高中物理 第3章 恒定電流 第3節(jié) 焦耳定律學(xué)案 魯科版選修3-1

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1、 第3節(jié)焦耳定律 1.自由電荷在電場力作用下定向移動而形成電流，電場力對電荷做的功，叫電功，W＝qU＝UIt。 2．單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功就是電功率，P＝＝UI。 3．電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比，公式為Q＝I2Rt。 4．純電阻電路中電功和電熱相等，非純電阻電路中電功大于電熱。 電　能 1.電功 (1)定義：當(dāng)接通電路時(shí)，電路中就建立了電場，自由電荷在電場力的作用下定向運(yùn)動而形成電流，這時(shí)電場力對自由電荷做了功，就是我們常說的電功。 (2)公式：W＝qU＝UIt。 (3)單位：在國際單位制中是

2、焦耳，符號：J，常用單位還有千瓦時(shí)(kW·h)，俗稱“度”，1 kW·h＝3.6×106_J。 (4)物理意義：指電能和其他形式能的轉(zhuǎn)化過程。 2．電功率 (1)定義：單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功。 (2)公式：P＝＝UI。 (3)單位：瓦特，符號：W。 (4)物理意義：描述電流做功的快慢。 1．用電器兩端電壓為220 V，這意味著(　　) A．1 A電流通過用電器時(shí)，消耗的電能為220 J B．1 C正電荷通過用電器時(shí)，產(chǎn)生220 J的熱量 C．1 A電流通過用電器時(shí)，電流的發(fā)熱功率為220 W D．1 C正電荷從高電勢端移到低電勢端時(shí)，電場力做功220 J 解析：由W

3、＝UIt知，因時(shí)間未知，通過1 A電流消耗的電能無法確定，故A錯。若是純電阻，發(fā)熱功率為220 W，但若不是純電阻，發(fā)熱功率則小于220 W，C選項(xiàng)錯。移動1 C正電荷電場力做功W＝Uq＝220 J，D選項(xiàng)正確。只有在純電阻電路中，電能才全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，B選項(xiàng)錯。 答案：D 焦耳定律　身邊的電熱 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，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比。 (2)公式：Q＝I2Rt。 (3)單位：焦耳，簡稱焦，符號 J。 (4)微觀解釋：導(dǎo)體中的電子在電場力作用下做定向運(yùn)動時(shí)，會與金屬離子不斷碰撞，碰撞時(shí)把一部分動能傳遞給離

4、子，使離子熱運(yùn)動加劇，導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。 2．身邊的電熱 (1)電熱水器、電飯鍋等家用電器是利用了電流的熱效應(yīng)，其電阻絲都是由電阻率較大的材料制成的。 (2)電焊是在焊接的金屬接觸面上通過電流，利用接觸電阻產(chǎn)生的熱量得到適合焊接的高溫，從而對接觸面進(jìn)行焊接的一種方法。 (3)插頭和插座之間、電線連接處如果接觸不良，都會產(chǎn)生大電阻，容易發(fā)熱，甚至迸出火花。 (4)電視機(jī)和顯示器的后蓋有很多孔，計(jì)算機(jī)的CPU要安裝散熱片及風(fēng)扇，都是為了散熱。 1．對焦耳定律的理解 (1)電流流過導(dǎo)體時(shí)消耗的電能中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的部分叫電熱。 (2)在一段電路中只有純電阻元件時(shí)，Q＝W＝UIt，由U＝I

5、R可得Q＝I2Rt＝。 (3)焦耳定律是電流熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，凡是計(jì)算電熱都可以用焦耳定律。 2．純電阻電路與非純電阻電路的具體區(qū)別 純電阻電路與非純電阻電路是物理學(xué)中的兩種常見電路，列表區(qū)分如下： 純電阻電路 非純電阻電路 元件特點(diǎn) 電路中只有電阻元件用來發(fā)熱或者只能發(fā)熱 除電阻外還有能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的用電器 電流、電 壓、電阻 的定量 關(guān)系 滿足歐姆定律I＝ 不滿足歐姆定律，但是遵循能量守恒定律即UIt＝I2Rt＋W，所以U＞IR或I＜U/R 能量轉(zhuǎn) 化形式 電流做功將全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即W＝Q＝I2Rt＝t 電流做功除了部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外

