2019学年高中物理 第二章 恒定电流 5 焦耳定律学案 新人教版必修2.doc

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1、- 1 -5 5 焦耳定律焦耳定律学科素养与目标要求物理观念： 1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念.2.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的特点和区别.科学思维：弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系，并能进行有关的计算.一、电功和电功率1.电功(1)电功是指电路中静电力对定向移动的电荷所做的功，电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程.(2)电功的计算公式：WIUt.单位：焦耳，符号为 J.常用的单位：千瓦时(kWh)，也称“度” ，1 kWh3.6106 J.2.电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功.(2)公式：P UI.W t(3)单位：瓦特，符号为 W.(4)意义：表示电流

2、做功的快慢.二、焦耳定律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，跟导体的电阻及通电时间成正比.(2)表达式：QI2Rt.2.热功率(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率.(2)表达式：PI2R.(3)物理意义：表示电流发热快慢的物理量.1.判断下列说法的正误.(1)电功率越大，表示电流做功越多.( )- 2 -(2)电功WUIt可以用来计算所有电路中电流所做的功.( )(3)电热QI2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热.( )(4)任何情况下电功都等于电热.( )(5)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热.( )2.通过

3、电阻R的电流为I时，在时间t内产生的热量为Q，若电阻为 2R，电流为 ，则在时I 2间t内产生的热量为 .答案 Q 2解析 根据QI2Rt得，若电阻变为原来的 2 倍，电流变为原来的 ，时间不变，则1 2Q22RtI2RtQ.(I 2)1 21 2一、电功和电热的理解电吹风工作时，将电能转化为什么能？电熨斗工作时，将电能转化为什么能？答案 电吹风工作时，把电能转化为内能和机械能.电熨斗工作时，将电能转化为内能.1.纯电阻电路与非纯电阻电路(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等的电路称为非纯电阻电路.在非纯电阻电路中，电流做

4、的功将电能除了转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能.2.WUIt是电功的计算式，PUI是电功率的计算式，适用于任何电路.QI2Rt是电热的计算式，可以计算任何电路中电流I通过电阻R时在t时间内产生的热量，P热I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路的热功率.3.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路能量转化情况电功和电热的关系WQ即IUtI2RttU2 RWQE其他UItI2RtE其他- 3 -电功率和热功率的关系PP热，即IUI2RU2 RPP热P其他即IUI2RP其他欧姆定律是否成立UIR I 成立U RUIR I 不成立U R例 1 (多选)下列关于电功、电功

5、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一定越多B.WUIt适用于任何电路，而WI2Rtt只适用于纯电阻电路U2 RC.在非纯电阻电路中，UII2RD.焦耳热QI2Rt适用于任何电路答案 BCD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W tPIU，I ，焦耳热Q( )2Rt，可见Q与P、U、t、R都有关，所以P越大，Q不一定越大，P UP UA 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.U R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

6、的定义式，适用于任何电路，D 对.1.只有在纯电阻电路中才有WQ，P电P热，而在非纯电阻电路中WQ，P电P热.2.在纯电阻电路中，由UItI2Rt得I ，即欧姆定律成立；在非纯电阻电路中，由U RUItI2Rt知UIR，即欧姆定律不成立.二、纯电阻电路中的功率分配及计算例 2 额定电压都是 110 V，额定功率PA100 W、PB40 W 的两盏灯泡，若接在电压为 220 V 的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是( )答案 C- 4 -解析 判断灯泡能否正常发光，就要判断灯泡两端的电压是否是额定电压，或流过灯泡的电流是否是额定电流，对灯泡有PUI，可知RARB.U2 R对于

7、 A 电路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110 V，B 灯可能被烧毁，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 灯可能被烧毁，A 灯不能正常发光.对于 C 电路，B 灯与滑动变阻器并联，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

