人教版高中物理选修31第9讲欧姆定律电功电功率焦耳定律教师版劲松齐梅云.docx
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人教版高中物理选修31第9讲欧姆定律电功电功率焦耳定律教师版劲松齐梅云
欧姆定律;电功电功率焦耳定律
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
1.理解电功、电功率的概念,公式的物理意义。
了解实际功率和额定功率。
2.了解电功和电热的关系。
了解公式Q=I2Rt(P=I2R)、Q=U2t/R(P=U2/R)的适应条件。
3.知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系,电功大于电热。
4.能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题。
一、电功
电功,电功率、电热是本章书的重要概念,也是学生学习的难点,教学过程中必须给以足够的重视。
1.复习电场力做功:
W=Uq,U为电场中两点间电势差,在电路中即为导体两端电压,q为电量,电路中为流过导体截面电量。
2.电功:
电流做的功简称电功。
导体两端加上电压,导体内建立电场,在电场力作用下自由电子定向移动,形成电流,电场力做功,又说成电流做功。
W=UIt,电流在一段电路上所做的功,跟这段电路两端电压、电路中的电流强度和通电时间成正比。
3.电流做功,把电能转化为其它形式的能
(1)电流通过纯电阻(电灯,电炉子等)电路做功,把电能转化为内能。
(2)电流通过电解液做功,把电能转化为化学能。
(3)电流通过电动机做功,把电能一部分转化为内能,一部分转化为机械能。
二、电功率
1.定义:
电流所做的功跟完成这些功所用时间的比值叫电功率,用p表示电功率则
,p的单位:
瓦特W,U:
伏特VI:
安培A。
2.物理意义:
电功率表示电流做功的快慢,亦为单位时间电流做的功。
灯越亮电功率越大。
3.额定电压:
用电器安全正常工作的最大电压。
日常照明灯泡额定电均为220V,机床上用的灯泡额定电压为36V。
额定功率:
用电器安全正常工作的最大功率。
照明灯泡上标有220V60W,60W即为额定电功率。
额定电功率是根据用电器自身结构而决定的。
4.注意区别额定功率和实际功率。
实验:
把“220V30W”和“220V100W”的灯泡并联在220V电路上和串联后接入220V电路上,观察灯泡发光情况,并接在220V电路上时,两个灯的电压都是额定电压,电功率均为额定功率,100W的灯比30W的灯亮很多,串联后接在220V电路上,观察到的现象是两个灯都不如并联时亮,且30W灯比100W灯亮,由此可知:
①两个灯的电功率都不是额定功率,都小于额定功率,应称为实际消耗功率,②额定功率大的灯实际消耗功率不一定大,应由灯两端实际电压和流过灯的实际电流决定。
三、焦耳定律
1.定义:
电流通过导体产生的热量,跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比
即:
Q=I2Rt
单位:
Q:
焦耳JI:
安培AR:
欧姆t秒s
2.纯电阻电路电路中只含有纯电阻元件,电动W=UIt=Q
∵U=IR∴Q=I2Rt=
,注意:
此关系只适用纯电阻电路。
电流通过纯电阻电路做功,把电能转化为内能,而产生热量,电功又称为电热。
3.含有电动机的电路,不是纯电阻电路。
电功W=UIt
电流通过电动机做功,把电能一部分转化为内能,绝大部分转化为机械能。
电动机线圈有电阻R,电流通过而产生热,Q=I2Rt不等于UIt,而只是UIt的一部分。
原因是对于非纯电阻U≠IR且U>IR。
转化为机械能部分:
UIt-I2Rt=转化的机械能即电动机输出的机械能。
实际需要更多的是:
发热功率:
I2R转化为机械能功率UI-I2R,目前是我们计算电动输出机械功率的唯一方法。
4.含有电解液的电路:
电流做功把电能转化为化学能
电流做功可把电能转化为内能、机械能、化学能等,只有把电能转化为内能的电功叫电热,转化其它形式能均不能称为电热。
类型一:
电阻定律
例1:
神经系统中,把神经纤维分为有髓鞘与无髓鞘两大类。
现代生物学认为,髓鞘是由多层(几十层到几百层不等)类脂物质——髓质累积而成的,髓质具有很大的电阻。
已知蛙有髓鞘神经,髓鞘的厚度只有2μm左右。
而它在每平方厘米的面积上产生的电阻却高达1.6×105Ω。
(1)若不计髓质片层间的接触电阻,计算髓质的电阻率。
(2)若有一圆柱体是由髓质制成的,该圆柱体的体积为32πcm3,当在其两底面上加上1000V的电压时,通过该圆柱体的电流为10πμA,求圆柱体的圆面半径和高。