6、，還有部分轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，即W＝UIt，Q＝I2Rt 能量轉(zhuǎn) 化流程 基本計(jì)算公式 W＝Q＝UIt＝t＝I2Rt＝qU W＝Q＋W其他 計(jì)算電熱 的公式 上述公式均可用 只能用Q＝I2Rt來計(jì)算電熱 元件舉例 電阻、電燈、電熱毯、電爐絲等 電動機(jī)、電鈴、電解槽、蓄電池等 2．有一只電風(fēng)扇，標(biāo)有“220 V　50 W”字樣，電動機(jī)線圈的電阻為0.4 Ω，把它接入220 V的電路中，以下幾種計(jì)算時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生熱量的方法中，正確的是(　　) A．Q＝U2·t/R　　　　　　　 B．Q＝Pt C．Q＝(P/U)2·Rt D．以上三種方法均正確 解

7、析：由于電風(fēng)扇是非純電阻電路，故A、B錯；由P＝UI得I＝，再由Q＝I2Rt知C正確。故選C。 答案：C 純電阻電路電功、電熱的計(jì)算 [例1]　已知某電爐的規(guī)格為“220 V 　1 000 W”。 (1)求它在正常工作時(shí)的電阻； (2)若電壓只有200 V，求其實(shí)際功率。 [思路點(diǎn)撥]　(1)根據(jù)用電器的規(guī)格標(biāo)示可以知道其額定電壓和額定功率，從而可求出電阻； (2)若利用P＝可求出實(shí)際功率。 [解析]　(1)由于電爐是純電阻用電器，故 P＝UI＝，則R＝＝ Ω＝48.4 Ω (2)若電壓U′＝200 V時(shí)，則實(shí)際功率 P′＝＝ W≈826.4 W

8、[答案]　(1)48.4 Ω　(2)826.4 W 借題發(fā)揮 (1)純電阻用電器，電壓、電流、電阻三者關(guān)系滿足歐姆定律，電功率與電熱功率相等。 (2)燈泡、電爐等常用的純電阻用電器，嚴(yán)格地說，常溫下的電阻與正常工作時(shí)的電阻不同，不同工作溫度下的電阻也不同；但若沒有特別說明，則不考慮溫度對電阻率的影響，即電阻為定值。 1．一根電阻絲，通過2 C電荷量所消耗的電能是8 J。若在相同的時(shí)間內(nèi)通過4 C的電荷量，該電阻絲上所加電壓和消耗的電能分別是(　　) A．4 V,16 J　　　　　　　 B．8 V,16 J C．4 V,32 J D．8 V,32 J 解析：設(shè)電阻絲電阻為

9、R，開始所加電壓為U1，則 W1＝q1U1，即8＝2U1，故U1＝4 V。 設(shè)后來所加電壓為U2。產(chǎn)生的熱量為W2，則 I2＝＝　　?、? 又I1＝＝　② 由①②得U2＝U1＝×4 V＝8 V W2＝q2U2＝4×8 J＝32 J 答案：D 非純電阻電路電功、電熱的計(jì)算 [例2]　(2012·福州高二檢測)某電動機(jī)線圈電阻為1 Ω，接在220 V的直流電壓下，工作電流為1 A，則電動機(jī)消耗的電功率為________，發(fā)熱損耗的電功率為________，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為________。 [思路點(diǎn)撥]　電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，其中只有部分能量消耗在線圈發(fā)熱上，

10、是一個(gè)非純電阻電路，此時(shí)計(jì)算電功率的三個(gè)公式P＝UI、P＝I2R、P＝不能等效互換。 [解析]　(1)公式P＝UI可計(jì)算電動機(jī)消耗的總功率，因此電動機(jī)消耗的總電功率：P總＝UI＝220 W。 (2)P＝I2R只能計(jì)算發(fā)熱損耗的電功率，發(fā)熱損耗的電功率：P熱＝I2R＝1 W。 (3)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率可用電動機(jī)消耗的總功率減去發(fā)熱損耗的電功率，所以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為P機(jī)＝P總－P熱＝219 W。 [答案]　220 W　1 W　219 W 借題發(fā)揮 非純電阻電路中歐姆定律I＝不成立，功率公式P＝不成立，原因是電壓U加在電動機(jī)兩端，不是電阻R兩端的電壓。 2．一臺電動機(jī)額定電壓

