高中物理滬科版選修3-1訓(xùn)練4-4電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒

課后篇鞏固提升A組1.一根電阻絲,通過2C的電荷量所消耗的電能是8J。若在相同的時間內(nèi)通過4C的電荷量,該電阻絲上所加電壓和消耗的電能分別是()A.4V16JB.8V16JC.4V32J D.8V32J解析:設(shè)電阻絲電阻為R,開始所加電壓為U1,則W1=q1U1,故U1=4V;設(shè)后來所加電壓為U2,產(chǎn)生的熱量為W2,則I2=q2又I1=q1由①②得U2=q2q1U1=W2=q2U2=4×8J=32J。答案:D2.(多選)日常生活用的電吹風(fēng)中有電動機和電熱絲,電動機帶動風(fēng)葉轉(zhuǎn)動,電熱絲給空氣加熱,得到的熱風(fēng)可將頭發(fā)吹干。設(shè)電動機線圈的電阻為R1,它與電熱絲的電阻R2相串聯(lián),接到直流電源上,電吹風(fēng)機兩端電壓為U,通過的電流為I,消耗的電功率為P,則下列選項中正確的是()A.IU>P B.IU=PC.P>I2(R1+R2) D.P=I2(R1+R2)解析:根據(jù)電功率的定義P=UI,可知選項B正確;電功率分為三部分:線圈消耗的熱功率、電熱絲消耗的熱功率、電動機工作時轉(zhuǎn)化為風(fēng)能的功率。答案:BC3.一只電池的背面印有如圖所示的一些符號,另外在使用說明書上對電池的說明中還寫有“通話3小時,待機100小時”,則該通話和待機消耗的功率分別約為()鋰電池3.6V500mAh20210426A.1.8W5.4×102WB.0.6W1.8×102WC.3.6W0.108WD.6.48×103W1.94×102W解析:由題圖中所提供的“3.6V500mAh”,根據(jù)功和電功率的有關(guān)知識,可求通話時消耗的功率為P1=3.6V×500mAh3h=0.6W,待機時消耗的功率為P2=3.6V×500mAh答案:B4.如圖所示電路中,R1=R3<R2=R4,在ab兩端接上電源后,設(shè)每個電阻所消耗的電功率分別為P1、P2、P3、P4,則它們的大小關(guān)系是()A.P1=P3<P2=P4 B.P2>P1>P3>P4C.P2>P1>P4>P3 D.P1>P2>P3>P4解析:設(shè)流過R1、R2、R3、R4的電流分別為I1、I2、I3、I4,則I1=I2=I3+I4故P1=I12R1<P2=IP1=I12R1>P3=I即P2>P1>P3又因為R3<R4,所以P3>P4即P2>P1>P3>P4綜上所述,本題正確選項為B。答案:B5.已知兩電阻R1、R2的IU圖線如圖所示,把R1、R2并聯(lián)接到一電源上,R1消耗的功率為6W,則電源輸出的功率是()A.8WB.10WC.15WD.22W解析:從題圖上得出R1=8Ω,R2=12Ω。并聯(lián)時,U1=U2,故P1R1=P2R2,得6W×8Ω=12Ω·P2所以P2=4W。答案:B6.如圖所示,電動勢為E、內(nèi)阻不計的電源與三個燈泡和三個電阻相接,只合上開關(guān)S1,三個燈泡都能正常工作。如果再合上S2,則下列表述中正確的是()A.電源輸出功率減小B.L1上消耗的功率增大C.通過R1上的電流增大D.通過R3上的電流增大解析:電源不計內(nèi)阻,其輸出電壓等于電動勢。當(dāng)閉合S2時,電路的外電阻R變小,電路總電流變大,選項C正確;電源的輸出功率P出=E2R,所以電源輸出功率應(yīng)該變大,選項A錯誤;因并聯(lián)部分兩端的電壓U并=EU1,又閉合S2時U1變大,所以U并變小,L1上消耗的功率變小,通過R3的電流也是變小的,選項B、答案:C7.如圖所示電路中,電源電動勢E=10V,內(nèi)阻r=0.5Ω,電動機的電阻R0=1.0Ω,電阻R1=1.5Ω。電動機正常工作時,電壓表的示數(shù)U1=3.0V,求:(1)電源釋放的電功率。(2)電動機消耗的電功率;將電能轉(zhuǎn)化為機械能的功率。(3)電源的輸出功率。