8、耗电功率最小.1.串联、并联电路的功率分配(纯电阻电路)(1)串联电路：，(由PI2R可得)，电阻越大，功率越大.P1 P2R1 R2Pn PRn R(2)并联电路：，(由P可得)，电阻越大，功率越小.P1 P2R2 R1Pn PR RnU2 R2.计算纯电阻电路的功率时，可以用PUI，也可以用PI2R或P.做题时要根据题目灵U2 R活选用.三、非纯电阻电路功率的分析与计算例 3 小型直流电动机(其线圈内阻为r1 )与规格为“4 V 4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R5 的电阻串联，然后接至U12 V 的电源上，如图 1 所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，求：图 1(1)通过电动机的电

9、流；(2)电动机的输出功率P出；(3)电动机的效率.答案 (1)0.6 A (2)2.04 W (3)85%解析 (1)流经灯泡的电流- 5 -IL A1 AP UL4 4流经电阻R的电流IR A1.6 AUUL R124 5流经电动机的电流IIRIL0.6 A.(2)电动机消耗的总功率PULI40.6 W2.4 W电动机的热功率P热I2r(0.6)21 W0.36 W电动机的输出功率P出PP热2.4 W0.36 W2.04 W(3)电动机的效率：100%100%85%.P出 P2.04 2.4针对训练 1 规格为“220 V 36 W”的排气扇，线圈电阻为 40 ，求：(1)接 220 V

10、的电源后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上(1)中电源后，扇叶卡住，不能转动，假设线圈未被烧断，求电动机消耗的功率和发热的功率.答案 (1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W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.P U36 220发热的功率为P热I2R(0.16)240 W1 W.转化为机械能的功率为P机PP热(361) W35 W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机所在电路成为纯电阻电路，电流做的功全部转化为电热，此时电动机中电流为I A5.5 A.U R220 40电动机消耗的功率即电功率等于发热功率：P电P

11、热UI2205.5 W1 210 W.1.电动机的功率和效率(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P入UI.(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热I2r.(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率，P出IUI2r.(4)电动机的效率：100%100%.P出 P入IUI2r IU2.串、并联电路的总功率- 6 -(1)串联电路：P总U总I(U1U2U3)IP1P2P3(2)并联电路：P总UI总U(I1I2I3)P1P2P3即无论是串联电路还是并联电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电路消耗的总功率均等于电路中各电阻消耗的功率之和.针对训练 2 如图 2 所示，有一

12、内电阻为 4.4 的电解槽和一盏标有“110 V 60 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 2A.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6 11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；整个电路消耗的总功率P总220 W120 W，D 错.6 111.(对电功率的理解)如图 3 所示，一幢居民楼里住着生活水平各不

13、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、电风扇等.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 3A.PI2R B.PU2 RC.PIU D.PI2RU2 R- 7 -答案 C解析 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.2.(对焦耳定律的理解)(多选)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流且正常工作，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

14、等于电动机两端电压D.电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率答案 ABD3.(纯电阻电路中功率的分配及计算)把 6 个相同的电灯接成如图 4 甲、乙所示两电路，通过调节供电电压与变阻器R1、R2的阻值，使两组电灯均能正常发光，并且两电路消耗的总电功率也相同，则R1、R2大小满足( )图 4A.R29R1 B.R26R1C.R23R1 D.R1R2答案 A解析 设每个灯泡正常发光时其电流为I，则题图甲中总电流为 3I，题图乙中总电流为I；要使两电路消耗的总电功率也相同，需使PR1PR2，即(3I)2R1I2R2，故R29R1，所以选项A 正确.4.(非纯电阻电路中功率的分析与计算)一台小型电动机在

15、380 V 电压下正常工作时，能将 30 kg 的货物在 30 s 内匀速提升 30 m，通过它的电流是 1 A.除电动机线圈生热，其他能量损失不计，求在此过程中：(g取 10 N/kg)(1)拉力对货物做功的功率；(2)电动机的输出功率；(3)电动机线圈所产生的热量.答案 (1)300 W (2)300 W (3)2 400 J解析 (1)货物匀速上升，故拉力等于重力，故有Fmg3010 N300 N，上升的速度为v m/s1 m/s，s t30 30故拉力的功率为PFv3001 W300 W.(2)电动机的输出功率为P输出P300 W.(3)由能量守恒定律可知- 8 -QIUtP输出t(1

