高中教科版物理選修3-1素養(yǎng)學(xué)案第二章6焦耳定律電路中的能量轉(zhuǎn)化

溫馨提示：此套題為Word版，請按住Ctrl,滑動鼠標滾軸，調(diào)節(jié)合適的觀看比例，答案解析附后。關(guān)閉Word文檔返回原板塊。6.焦耳定律電路中的能量轉(zhuǎn)化必備知識·自主學(xué)習(xí)一、探究決定導(dǎo)體電阻的因素比較項目電功電功率概念電場力移動電荷所做的功電流所做的功與做這些功所用時間的比值公式W=IUtP=QUOTE=IU單位焦耳,符號是J瓦特,簡稱瓦,符號是W物理意義描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少描述電流做功的快慢二、焦耳定律熱功率為什么電視機、電風(fēng)扇通電時間長了會發(fā)熱?提示:由于電視機,電風(fēng)扇存在電阻,電流通過時,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而發(fā)熱。1.焦耳定律:(1)內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比,跟電阻值成正比,跟通電時間成正比。(2)表達式:Q=I2Rt。2.焦耳熱和熱功率:(1)焦耳熱:電流通過電阻產(chǎn)生的熱量。(2)熱功率:①定義:電阻通電所產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生這些熱量所用時間的比值,它在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)電阻通電所產(chǎn)生的熱量。②公式:P熱=QUOTE=I2R。③物理意義:表示電流發(fā)熱快慢的物理量。三、電路中的能量轉(zhuǎn)化閉合開關(guān),物體上升,此過程中能量轉(zhuǎn)化情況是怎樣的?提示:閉合開關(guān),物體上升過程中,電源的電能轉(zhuǎn)化為物體的機械能和電動機的內(nèi)能。1.在電源內(nèi)部,通過各種作用,其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。2.在外電路上,電場力做功,將電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。(1)在純電阻元件中,電流使電阻發(fā)熱,電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,電功率等于熱功率,即P電=P熱。(2)在非純電阻元件中,電能要分別轉(zhuǎn)化為機械能、化學(xué)能等,還有一部分轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能,這時P電=P熱+P其他,電功率大于熱功率。3.閉合電路歐姆定律實質(zhì)上是能量守恒定律在閉合電路中的具體體現(xiàn):IE=IU+I2r。4.當(dāng)外電路電阻R為零(短路)時,路端電壓U=0,這時電流稱為短路電流I0,有I0E=QUOTEr。發(fā)生短路時,電源釋放的能量全部在內(nèi)電路中轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。關(guān)鍵能力·合作學(xué)習(xí)知識點一電功和電功率1.純電阻電路與非純電阻電路的比較:比較項目純電阻電路非純電阻電路元件特點電路中只有電阻元件除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的元件歐姆定律服從歐姆定律,I=QUOTE不服從歐姆定律,U>IR或I<QUOTE能量轉(zhuǎn)化電流做功,電能全部轉(zhuǎn)化為電熱電流做功,電能除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外還要轉(zhuǎn)化為其他形式的能元件舉例電阻、電爐絲、白熾燈等電動機、電解槽等2.