11、為220 V，額定電流為4 A，讓這臺電動機(jī)正常工作，則下列說法正確的是(　　) A．電動機(jī)對外做功的功率為880 W B．電動機(jī)內(nèi)發(fā)熱功率為880 W C．電動機(jī)的內(nèi)電阻為55 Ω D．電動機(jī)的額定功率為880 W 解析：電動機(jī)額定功率P＝UI＝880 W，電動機(jī)不是純電阻元件，額定功率等于發(fā)熱功率與對外做功功率之和，故D對，A、B錯。而電動機(jī)的內(nèi)電阻不能用額定電壓與額定電流的比值計(jì)算，C錯。 答案：D 含電機(jī)電路的綜合問題 [例3]　如圖3－3－1所示，為電動機(jī)提升重物的裝置，電動機(jī)線圈電阻r＝1 Ω，電動機(jī)兩端電壓為5 V，電路中的電流為1 A，求： (1

12、)電動機(jī)線圈電阻上消耗的熱功率是多少？ 圖3－3－1 (2)電動機(jī)輸入功率和輸出功率各是多少？ (3)這臺電動機(jī)的機(jī)械效率是多少？ [審題指導(dǎo)]　解答此題需注意以下四點(diǎn)： (1)利用公式P內(nèi)＝I2r求解電動機(jī)消耗的熱功率。 (2)利用公式P入＝UI求解電動機(jī)的輸入功率。 (3)利用公式P出＝P入－P內(nèi)求解電動機(jī)的輸出功率。 (4)機(jī)械效率η＝×100%。 [解析]　(1)電動機(jī)線圈上消耗的熱功率 P熱＝I2r＝12×1 W＝1 W (2)電動機(jī)輸入功率P入＝UI＝5×1 W＝5 W 電動機(jī)輸出功率P出＝P入－P熱＝5 W

13、－1 W＝4 W (3)電動機(jī)效率η＝×100%＝80%。 [答案]　(1)1 W　　(2)5 W　4 W　　(3)80% 借題發(fā)揮 電動機(jī)的功率和效率 (1)輸入功率：電動機(jī)的總功率。由電動機(jī)電路的電流和電壓決定，計(jì)算：P總＝UI。 (2)輸出功率：電動機(jī)做有用功的功率。 (3)熱功率：電動機(jī)線圈上有電阻，電流通過線圈時(shí)要發(fā)熱，熱功率P熱＝I2r。 (4)功率關(guān)系：P總＝P出＋P熱。 (5)電動機(jī)的效率：η＝。 　 3．上題中，若物體重為20 N，不計(jì)摩擦力，10 s時(shí)間可以勻速把物體提升多高？ 解析：法一：根據(jù)能量守恒定律，電動機(jī)輸出的能量全部轉(zhuǎn)化為物體的重力勢能

14、 P出t＝mgh 得h＝＝ m＝2 m。 法二：電動機(jī)通過繩子對外做功，則輸出功率等于繩子拉力功率，即 P出＝F v 又因物體勻速，故F－mg＝0 得v＝＝ m/s 故h＝vt＝2 m 答案：2 m [隨堂基礎(chǔ)鞏固] 1．關(guān)于四個(gè)公式：①P＝UI；②P＝I2R；③P＝；④P＝。下列敘述正確的是(　　) A．公式①④適用于任何電路的電功率 B．公式②③適用于任何電路的電熱功率 C．公式①②③適用于任何電路電功率 D．上述沒有一個(gè)正確 解析：P＝UI、P＝適用于任何電路電功率的計(jì)算，而P＝I2R適用于任何電路熱功率的計(jì)算，故A正確；P＝只適用于純電阻電路中電功率及

15、熱功率的計(jì)算，故B、C、D錯。 答案：A 2．關(guān)于電功率的下列說法中，正確的是(　　) A．用電器的額定功率與用電器的實(shí)際電壓和實(shí)際電流有關(guān) B．用電器的實(shí)際功率取決于用電器的額定功率 C．白熾燈正常工作時(shí)，實(shí)際功率等于額定功率 D．電功率越小，則電流做功越少 解析：用電器的額定功率是它正常工作時(shí)的功率，其值是由用電器本身的結(jié)構(gòu)決定的，與實(shí)際電流和電壓無關(guān)，故A錯C對；而用電器實(shí)際功率是多大，是由加在它兩端的電壓和通過的電流決定的，故B錯；電流做功的多少不僅與功率的大小有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)，故D錯。 答案：C 3．若不考慮燈絲電阻隨溫度變化的因素，把一只標(biāo)有“220 V　100

