，则R 48.4 当电压为200 V时，则实际消耗的功率P W826.4 W题组一电功率的理解及有关计算1下列关于电功率的说法中，正确的是()A用电器的额定功率与用电器的实际电压和实际电流有关B用电器的实际功率取决于用电器的额定功率C白炽灯正常工作时，实际功率等于额定功率D电功率越小，则电流做功越少答案C解析用电器的额定功率是它正常工作时的功率，其值是由用电器本身的结构打算的，与实际电流和实际电压无关，故A错，C对；用电器实际功率的大小是由加在它两端的电压和通过它的电流打算的，B错；电流做功的多少不仅与功率的大小有关，还与通电时间有关，D错2一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36 W与36 V若把此灯泡接到输出电压为18 V的电源两端，则灯泡消耗的电功率()A等于36 W B小于36 W，大于9 WC等于9 W D小于9 W答案B解析白炽灯在正常工作时的电阻为R，由P变形得R36 ，当接入18 V电压时，假设灯泡的电阻也为36 ，则它消耗的功率为PW9 W，但是当灯泡两端接入18 V电压时，它的发热功率小，灯丝的温度较正常工作时的温度低，其电阻率小，所以其电阻要小于36 ，其实际功率要大于9 W，故选项B正确3.如图1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()图1AL1亮度不变，L2变暗BL1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答案BCD解析滑动变阻器的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，B对由于滑动变阻器电阻变大，总电阻变大，由P可知，U确定，P减小，即电路总功率减小，C对又由于总电阻增大，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4三只电阻R1、R2和R3按如图2所示连接，在电路的A、B端加上恒定电压后，电阻R1消耗的功率最大，则三只电阻的阻值大小关系为()图2AR1R2R3 BR2R1R3CR3R2R1 DR1R3R2答案B解析电阻R1、R2并联，电阻两端的电压相等，由于电阻R1消耗的功率最大，由功率公式P，可推断R2R1，由串、并联电路的特点可知，通过电阻R1的电流小于通过电阻R3的电流，依据功率公式PI2R，可推断R1R3，故选B.题组二焦耳定律的理解及应用5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，电流强度为，则在时间t内产生的热量为()A4Q B2Q C. D.答案D解析依据QI2Rt得，当电阻为2R，电流强度为时，在时间t内产生的热量Q()22RtI2Rt，D正确6把两根电阻相同的电热丝先串联后并联分别接在同一电源上，若要产生相等的热量，则两种方法所需的时间之比t串t并为()A11 B21 C41 D14答案C解析设每根电热丝电阻为R，则R串2R，R并.由QWt得t串t并41.题组三非纯电阻电路的特点7.如图3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3A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答案C解析灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且干路电流II灯 A，则电解槽消耗的电功率PP灯60 W，A错，C对；电解槽的发热功率P热I2R内1.3 W，B错误；整个电路消耗的总功率P总220 W120 W，D错8额定电压、额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯，各拘束额定电压下正常工作了相同的时间比较它们产生的热量，结果是()A电风扇最多 B电烙铁最多C日光灯最多 D一样多答案B解析在三种用电器中，只有电烙铁是纯电阻用电器将电能全部转化为内能，故B选项正确9.如图4所示，电阻R120 ，电动机的绕组的电阻R210 .当电键断开时，电流表的示数是0.5 A，当电键合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率应是()图4AI1.5 A BI1.5 ACP15 W DP15 W答案BD解析电路两端的电压为：UI1R10.5 A20 10 V电动机是非纯电阻用电器，UI2IR2，所以I21 A电流表的示数II1I21.5 A，A错误，B正确电路总功率为PU(I1I2)15 W，C错误，D正确题组四综合应用10如图5所示为甲、乙两灯泡的IU图象，依据图象，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5A15 W、30 W B30 W、40 WC40 W、60 W D60 W、100 W答案C解析从图象的横坐标(U)为220 V的刻度可找出对应的纵坐标(I)的值分别为I甲0.19 A，I乙0.29 A，则P甲UI甲40 W，P乙UI乙60 W，即C项正确11.如图6所示的电路中，电炉电阻R10 ，电动机线圈的电阻r1 ，电路两端电压U100 V，电流表的示数为30 A，问通过电动机的电流强度为多少？通电一分钟，电动机做的有用功为多少？图6答案20 A9.6104 J解析题图中的两个支路分别为纯电阻电路(电炉)和非纯电阻电路(电动机)在纯电阻电路中可运用欧姆定律I直接求出电流强度，而非纯电阻电路中的电流强度只能运用干路和支路中电流强度的关系求出在非纯电阻电路中，电功大于电热，两者的差值才是有用功依据欧姆定律，通过电炉的电流强度为I1 A10 A.依据并联电路中的干路电流和支路电流的关系，则通过电动机的电流强度为I2II120 A.电动机的总功率为PUI210020 W2103 W.因发热而损耗的功率为PIr400 W.电动机的有用功率(机械功率)为PPP1.6103 W，电动机通电1 min做的有用功为WPt1.610360 J9.6104 J.12一台电风扇，内阻为20 ，接上220 V电压后，消耗功率66 W问：(1)电风扇正常工作时通过电动机的电流是多少？(2)电风扇正常工作时转化为机械能的功率是多少？转化为内能的功率是多少？电动机的效率是多少？(3)假如接上电源后，电风扇的风叶被卡住，不能转动，这时通过电动机的电流以及电动机消耗的电功率和发热功率是多少？答案(1)0.3 A(2)64.2 W1.8 W97.3 %(3)11 A2 420 W2 420 W解析(1)由于P入IU所以I A0.3 A(2)电风扇正常工作时转化为内能的功率P内I2R0.3220 W1.8 W电风扇正常工作时转化为机械能的功率P机P入P内66 W1.8 W64.2 W电风扇正常工作时的效率100%97.3%(3)电风扇的风叶被卡住后，电动机不转时可视为纯电阻电路，通过电风扇的电流I A11 A电动机消耗的电功率PIU11220 W2 420 W电动机发热功率P内I2R11220 W2 420 W13如图7所示为国庆群众游行队伍中的国徽彩车，不仅气概磅礴而且还是一辆电动车，充一次电可以走100公里左右假设这辆电动彩车总质量为6.75103 kg，当它匀速通过天安门前500 m的检阅区域时用时250 s，驱动电机的输入电流I10 A，电压为300 V，电动彩车行驶时所受阻力为车重的0.02倍g取10 m/s2，不计摩擦，只考虑驱动电机的内阻发热损耗能量，求：图7(1)驱动电机的输入功率；(2)电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率；(3)驱动电机的内阻和机械效率答案(1)3 000 W(2)2 700 W(3)3 90%解析(1)驱动电机的输入功率P入UI30010 W3 000 W.(2)电动彩车通过天安门前的速度v2 m/s电动彩车行驶时所受阻力为Ff0.02mg0.026.7510310 N1.35103 N电动彩车匀速行驶时FFf，故电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率P机Fv2 700 W.(3)设驱动电机的内阻为R，由能量守恒定律得P入tP机tI2Rt解得驱动电机的内阻R3 驱动电机的机械效率100%90%.