[思维流程]
(1)
―→
(2)
―→
―→
―→
解析:
(1)由电阻定律:
R=ρ
则ρ=
所以ρ=
Ω·m=8×106Ω·m。
(2)由部分电路欧姆定律和圆柱体体积公式:
R=
,由R=ρ
得
=
,联立πr2h=V
代入数据解得h=0.02m,r=0.04m
所以髓质的电阻率为8×106Ω·m;圆面半径为4cm,高为2cm。
答案:
(1)8×106Ω·m
(2)4cm 2cm
例2.用电器距离电源为l,线路上的电流为I,已知输电线的电阻率为ρ。
为使在线路上的电压降不超过U。
那么,输电线的横截面积的最小值为( )
A.ρl/R B.2ρlI/U
C.U/(ρlI)D.2Ul/(Iρ)
解析:
选B 输电线的总长为2l,由公式R=
,R=ρ
得S=
,故B正确。
答案:
B
例3.(多选)下列说法正确的是( )
A.据R=
可知,加在电阻两端的电压变为原来的2倍时,导体的电阻也变为原来的2倍
B.不考虑温度对阻值的影响,通过导体的电流及加在两端的电压改变时导体的电阻不变
C.据ρ=
可知,导体的电阻率与导体的电阻和横截面积的乘积RS成正比,与导体的长度l成反比
D.导体的电阻率与导体的长度l、横截面积S、导体的电阻R皆无关
解析:
R=
是电阻的定义式,导体电阻由导体自身性质决定,与U、I无关。
当导体两端电压U加倍时,导体内的电流I也加倍,但比值(R)仍不变,所以A错,B对;ρ=
是导体电阻率的定义式,导体的电阻率由材料和温度决定,与R、S、l无关,所以C错,D对。
答案:
BD
类型二:
部分欧姆定律
例4.(多选)一只标有“220V 60W”的白炽灯泡,加上的电压U由零逐渐增大到220V。
在此过程中,电压U和电流I的关系可用图线表示。
在如图7-1-5所示的四个图线中,肯定不符合实际的是( )
图7-1-5
解析:
由电阻的定义式R=U/I知:
在U-I图像上,某一点的纵坐标U和该点的横坐标I的比值U/I就对应着电阻值R。
由于白炽灯泡钨丝的电阻会随温度的升高而增大,当白炽灯上加的电压从零逐渐增大到220V时,灯丝的温度不断升高,电阻将不断增大,A图像表示U/I为一定值,说明电阻不变,不符合要求;C图像上各点的U/I值随U的增大而减小,也不符合实际;D图像中的U/I的值开始随U的增大而增大,后来随U的增大而减小,也不符合实际;只有B图像中U/I的值随U的增大而变大,符合实际,应选A、C、D。
答案:
ACD
类型三:
电功率和焦耳定律
例5. (多选)(2013·江苏名校检测)在如图7-1-7甲所示的电路中,L1、L2、L3为三个相同规格的小灯泡,这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示。
当开关S闭合后,电路中的总电流为0.25A,则此时( )
图7-1-7
A.L1上的电压为L2上电压的2倍
B.L1消耗的电功率为0.75W
C.L2的电阻为12Ω
D.L1、L2消耗的电功率的比值大于4∶1
解析:
电路中的总电流为0.25A,L1中电流为0.25A,由小灯泡的伏安特性曲线可知电压为3.0V,L1消耗的电功率为P=UI=0.75W,选项B正确。
根据并联电路规律,L2中电流为0.125A,由小灯泡的伏安特性曲线可知电压大约为0.3V,L1的电压大约为L2电压的10倍,选项A错误。
由欧姆定律,L2的电阻为R=U/I=
Ω=2.4Ω,选项C错误。
L2消耗的电功率为
答案:
BD
例6.(多选)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一定越多
B.W=UIt适用于任何电路,而W=I2Rt=
t只适用于纯电阻的电路
C.在非纯电阻的电路中,UI>I2R
D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
解析:
选BCD 电功率公式P=
,功率越大,表示电流做功越快。
对于一段电路,有P=IU,I=
,焦耳热Q=
2Rt,可见Q与P、U、t都有关。
所以,P越大,Q不一定越大,A不对。
W=UIt是电功的定义式,适用于任何电路,而I=
只适用于纯电阻的电路,B对。
在非纯电阻的电路中,电流所做的功=焦耳热+其他形式的能,所以W>Q,即UI>I2R,C正确。
Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路中产生的焦耳热。
答案:
D
