学年高中物理人教版必修二讲义第二章 恒定电流 5Word版含答案.docx
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学年高中物理人教版必修二讲义第二章恒定电流5Word版含答案
5 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:
W=IUt.
单位:
焦耳,符号为J.
常用的单位:
千瓦时(kW·h),也称“度”,1kW·h=3.6×106J.
2.电功率
(1)定义:
单位时间内电流所做的功.
(2)公式:
P=
=UI.
(3)单位:
瓦特,符号为W.
(4)意义:
表示电流做功的快慢.
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:
Q=I2Rt.
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:
P=I2R.
(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)电功W=UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功.( √ )
(3)电热Q=I2Rt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
,则在时间t内产生的热量为.
答案
解析 根据Q=I2Rt得,若电阻变为原来的2倍,电流变为原来的
,时间不变,则Q′=
2·2R·t=
I2Rt=
Q.
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.W=UIt是电功的计算式,P=UI是电功率的计算式,适用于任何电路.
Q=I2Rt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
W=Q即IUt=I2Rt=
t
W=Q+E其他
UIt=I2Rt+E其他
电功率和热功率的关系
P=P热,即IU=I2R=
P=P热+P其他
即IU=I2R+P其他
欧姆定律是否成立
U=IR I=
成立
U>IR I<
不成立
例1
(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只适用于纯电阻电路
C.在非纯电阻电路中,UI>I2R
D.焦耳热Q=I2Rt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P=IU,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,A错.
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W>Q,即UI>I2R,C对.
Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路,D对.
1.只有在纯电阻电路中才有W=Q,P电=P热,而在非纯电阻电路中W>Q,P电>P热.
2.在纯电阻电路中,由UIt=I2Rt得I=
,即欧姆定律成立;在非纯电阻电路中,由UIt>I2Rt知U>IR,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110V,额定功率PA=100W、PB=40W的两盏灯泡,若接在电压为220V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
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P=UI=
,可知RA<RB.
对于A电路,由于RA<RB,所以UB>UA,且有UB>110V,B灯可能被烧毁,UA<110V,A灯不能正常发光.
对于B电路,由于RB>RA,A灯又并联滑动变阻器,并联电阻小于RB,所以UB>U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UA=UB=110V,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UA=UB=110V,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(IA-IB)×110V,而D电路中滑动变阻器功率为(IA+IB)×110V,所以C电路消耗电功率最小.
1.串联、并联电路的功率分配(纯电阻电路)
(1)串联电路:
=
,
=
(由P=I2R可得),电阻越大,功率越大.
(2)并联电路:
=
,
=
(由P=
可得),电阻越大,功率越小.
2.计算纯电阻电路的功率时,可以用P=UI,也可以用P=I2R或P=
.做题时要根据题目灵活选用.
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r=1Ω)与规格为“4V 4W”的小灯泡并联,再与阻值为R=5Ω的电阻串联,然后接至U=12V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)通过电动机的电流;
(2)电动机的输出功率P出;
(3)电动机的效率.
答案
(1)0.6A
(2)2.04W (3)85%
解析
(1)流经灯泡的电流
IL=
=
A=1A
流经电阻R的电流
IR=
=
A=1.6A
流经电动机的电流I=IR-IL=0.6A.
(2)电动机消耗的总功率P′=ULI=4×0.6W=2.4W
电动机的热功率
P热=I2r=(0.6)2×1W=0.36W
电动机的输出功率P出=P′-P热=2.4W-0.36W=2.04W
(3)电动机的效率:
η=
×100%=
×100%=85%.
针对训练1 规格为“220V 36W”的排气扇,线圈电阻为40Ω,求:
(1)接220V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)35W 1W
(2)1210W 1210W
解析
(1)排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为I=
=
A≈0.16A.
发热的功率为P热=I2R=(0.16)2×40W≈1W.
转化为机械能的功率为
P机=P-P热=(36-1)W=35W.
(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′=
=
A=5.5A.
电动机消耗的功率即电功率等于发热功率:
P电′=P热′=UI′=220×5.5W=1210W.
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=IU-I2r.
(4)电动机的效率:
η=
×100%=
×100%.
2.串、并联电路的总功率
(1)串联电路:
P总=U总I=(U1+U2+U3+…)I=P1+P2+P3+…
(2)并联电路:
P总=UI总=U(I1+I2+I3+…)=P1+P2+P3+…
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,有一内电阻为4.4Ω的电解槽和一盏标有“110V 60W”的灯泡串联后接在电压为220V的直流电路两端,灯泡正常发光,则( )
图2
A.电解槽消耗的电功率为120W
B.电解槽的发热功率为60W
C.电解槽消耗的电功率为60W
D.电路消耗的总功率为60W
答案 C
解析 灯泡正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110V电压,且干路电流I=I灯=
A,则电解槽消耗的电功率P=P灯=60W,A错,C对;电解槽的发热功率P热=I2R内≈1.3W,B错;整个电路消耗的总功率P总=220×
W=120W,D错.
1.(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3
A.P=I2RB.P=
C.P=IUD.P=I2R+
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P=UI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 ABD
3.(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4
A.R2=9R1B.R2=6R1
C.R2=3R1D.R1=R2
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PR1=PR2,即(3I)2R1=I2R2,故R2=9R1,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380V电压下正常工作时,能将30kg的货物在30s内匀速提升30m,通过它的电流是1A.除电动机线圈生热,其他能量损失不计,求在此过程中:
(g取10N/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)300W
(2)300W (3)2400J
解析
(1)货物匀速上升,故拉力等于重力,故有F=mg=30×10N=300N,
上升的速度为v=
=
m/s=1m/s,
故拉力的功率为P=Fv=300×1W=300W.
(2)电动机的输出功率为P输出=P=300W.
(3)由能量守恒定律可知
Q=IUt-P输出t=(1×380×30-300×30)J=2400J.
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W=UIt、Q=I2Rt,且W=Q
B.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,但W不一定等于Q
C.W=UIt、Q=I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立
D.W=U
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