解析:(1)電動機正常工作時,總電流為I=U1R1=3.01.5A=(2)電動機兩端的電壓為U=EIrU1=(102×0.53)V=6V電動機消耗的電功率為P電=UI=6×2W=12W電動機的熱功率為P熱=I2R0=22×1W=4W電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能的功率,即為電動機的輸出功率,有P出=P電P熱=(124)W=8W。(3)電源的輸出功率為P出'=P釋P內(nèi)=P釋I2r=(2022×0.5)W=18W。答案:(1)20W(2)12W8W(3)18WB組1.(多選)如圖所示,直線A為電源的伏安特性曲線,直線B為電阻R的伏安特性曲線,用該電源和電阻組成一個閉合電路,則()A.電源的總功率是18W、輸出功率是12WB.電源的總功率是6W、輸出功率是4WC.電源的電動勢是3V、內(nèi)阻是1ΩD.R的阻值是1Ω解析:由題圖可知,E=3V,U=2V,I=2A,則電源輸出功率為P=UI=4W,電源總功率是P=EI=6W。電源內(nèi)阻r=ΔUΔI=0.5Ω,R=UI=1Ω,選項A、C錯誤,選項答案:BD2.計算電功率的公式P=U2R中,U表示加在用電器兩端的電壓值,R是用電器的電阻值,則此式可用于(A.計算電冰箱的功率B.計算電風(fēng)扇的功率C.計算電烙鐵的功率D.計算一切用電器的功率解析:公式P=U2R只適用于純電阻電路的用電器功率,故選答案:C3.將直流電動機和電爐并聯(lián)后,接在直流電源上,如圖所示。已知電源的內(nèi)阻r=1Ω,電爐的電阻R1=19Ω(認為其阻值恒定,不隨溫度變化),電動機線圈繞組的電阻R2=2Ω。當(dāng)開關(guān)S斷開時,電爐的功率是475W;當(dāng)開關(guān)S閉合時,電爐的功率是402.04W。求:(1)直流電源的電動勢E。(2)開關(guān)S閉合時,電動機的機械功率。解析:(1)S斷開時,電爐的功率為P=I2R1=(ER1+r解得E=100V。(2)S閉合時,P1'=I1'2R1解得I1'=4.6AR1兩端的電壓U'=I1'R1=87.4V設(shè)干路電流為I',由E=U'+I'r得I'=E-U'r=通過電動機的電流為I2'=I'I1'=12.6A4.6A=8A電動機所消耗的功率為P1=I2'U'=8×87.4W=699.2W電動機消耗的熱功率為P2=I2'2R2=82×2W=128W故電動機的機械功率為P'=P1P2=571.2W。答案:(1)100V(2)571.2W4.如圖所示,電源電動勢E=10V,內(nèi)阻r=0.5Ω,標(biāo)有“8V,16W”的燈泡恰好能正常發(fā)光,電動機M繞組的電阻R0=1Ω,求:(1)路端電壓;(2)電源的總功率;(3)電動機的輸出功率。解析:(1)燈泡正常發(fā)光,U=U額=8V。(2)U內(nèi)=EU=2V由歐姆定律得流過電源的電流I=U內(nèi)r=電源的總功率P總=EI=10×4W=40W。(3)燈泡的電流I燈=P額U額電動機的電流IM=II燈=2A電動機消耗的電功率PM=UIM=8×2W=16W電動機發(fā)熱功率P熱=IM2R0=22×1W所以電動機的輸出功率P輸出=PMP熱=164W=12W。答案:(1)8V(2)40W(3)12W教學(xué)建議純電阻電路和非純電阻電路,指的是含有將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的用電器的兩種電路。如果電路中僅含有發(fā)熱功能的用電器,這種電路就是純電阻電路。如果電路中含有電動機、電解槽等將電能轉(zhuǎn)化為非熱能的用電器,那么,這種電路就是非純電阻電路。處理這兩種電路問題時,就必須注意電功和電功率表達式和電熱和電熱功率表達式的適用范圍。這一點,教師要在教材的案例分析中向?qū)W生作重點說明。關(guān)于閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題,教師除了“通過引導(dǎo)學(xué)生分析論證讓學(xué)生能區(qū)分電源的總功率、輸出功率、電源的效率等概念”和“通過案例分析讓學(xué)生自主弄清外電路上的功率、負載上的功率、導(dǎo)線上的功率三者之間關(guān)系,以及發(fā)電機功率、外電路功率、內(nèi)電路功率三者之間關(guān)系”之外。