例7.(2014·北京海淀期末)一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压220V的交流电源上(其内电阻可忽略不计),均正常工作。
用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0A,通过洗衣机电动机的电流是0.50A,则下列说法中正确的是( )
A.电饭煲的电阻为44Ω,洗衣机电动机线圈的电阻为440Ω
B.电饭煲消耗的电功率为1555W,洗衣机电动机消耗的电功率为155.5W
C.1min内电饭煲消耗的电能为6.6×104J,洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103J
D.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
解析:
一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220V的电源上,电饭煲可视为纯电阻,电饭煲的电阻为R=U/I=44Ω,洗衣机主要元件是电动机,不能利用欧姆定律计算线圈的电阻,选项A错误;电饭煲消耗的电功率为P=UI=220×5W=1100W,洗衣机电动机消耗的电功率为P=UI=110W,选项B错误;1min内电饭煲消耗的电能为Pt=1100W×60s=6.6×104J,洗衣机电动机消耗的电能为Pt=110W×60s=6.6×103J,选项C正确;电饭煲发热功率是I2R=52×44W=1100W,根据题述不能计算出洗衣机电动机内阻和发热功率,选项D错误。
答案:
C
基础演练
1.干电池的电动势为1.5V,这表示( )
A.电路中每通过1C的电荷量,电源就把1.5J的化学能转化为电能
B.干电池在1s内将1.5J的化学能转化为电能
C.干电池与外电路断开时,两极间的电势差为1.5V
D.干电池把化学能转化为电能的本领比电动势为2V的蓄电池强
答案:
AC
2.由于摩托车等燃油放出的尾气对环境有一定的影响,所以电动自行车已是许多家庭的首选.已知电动自行车的电源是18组蓄电池,当正常行驶时,电路中电流为5A,在10min内电源做功1.08×105J,则每组蓄电池的电动势为多少?
(串联电池组的电动势等于各个电池的电动势之和)
答案:
2V
3.(2014·江阴模拟)一台国产封闭型贮水式电热水器的铭牌上所列的主要技术参数如下表所示。
根据表中所提供的数据,计算出此电热水器在额定电压下处于加热状态时通过电热水器的电流约为( )
额定容量
54L
最高水温
75℃
额定功率
1500W
额定压力
0.7MPa
额定电压
220V
电器类别
Ⅰ类
A.6.8AB.0.15A
C.4.4AD.0.23A
答案:
A
4.关于电流和电阻,下列说法中正确的是( )
A.电流方向与导体中电荷的定向移动方向相同
B.金属导体温度升高时,由于自由电子的热运动加剧,所以电流增大
C.由R=
可知,导体的电阻与它两端所加的电压成正比,与通过它的电流成反比
D.对给定的导线,比值
是个定值,它反映导体本身的一种性质
答案:
D
5.对于常温下一根阻值为R的均匀金属丝,下列说法中正确的是
( )
A.常温下,若将金属丝均匀拉长为原来的10倍,则电阻变为10R
B.常温下,若将金属丝从中点对折起来,电阻变为
R
C.给金属丝加上的电压逐渐从零增大到U0,则任一状态下的
比值不变
D.把金属丝温度降低到绝对零度附近,电阻率会突然变为零的现象称为超导现象
答案:
BD
6.(2009·南京模拟)温度能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能,在右图中所示的图线分别为某金属导体和某半导体的电阻随温度变化的关系曲线,则
A.图线1反映半导体材料的电阻随温度的变化关系
B.图线2反映金属导体的电阻随温度的变化关系
C.图线1反映金属导体的电阻随温度的变化关系
D.图线2反映半导体材料的电阻随温度的变化关系
答案:
CD
7.将截面均匀、长为l、电阻为R的金属导线截去l/n,再拉长至l,则导线电阻变为
( )
A.
R B.
RC.
RD.nR
答案:
C
8.A,B两根完全相同的金属裸导体,如果把导体A均匀拉长到原来的2倍,导体B对折后结合起来,然后分别加上相同的电压,则它们的电阻之比RA∶RB为________,相同时间内通过导体横截面的电量之比QA∶QB为________.
答案:
16∶1;1∶16
9.如下图所示,一圈粗细均匀的导线长1200m,在两端点A、B间加上恒定电压时,测得通过导线的电流为0.5A.如剪去BC段,在A、C两端加同样电压时,通过导线的电流变为0.6A,则剪去的BC段多长?