電功與電熱的比較:(1)電功與電熱。比較項目純電阻電路非純電阻電路能量轉(zhuǎn)化電功W=UIt=I2Rt=QUOTEtW=UIt電熱Q=UIt=I2Rt=QUOTEtQ=I2Rt關(guān)系W=QW>Q(2)電功率與熱功率。比較項目純電阻電路非純電阻電路電功率P電=UI=I2R=QUOTEP電=UI熱功率P熱=UI=I2R=QUOTEP熱=I2R關(guān)系P電=P熱P電>P熱情境:討論:(1)家用電器的銘牌是我們在購買電器時的重要參考,電冰箱和電磁爐消耗的電能哪個更多?提示:雖然電磁爐的功率大于電冰箱的功率,但是工作時間不確定,所以無法比較消耗的電能大小。(2)電冰箱和電磁爐消耗的電能轉(zhuǎn)化方向是否相同?提示:電冰箱:電能一方面轉(zhuǎn)化為制冷消耗,一方面散熱消耗;電磁爐:電能轉(zhuǎn)化為熱能?！镜淅恳?guī)格為“220V36W”的排氣扇,線圈電阻為40Ω,求:(1)接上220V的電壓后,排氣扇轉(zhuǎn)化為機械能的功率和發(fā)熱的功率;(2)如果接上電源后,扇葉被卡住,不能轉(zhuǎn)動,求電動機消耗的功率和發(fā)熱的功率?！窘馕觥?1)接上220V電壓后,排氣扇的功率為36W。根據(jù)熱功率公式P熱=I2R=(QUOTE)2×40W≈1W所以轉(zhuǎn)化為機械能的功率P機=P-P熱=36W-1W=35W(2)當(dāng)接上220V電壓后,扇葉被卡住,不能轉(zhuǎn)動,此電路變?yōu)榧冸娮桦娐?消耗的功率全部轉(zhuǎn)化為熱功率,所以P=P熱=QUOTE=QUOTEW=1210W答案:(1)35W1W(2)1210W1210W1.隨著我國人民生活水平的不斷提高,家庭中使用的電器越來越多,下列電器中主要利用電流的熱效應(yīng)工作的是()A.手機B.電視機C.電熱水壺D.空調(diào)【解析】選C。手機充電時是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,A錯誤;電視機工作時,將電能轉(zhuǎn)化為光能、電場能、磁場能等,B錯誤;電熱水壺是將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,C正確;空調(diào)取暖時是電熱器工作,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;制冷時是壓縮機工作,將電能轉(zhuǎn)化為機械能,D錯誤。故選C。2.(多選)(2020·廣元高二檢測)如圖所示是一提升重物用的直流電動機工作時的電路圖,其中電動機內(nèi)電阻r=1Ω,電路中另一電阻R=9Ω,直流電壓U=180V,理想電壓表示數(shù)UV=135V,電動機正以v=1m/s勻速豎直向上提升某重物,g取10m/s2,下列判斷正確的是()A.通過電動機的電流是18AB.輸入電動機的電功率是675WC.電動機的輸出功率是25WD.重物的質(zhì)量是65kg【解析】選B、D。通過R的電流為:I=QUOTE=QUOTEA=5A,A錯誤;電動機的輸入功率為P1=UVI=135×5W=675W,故B正確;電動機內(nèi)電阻的發(fā)熱功率為P2=I2r=52×1W=25W,輸出的機械功率為:P3=P1-P2=(675-25)W=650W,C錯誤;P3=Fv=mgv解得m=QUOTEkg=65kg,D正確;故選B、D?！炯庸逃?xùn)練】1.對計算任何用電器的熱功率都適用的公式是(P表示用電器的熱功率,W表示電流對用電器做的功,U表示用電器兩端電壓,I表示通過用電器上的電流)()A.P=I2R B.P=IUC.P=QUOTE D.P=QUOTE【解析】選A。公式P=I2R計算熱功率適用于所有電器。則A正確,B、C、D三項若求得熱功率,則只能是純電阻電路才可用的公式。