告訴學(xué)生守恒是自然運行秩序的根本,沒有自然的守恒性就沒有自然運行的秩序性,因此,可以說自然運行的各種規(guī)律都是自然的守恒性所支撐的結(jié)果,閉合電路歐姆定律就是這一觀點的佐證。你還可以列舉出很多的例子,如牛頓三定律、自由落體運動規(guī)律、行星做近似圓周運動規(guī)律等,它們都是能量守恒支撐的結(jié)果。本節(jié)從能量轉(zhuǎn)化的角度理解電功和電熱,區(qū)分純電阻電路與非純電阻電路。(1)電功和電功率教材根據(jù)功和能的關(guān)系,從電能的轉(zhuǎn)化引入電功概念,然后根據(jù)電場力做功的知識和電流與電荷量的關(guān)系得到了電功的計算公式。教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生對用電器中的能量轉(zhuǎn)化進行討論,這樣有利于學(xué)生理解電功的物理意義?？捎脝栴}來引導(dǎo)學(xué)生思考:電流流過用電器,我們說消耗了一定的電能,實質(zhì)是電荷經(jīng)過用電器過程中,電荷的電勢能減小。電勢能為什么會減少,減少多少,減少的電勢能到哪里去了,引導(dǎo)學(xué)生從電場力做功的角度去考慮這些問題。讓學(xué)生理解,電流通過用電器的過程中,消耗了電能同時產(chǎn)生其他形式的能,這個能量轉(zhuǎn)化的過程就是電流做功的過程,實質(zhì)上就是電場力做功,電勢能減少,增加了其他形式的能。從而比較自然地導(dǎo)出電功的公式W=qU=IUt。從不同的用電器電流做功(消耗電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能)的快慢不同,引入電功率概念,P=Wt,還可以跟速度等概念進行類比,幫助學(xué)生理解。要讓學(xué)生知道用電器額定功率含義,(2)電功與電熱的關(guān)系提出問題:電路中電流做功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能,其中很常見的就是內(nèi)能(焦耳熱),電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量怎樣計算呢?學(xué)生自然會想到初中學(xué)過的焦耳定律Q=I2Rt,也有學(xué)生根據(jù)能量守恒,會認為產(chǎn)生的熱量就是電功W=IUt。教師可以提出問題Q和W相等嗎?這個問題也可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出。討論問題:學(xué)生會運用歐姆定律I=UR,很快推出Q=W。教師也可以引導(dǎo)學(xué)生討論,假設(shè)Q=W,將推導(dǎo)出I=UR,即歐姆定律。進一步提出問題:Q=W的條件是什么?通過引導(dǎo)學(xué)生對上述討論進行分析可以得到結(jié)論:在歐姆定律適用的情況下,電功等于電熱,也就是說電流中消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,即很多情況下,電路消耗的電能不會都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。教師可以用電動機作為例子引導(dǎo)學(xué)生進行討論。電動機消耗的電能(電功)轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能兩部分。電功W=UIt,內(nèi)能Q=I2Rt,兩者并不相等,產(chǎn)生的機械能E等于多少呢?引導(dǎo)學(xué)生從能量守恒的角度去考慮,即W=Q+E,讓學(xué)生清楚,對于非純電阻電路,電功和電熱不相等。教師要引導(dǎo)學(xué)生對上述討論進行歸納總結(jié),一方面總結(jié)電功和電熱的關(guān)系,另一方面還要總結(jié)討論過程中的思路和方法,讓學(xué)生體會用能量轉(zhuǎn)化和守恒