16、3803030030) J2 400 J.一、选择题考点一 对电功和电热的理解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QC.WUIt、QI2Rt均只有在纯电阻电路中才成立D.WUIt在任何电路中都成立，QI2Rt只在纯电阻电路中才成立答案 B解析 WUIt是电功的定义式，适用于任何电路，QI2Rt是焦耳热的定义式，也适用于任何电路，如果是纯电阻电路，则WQ，在非纯电阻电路中WQ，B 对，A、C、D 错.2.室内有几种用电器：1.5 kW 的电饭煲、200 W 的电冰箱、750 W 的取暖器

17、、250 W 的电视机和 2 kW 的空调器.如果进线处有 13 A 的保险丝，供电电压为 220 V，下列情况下不可以同时使用的是( )A.电饭煲和电冰箱B.取暖器和空调器C.电饭煲和空调器D.电冰箱、电视机和空调器答案 C解析 电路中允许的最大功率为PmUI2 860 W.用电器的功率之和大于Pm时，用电器就不可以同时使用，故选 C.3.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 1 所示，此空调器运行 1 小时用电( )图 1A.1.0 度 B.1.5 度- 9 -C.2.0 度 D.2.5 度答案 B解析 从题图可以看出，在 1

18、 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，故此空调器运行 1 小时用电：P1t1P2t2kWh1.5 kWh1.5 度，故选 B.(0.5 1 32 2 3)4.加在某电动机上的电压是U，电动机消耗的电功率为P，电动机线圈的电阻为r，则电动机线圈上消耗的热功率为( )A.P B. C. D.PU2 rP2r U2P2r U2答案 C解析 因为PIU，I ，所以P热2r，故选 C.P U(P U)考点二 纯电阻电路中的功率分配及计算5.如图 2 所示为某两个电阻的UI图象，则R1R2的值、把两电阻串联后接入电路时消耗功率之比P1P2、把两

19、电阻并联后接入电路时消耗功率之比P1P2分别是( )图 2A.21 21 12B.21 12 21C.12 12 21D.12 21 12答案 A6.(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，两灯泡均不被烧坏，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答案 BC解析 当两灯泡串联时，电流相等，L1的额定电流为I11 A，电阻

20、R16 ，L2P1 U1U12 P1- 10 -的额定电流为I20.5 A，电阻R212 .要使两灯泡均不被烧坏，电路中的最大P2 U2U22 P2电流为 0.5 A，最大功率为PmaxI22R1I22R24.5 W，故 A 错误，B 正确；当两灯泡并联时，电压相等，当电压为 6 V 时，两灯泡皆可正常发光，此时两灯泡的总功率最大为 9 W，故 C正确，D 错误.7.(2018山东聊城市高一下期末)A、B 为“220 V 100 W”的两盏相同的灯泡，C、D 为“220 V 40 W”的两盏相同的灯泡.现将四盏灯泡接成如图 3 所示的电路，并将两端接入电路，各灯实际功率分别为PA、PB、PC、

21、PD，各灯实际功率都没有超过它们的额定功率.则实际功率的大小关系为( )图 3A.PAPB，PCPDB.PAPDPBPCC.PDPAPBPCD.PBPCPDPA答案 C解析 根据R得，RARBRCRD.由题图知，UBUC，根据P知PBPC；因为U2 PU2 RIAID，根据PI2R知，PDPA.通过 A、D 的电流大于通过 B、C 的电流，由PI2R知，PAPB，PDPC，所以PDPAPBPC.8.(2018衡中微山分校高一下期末)粗细均匀的金属环上ACBD四点把周长分成四等分，如图 4 所示，当A、B点接入电路时，圆环消耗的电功率为P；当A、D点接入电路中时，圆环消耗的电功率为(电源为恒压电