2.(多選)如圖所示的電路中,L1、L2是兩個不同的小燈泡,a、b間有恒定的電壓,它們都正常發(fā)光,當(dāng)滑動變阻器的滑片向右滑動時,發(fā)生的現(xiàn)象是()A.L1亮度不變,L2變暗B.L1變暗,L2變亮C.電路消耗的總功率變小D.流過滑動變阻器的電流變小【解析】選B、C、D。當(dāng)變阻器滑片向右滑動時阻值增大,并聯(lián)部分的電阻變大,分得電壓變大,所以L2兩端電壓增大,變亮。L1分得電壓變小,L1變暗,A錯誤,B正確;因為滑動變阻器電阻變大,總電阻變大,由P=QUOTE可知,U一定,P減小,即電路總功率減小,C正確;又因為總電阻增大,總電流減小,而L2電壓變大,電流變大,所以流過變阻器的電流減小,D正確。知識點二閉合電路的功率1.電源總功率:電路消耗電能總功率,公式為P總=EI。2.電源的輸出功率:外電路消耗功率,公式為P出=IU=IE-I2r。3.電源的內(nèi)耗功率:電源的內(nèi)電路消耗的功率,公式為P內(nèi)=I2r。4.各部分功率間的關(guān)系:P總=P出+P內(nèi)或IE=I2R+I2r。5.純電阻電路中電源輸出功率的討論:P出=UI=I2R=QUOTE=QUOTE。(1)電源的輸出功率隨外電阻的變化關(guān)系如圖所示。(2)當(dāng)R=r時,P出max=QUOTE。(3)一個輸出功率P(除最大功率外)對應(yīng)于兩個不同的外電阻R1和R2,且r=QUOTE。(4)當(dāng)R<r時,R↑→P出↑;當(dāng)R>r時,R↑→P出↓。6.電源的效率:(1)電源的輸出功率與總功率的比值,即η=QUOTE×100%=QUOTE×100%。(2)當(dāng)R=r時,η=50%。情境:電池說:我提供整個電路的能量,所以輸出功率的大小我說了算。電阻說:我是用電器,消耗的電功率我說了算。討論:(1)電源和電阻誰說的對?提示:電源的輸出功率取決于外電阻的大小。(2)何時電路消耗的總功率最大?提示:由P=EI可知,I越大,P越大,所以電路中的電阻越小,電路消耗的總功率越大?！镜淅咳鐖D所示,一直流電源與一保護電阻R0和一直流電動機串聯(lián),已知電源電動勢E=24V(電源內(nèi)阻不計),保護電阻R0=4Ω,電動機內(nèi)阻R=2Ω,電動機豎直向上勻速吊起一質(zhì)量為m=1kg的重物時,電流表的讀數(shù)I=2A,不計一切阻力,g取10m/s2。(1)電動機的電功率及熱功率分別為多大?(2)重物勻速上升的速度v多大?(3)電動機的效率是多少?【解析】(1)根據(jù)歐姆定律求出保護電阻兩端的電壓,再應(yīng)用串聯(lián)電路的特點求電動機兩端的電壓,然后求出電動機的電功率PM=UMI及熱功率P熱=I2R;保護電阻兩端的電壓UR0=IR0=2×4V=8V電動機兩端的電壓UM=E-UR0=24V-8V=16V電動機的電功率PM=UMI=16×2W=32W電動機的熱功率P熱=I2R=22×2W=8W(2)求出電動機的機械功率P機,然后根據(jù)P機=mgv求出重物勻速上升的速度;電動機的機械功率P機=PM-P熱=32W-8W=24W重物勻速上升,則F=mgP機=Fv=mgv,則重物勻速上升的速度v=QUOTE=QUOTEm/s=2.4m/s;(3)根據(jù)η=QUOTE求出電動機的效率。電動機的效率η=QUOTE×100%=QUOTE×100%=75%答案:(1)32W8W(2)2.4m/s(3)75%1.(多選)(2020·樂山高二檢測)一輛電動觀光車蓄電池的電動勢為E,內(nèi)阻為r,當(dāng)空載的電動觀光車以速度v在平直公路上勻速行駛時,流過電動機的電流為I,電動機線圈電阻為R,司機與電動觀光車總重力為mg,電動觀光車受到的阻力是總重力的k倍,忽略電動觀光車內(nèi)部的摩擦,則()A.電源輸出功率為EIB.電源效率為QUOTE×100%C.電動機的輸出功率為kmgvD.電動機發(fā)熱功率為EI-I2r【解析】選B、C。