答案:
200m
10.为了测定液体的电阻率,工业上采用一种称为“电导仪”的仪器,其中一个关键部件如图,A、B是两片面积为1cm2的正方形铂片,间距d=1cm,把它们浸没在待测液体中,若通过两根引线加上一定的电压U=6V时,测出电流I=1μA,这种液体的电阻率为多少?
答案:
6×104Ω·m
巩固提高
1.白炽灯的灯丝由钨丝制成,当灯丝烧断后脱落一段,又将剩余灯丝刚好能搭上使用,若灯泡功率原来为60W,观察搭接起来的灯丝长度大约为原来的
,则现在灯泡的功率约为
A.30WB.45WC.60WD.80W
答案:
D
2.如图所示为将不同电压加在一段金属导体两端在温度不变的情况下所测得的I-U图线,试根据图线回答:
若将这段金属导体在保持长度不变的前提下增大其横截面积,则这段导体的电阻
A.等于4.0ΩB.大于2.0ΩC.小于2.0ΩD.等于2.0Ω
答案:
C
3.如下图所示,a、b、c、d是滑线变阻器的4个接线柱,现把此变阻器串联接入电路中,并要求滑片P向接线柱c移动时,电路中电流减小,则接入电路的接线柱可能是
A.a和bB.a和cC.b和cD.b和d
答案:
CD
4.两根材料相同的均匀导线x和y,x长为l,y长为2l,串联在电路中时,沿长度方向电势变化如图所示,则x、y导线的横截面积之比为
A.23B.13C.12D.31
答案:
B
5.如图a所示,P是一个表面镶有很薄电热膜的长陶瓷管,其长度为L,直径为D,镀膜的厚度为d.管两端有导电金属箍M、N.现把它接入电路中,测得它两端电压为U,通过它的电流为I.则金属膜的电阻为________,镀膜材料电阻率的计算式为ρ=________.
答案:
U/I UπDd/IL
6.电厂到用户两地之间原用电阻率为ρ1、横截面半径为r1的导线输电,由于农村电改造需要换为电阻率为ρ2的导线输电,为达到原输电线路电阻不变的设计要求,新换导线的半径为多大?
答案:
r1
7.一只鸟站在一条通电的铝质裸导线上(如图所示),导线的横截面积为185mm2,导线上通过的电流为400A,鸟的两爪间的距离为5cm,求两爪间的电压.
答案:
3.12×10-3V
8.(2014·扬州高二检测)如图所示,两段长度和材料都完全相同的导线ab、bc的横截面积之比为1∶4,串联后加上电压U.求:
(1)ab、bc两段导线内自由电子定向运动速率之比.
(2)两段导线两端电压之比.
答案:
(1)4∶1
(2)4∶1
9.一条电阻丝加上电压U后,经ts后放出热量为Q,若得电阻丝截成等长的三段并且关联在一起,再加上电压U,需经多长时间放出热量仍为Q?
答案:
10.用6600V和用220V两种电压输电,若输送功率相同,输电线的长短,粗细和电阻率都相同,用低压输电与用高压输电,在输电线上损失的功率之比是()
A1:
900B900:
1C1:
30D30:
1
答案:
B
1.(2014·淮阴质检)关于电阻率,下列说法中正确的是( )
A.电阻率是表征材料导电性能好坏的物理量,电阻率越大,其导电性能越好
B.各种材料的电阻率大都与温度有关,金属的电阻率随温度升高而减小
C.所谓超导体,是当其温度降低到接近绝对零度的某个临界温度时,它的电阻率突然变为无穷大
D.某些合金的电阻率几乎不受温度变化的影响,通常都用它们制作标准电阻
答案:
选D
2.一台直流电动机的额定电压为U,额定功率是P,电动机内电枢导线的电阻为R,那么它正常工作时的电流强度是()
A、等于U/RB、等于P/UC、大于U/RD、大于P/U
答案:
D
3.一台电阻为2的电动机,接在110V电路中工作时,通过电动机的电流强度为10A,求这台电动机消耗的电功率,发热功率,转化成机械功率,电动机的效率。
答案:
电动机消耗电功率即电路输入给电动机的功率P′=IU=10×110=1100W。
发热功率:
P热=I2R=102×2=200W
转化成机械功率:
P=P′-P热=1100-200=900W
机械效率:
η=
4.一台电动机输出功率是10KW,这表明这台电动机正常工作时()
A.每秒钟消耗电能10KW
B.每秒钟对外做功10KW
C.每秒钟对外做功10J
D.每秒钟对外做功1000J
答案:
D
5.额定电压为U,额定功率为P的电灯,接在电压为U′(U′
A.U′P/UB.UP/U′C.(U′/U)2PD.(U/U′)2P