22、源)( )图 4A. B.PP 4C. D.3P4P 3答案 C解析 将圆环四等分，每一等分的电阻设为R，则当A、B点接入电路中时总电阻R1R，当- 11 -A、D点接入电路中时总电阻R2R；由P，得P2P1R1R243，又R3R R3R3 4U2 RP1P，得P2，故选 C.4P 3考点三 非纯电阻电路中功率的分析与计算9.电阻R和电动机串联接到电路中，如图 5 所示，已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等，开关接通后，电动机正常工作.设电阻R和电动机两端的电压分别为U1和U2，经过时间t，电流通过电阻R做功为W1，产生热量为Q1，电流通过电动机做功为W2，产生热量为Q2，则有( )图 5A.U

23、1U2，Q1Q2 B.U1U2，Q1Q2C.W1W2，Q1Q2 D.W1W2，Q1Q2答案 A解析 电动机正常工作时的电路是非纯电阻电路，其两端电压U2IRU1，B 错；电流做的功W1IU1t，W2IU2t，因此，W1W2，C 错；由QI2Rt可判断产生的热量Q1Q2，A 对，D错.10.有一台电风扇，额定电压为 220 V，额定电功率为 50 W，线圈电阻为 0.4 .当电风扇在额定电压下工作时，关于它的线圈电阻每分钟产生的热量是多少，有四位同学计算如下，其中正确的是( )A.QI2Rt20.460 J1.24 J(50 220)B.QPt5060 J3 000 JC.QIUt22060 J

24、3 000 J50 220D.Qt60 J7.26106 JU2 R2202 0.4答案 A解析 电风扇正常工作时产生的热量是由于线圈发热产生的，所以每分钟产生的热量为QI2Rt1.24 J，A 正确.11.(多选)日常生活用的电吹风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，得到的热风可将头发吹干.设电动机线圈的电阻为R1，它与电阻为R2的电热丝相串联，接到直流电源上，电吹风机两端电压为U，通过的电流为I，消耗的电功率为P，则以下选项- 12 -正确的是( )A.IU P B.IUPC.PI2(R1R2) D.PI2(R1R2)答案 BC解析 根据电功率的定义式PUI，可知 A

25、 错误，B 正确.消耗的电功率分为三部分：线圈消耗的热功率、电热丝消耗的热功率、电动机工作时的输出功率，故 C 正确，D 错误.二、非选择题12.有一个小型直流电动机，把它接入电压为U10.2 V 的电路中时，电动机不转，测得流过电动机的电流是I10.4 A；若把电动机接入U22.0 V 的电路中，电动机正常工作，工作电流是I21.0 A，求：(1)电动机正常工作时的输出功率多大？(2)如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率是多大？答案 (1)1.5 W (2)8 W解析 (1)U10.2 V 时，电动机不转，此时为纯电阻电路，故电动机线圈内阻r U1 I10.2 0.4

26、0.5 ；U22.0 V 时，电动机正常工作，此时为非纯电阻电路，则由电功率与热功率各自的定义式，得P电U2I22.01.0 W2 W.P热I22r1.020.5 W0.5 W.电动机的输出功率P出P电P热2 W0.5 W1.5 W.(2)若电动机正常工作时，转子突然被卡住，则又变成了纯电阻电路，其热功率P热 U22 r W8 W.2.02 0.513.如图 6 所示，A为电解槽，N为电炉，恒定电压U12 V，电解槽内阻rA2 ，当 S1闭合、S2断开时，电流表的示数为 6 A；当 S2闭合、S1断开时，电流表的示数为 4 A，求：(电流表内阻不计)图 6(1)电炉的电阻及发热功率各多大？(2)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？答案 (1)2 72 W (2)16 W- 13 -解析 (1)电炉为纯电阻元件，由欧姆定律得I1 ，则R 2 ，其发热功率U RU I112 6为：PNUI1126 W72 W.(2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为：P热I22rA422 W32 W，总功率为：P总 UI2124 W48 W，故电能转化为化学能的功率为：P化P总P热(4832) W16 W.