電源輸出功率為EI-I2r,選項A錯誤;電源效率為η=QUOTE×100%,選項B正確;電動觀光車勻速運動,牽引力等于阻力,即F=kmg,則電動機的輸出功率為P出=kmgv,選項C正確;電動機發(fā)熱功率為I2R,選項D錯誤。故選B、C。2.(2020·宜賓高二檢測)如圖所示,電流表A視為理想電表,已知定值電阻R0=4Ω,滑動變阻器R的阻值范圍為0～10Ω,電源的電動勢E=6V。閉合開關(guān)S,當(dāng)R=3Ω時,電流表的讀數(shù)I=0.5A。(1)求電源的內(nèi)阻。(2)當(dāng)滑動變阻器R為多大時,電源的總功率最大?最大值Pm是多少?【解析】(1)電源的電動勢E=6V。閉合開關(guān)S,當(dāng)R=3Ω時,電流表的讀數(shù)I=0.5A,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知I=QUOTE解得:r=5Ω(2)電源的總功率P=IE解得:P=QUOTE當(dāng)R=0Ω,P最大,最大值Pm=4W答案:(1)5Ω(2)04W【加固訓(xùn)練】1.用電器離電源Lm,線路上的電流為I,為使在線路上的電壓降不超過U,已知輸電線的電阻率為ρ。那么,輸電線的橫截面積的最小值為()A.QUOTE B.QUOTEC.QUOTE D.QUOTE【解析】選B。自用電器到電源需兩根導(dǎo)線,故導(dǎo)線總長為2L,由R=QUOTE及R=ρQUOTE解得:S最小=QUOTE,B正確。2.(多選)在如圖所示的電路中,燈泡L的電阻大于電源的內(nèi)阻r,閉合開關(guān)S,將滑動變阻器滑片P向左移動一段距離后,下列結(jié)論正確的是()A.燈泡L變亮B.電源的輸出功率變小C.電容器C上電荷量減少D.電流表示數(shù)變小,電壓表示數(shù)變大【解析】選B、D。將滑動變阻器滑片P向左移動一段距離后,R的阻值變大,電路中電流變小,燈泡變暗,A選項錯誤;路端電壓變大,電阻R兩端電壓變大,電容器C兩端電壓變大,電容器C上電荷量增加,C選項錯誤,D選項正確;當(dāng)外電路電阻等于電源的內(nèi)阻時電源的輸出功率最大,燈泡L的電阻大于電源的內(nèi)阻r,R增大,則外電路電阻比r大得越多,電源輸出功率越小,即電源輸出功率變小,B選項正確。3.如圖所示,電源的電動勢是6V,內(nèi)電阻是0.5Ω,電動機M的線圈電阻為0.5Ω,限流電阻R0為3Ω,若電壓表的示數(shù)為3V,試求:(1)電源的總功率和電源的輸出功率。(2)電動機消耗的功率和電動機輸出的機械功率。【解析】(1)在串聯(lián)電路中,電壓表測R0兩端的電壓,由歐姆定律得I=QUOTE=QUOTEA=1A電源的總功率:P總=EI=6×1W=6W由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得:P輸出=P總-I2r源=6W-12×0.5W=5.5W(2)電源的輸出功率為電動機和限流電阻獲得功率之和,即P輸出=PM+P0,故PM=P輸出-P0=P輸出-I2R0=5.5W-3W=2.5W由PM=P機+PMr得P機=PM-PMr=2.5W-I2r機=2.5W-12×0.5W=2W答案:(1)6W5.5W(2)2.5W2W【拓展例題】考查內(nèi)容:電功率、力的綜合應(yīng)用【典例】一輛電動自行車的銘牌上給出了如表的技術(shù)參數(shù):規(guī)格后輪驅(qū)動直流電機車型26″電動自行車額定輸出功率120W整車質(zhì)量30kg額定電壓40V最大載量120kg額定電流3.5A質(zhì)量為M=70kg的人騎此電動自行車沿平直公路行駛,所受阻力F阻恒為車和人總重的k=0.02倍。g取10m/s2,求:(1)此車電機的內(nèi)阻。(2)在電機正常工作時,人騎車行駛的最大速度。