答案:
C
6.风力发电机的风轮旋转时扫过的面积为S,当地风速为υ,如果该发电机把通过风轮的风的部分动能转化为电能,设风能的利用率为η,空气的密度为p,则风力发电机的功率为()
A.pSυ3η/2B.pSυ2η/2C.pSυ3/2ηD.pSυ2η/4
答案:
A
7.一只“220V100W”电灯,220V、100W分别表示电压和电功率的值,它的电阻为,正常工作时的电流强度为A,若电阻不变接入110V的电路中,则实际电流为A,实际功率为W,一般;只要该灯泡未损坏,它的额定电压,电流,功率是(填会或不会)改变。
答案:
额定4840.450.22725不会
8.如图2所示为用直流电动机提升重物的装置,重物m=50kg,电源电压为U=110V不变,不计各种摩擦,当电动机以υ=0.9m/s的恒定速度向上提升重物时,电路中的电流强度I=5A,试求电动机电枢线圈电阻R。
答案:
4.4
9. (多选)(2014·衡水中学模拟)在如图所示的图像中,直线Ⅰ为某一电源的路端电压与电流的关系图像,直线Ⅱ为某一电阻R的伏安特性曲线。
用该电源直接与电阻R相连组成闭合电路。
由图像可知( )
A.电源的电动势为3V,内阻为0.5Ω
B.电阻R的阻值为1Ω
C.电源的输出功率为2W
D.电源的效率为66.7%
答案:
ABD
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1.(2014·浙江高考)功率为10W的发光二极管(LED灯)的亮度与功率为60W的白炽灯相当。
根据国家节能战略,2016年前普通白炽灯应被淘汰。
假设每户家庭有2只60W的白炽灯,均用10W的LED灯替代,估算出全国一年节省的电能最接近( )
A.8×108kW·hB.8×1010kW·h
C.8×1011kW·hD.8×1013kW·h
答案:
B
2.电流做功的过程,实际上就是_______能转化为_______能的过程。
给蓄电池充电过程中,_______能转化为_______能,在物理学中反映电流做功快慢的物理量是_______。
答案:
电能;其他形式的;电;化学;电功率
3.将两只标有“220V,100W”的灯泡串联后接在照明电路上,两灯消耗的总功率是_______W;若并联,则两灯消耗的总功率是_______W。
答案:
50、200
4、下列说法中不正确的是()
A.电流做功的过程是电能转化为其他形式能的过程B.做功多的用电器消耗的电能多
C.电功率大的用电器消耗的电能多D.电功率表示电流做功的快慢
答案:
C
5、下列判断中正确的是()
A.根据P=I2R可知,电阻越大,电功率也越大
B.根据P=
可知,电阻越大,电功率反而越小
C.根据P=UI可知,同一导体两端的电压越小,电功率也越小
D.根据P=
可知,电流做功越多,电功率也越大
答案:
C
6、两只灯泡串联在电路中,其中一只灯亮,另一只不亮,原因可能是()
A.两只灯泡相比较,流过不亮的灯泡的电流较小
B.不亮的灯泡的灯丝断了
C.两只灯泡相比较,亮的灯泡电阻太小
D.两只灯泡相比较,不亮的灯泡电阻太小
答案:
D
7、额定电压相同的甲、乙两盏电灯,其额定功率之比为5:
3,如果将它们串联接入电压与额定电压相同的电路中,下列叙述正确的是()
A.两灯实际消耗功率之比为5:
3B.两灯都能正常发光
C.两灯实际通过电流之比为3:
5D.两灯实际电压之比为3:
5
答案:
D
8.(2014桂林)将额定电压相同的两个灯泡L1、L2串联后接入电路中,如图所示。
接通电路后发现L1要亮一些,则下列判断正确的是( )
A.L1的电阻比L2的小
B.L1的额定功率比L2的大
C.两灯正常工作时L1发光要暗一些
D.若将两灯并联接入电路,L1发光要亮一些
答案:
C
9、如图所示,灯泡L1标有“6V,3W”字样,灯泡L2额定功率为12瓦,当S断开时,L1正常发光,当S闭合时,L2的功率正好等于其额定功率,求灯L2的额定电压。
答案:
12V
10.(2014江苏镇江)如图将灯L1“6V3W”和L2“6V6W”串联(灯泡电阻不变),现要使其中一盏灯长时间正常发光,则电源电压是V,电路的总功率是W。
答案:
9V4.5W
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