【解析】(1)由表可知,電機的輸出功率為P出=120W,額定電壓為U0=40V,額定電流為I0=3.5A電機正常工作時輸入功率:P入=U0I0=40×3.5W=140W設(shè)電機的內(nèi)阻為r,則由歐姆定律知:P入-P出=QUOTEr解得r=1.63Ω(2)設(shè)車的質(zhì)量為m,由題意知,行駛時所受阻力:F阻=k(M+m)g當(dāng)達到最大速度vm時,有P出=F阻·vm解得vm=6m/s答案:(1)1.63Ω(2)6m/s課堂檢測·素養(yǎng)達標1.(多選)(2020·廣元高二檢測)如圖所示,電源的電動勢E=12V,內(nèi)阻r=2Ω,直流電動機額定功率為6W,額定電壓為3V,內(nèi)阻R0=0.5Ω,調(diào)節(jié)滑動變阻器R,使電動機剛好正常工作,則此時滑動變阻器通以電流部分的阻值R和電動機的輸出功率P分別為()A.R=2.5Ω B.R=3.5ΩC.P=2W D.P=4W【解析】選A、D。根據(jù)P=UI可知電動機中的電流為:I=QUOTE=QUOTEA=2A,滑動變阻器兩端的電壓為UR=E-UM-Ir=12V-3V-4V=5V,故滑動變阻器連入電路的電阻為:R=QUOTE=QUOTEΩ=2.5Ω,A正確,B錯誤;電動機的輸出功率為:P輸出=P-I2R0=(6-22×0.5)W=4W,C錯誤,D正確。故選A、D。2.(多選)關(guān)于三個公式P=UI,P=I2R,P=QUOTE的適用范圍,以下說法正確的是()A.第一個公式普遍適用于求電功率,后兩式普遍適用于求熱功率B.在純電阻電路中,三個公式既可適用于求電功率,又可適用于求熱功率C.在非純電阻電路中,第一個公式可適用于求電功率,第二個公式可適用于求熱功率,第三個公式?jīng)]有意義D.由U=IR可知,三個公式?jīng)]有任何區(qū)別,它們表達相同的意義,所求P既是電功率,也是熱功率【解析】選B、C。首先要明確,歐姆定律U=IR只適用于純電阻電路,因此三個公式在純電阻電路中沒有區(qū)別,但在非純電阻電路中它們互不相同。其次,P=UI表示電功率,而P=I2R表示熱功率。因此,在純電阻電路中,UI=I2R,消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;而在非純電阻電路中,UI>I2R,即消耗的電能只有部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。3.R1和R2分別標有“2Ω,1.0A”和“4Ω,0.5A”,將它們串聯(lián)后接入電路中,如圖所示,則此電路中允許消耗的最大功率為()W B.3.0W C.5.0W D.6.0W【解析】選A。把R1和R2串聯(lián)后,由于R2的最大電流較小,所以串聯(lián)后的最大電流為0.5A,串聯(lián)后的總電阻為6Ω,所以電路的最大功率為P=I2R=0.52×6W=1.5W,所以A正確。4.(多選)(2020·綿陽高二檢測)在如圖所示電路中,P為滑動變阻器的滑片,電表均為理想電表。下列說法正確的是()A.在P向右移動的過程中,電流表的示數(shù)變大B.在P向右移動的過程中,電壓表的示數(shù)變大C.當(dāng)P移到滑動變阻器的右端時,電源內(nèi)部消耗的電功率最大D.當(dāng)P移到滑動變阻器的右端時,電源的效率最高【解析】選A、C?；瑒幼冏杵骰琍向右移動,電路總電阻減小,根據(jù)I=QUOTE可知,電流表的示數(shù)變大,根據(jù)E=U+Ir可知電壓表的示數(shù)減小,故A正確,B錯誤;當(dāng)P移到滑動變阻器的右端時,外電阻R最小,根據(jù)I=QUOTE,可知,電路中的電流最大;根據(jù)P內(nèi)=I2r可知此時電源內(nèi)部消耗的電功率最大,故C正確;根據(jù)效率η=QUOTE×100%可知,此時的電源的效率最低,故D錯誤。5.(多選)如圖所示的電路中,電源電動勢為12V,內(nèi)阻為2Ω,四個電阻的阻值已在圖中標出。閉合開關(guān)S,下列說法正確的有