16、 W”字樣的燈泡接入電壓為110 V的電路中，燈泡的實(shí)際功率是(　　) A．75 W B．50 W C．25 W D．10 W 解析：由P＝可知P∝U2，故當(dāng)電壓從220 V變?yōu)?10 V時(shí)，燈泡的實(shí)際功率變?yōu)樵瓉淼?，C對。 答案：C 4．有一個(gè)直流電動機(jī)，把它接入0.2 V電壓的電路時(shí)，電動機(jī)不轉(zhuǎn)，測得流過電動機(jī)的電流是0.4 A，若把它接入2 V電壓的電路中，電動機(jī)正常工作，工作電流是1 A。 (1)求電動機(jī)正常工作時(shí)的輸出功率。 (2)如在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子突然被卡住，此時(shí)電動機(jī)的發(fā)熱功率為多大？(提示：電動機(jī)在電路中轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動時(shí)為純電阻用電器) 解析：(1)電動機(jī)不

17、轉(zhuǎn)時(shí)，說明電動機(jī)無機(jī)械能輸出，它消耗的電能完全轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)電動機(jī)可看做純電阻，則r＝U/I＝0.5 Ω。 當(dāng)加電壓為2 V、電流為1 A時(shí)，電動機(jī)正常工作，有機(jī)械能輸出，此時(shí)電動機(jī)為非純電阻電路，消耗的電能等于轉(zhuǎn)化的機(jī)械能和熱能之和。 轉(zhuǎn)化的熱功率為P熱＝I2R＝0.5 W 總功率P總＝UI＝2 W， 則輸出功率P出＝P總－P熱＝1.5 W。 (2)若在電動機(jī)正常工作時(shí)被卡住，電動機(jī)無機(jī)械能輸出，看做純電阻電路，此時(shí)的電熱功率為： P熱′＝＝ W＝8 W。 答案：(1)1.5 W　(2)8 W [課時(shí)跟蹤訓(xùn)練] (滿分50分　時(shí)間30分鐘) 一、選擇題(本題共7小題，

18、每小題5分，共35分) 1．關(guān)于電功，下列說法中正確的有(　　) A．電功的實(shí)質(zhì)是電場力所做的功 B．電功是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的量度 C．電場力做功使金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子運(yùn)動的速率越來越大 D．電流通過電動機(jī)時(shí)的電功率和熱功率相等 解析：電場力移動電荷時(shí)對電荷所做的功叫電功，是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的量度，A對，B、C、D錯。 答案：A 2．如圖1所示，有一內(nèi)電阻為4.4 Ω的電解槽和一盞標(biāo)有“110 V, 60 W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220 V的直流電路兩端，燈泡正常發(fā)光，則(　　) A．電解槽消耗的電功率為120 W

19、 圖1 B．電解槽的發(fā)熱功率為60 W C．電解槽消耗的電功率為60 W D．電路消耗的總功率為120 W 解析：燈泡能正常發(fā)光，說明電解槽和燈泡均分得110 V電壓，且干路電流I＝I燈＝ A，則電解槽消耗的功率P＝P燈＝60 W，C對A錯；電解槽的發(fā)熱功率P熱＝I2R＝1.3 W，B錯；整個(gè)電路消耗的功率P總＝220 V×＝120 W，D正確。 答案：CD 3．(2012·佛山高二檢測)下列說法正確的是(　　) A．家庭生活中，常說的“1度”電，指的是電功率的單位 B．功率是1 kW的空調(diào)正常工作1 h所消耗的電功是1度 C．1度等于1 000

20、 J D．1度等于 3.6×106 W 解析：“度”是電功的單位，1度＝1 kW·h＝1 000 W×3 600 s＝3.6×106 J，故A、C、D錯誤。功率為1 kW的空調(diào)正常工作1 h消耗的電功為W＝Pt＝1 kW·h＝1度，故B正確。 答案：B 4．下列關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說法中正確的是(　　) A.電功率越大，電流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多 B．W＝UIt適用于任何電路，而W＝I2Rt＝t只適用于純電阻的電路 C．在非純電阻電路中，UI＞I2R D．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路 解析：電功率公式P＝，功率越大，表示電流做功越快。對于一段電路，有

21、P＝UI，I＝，焦耳熱Q＝()2Rt，可見Q與P、U、t都有關(guān)。所以，P越大，Q不一定越大，A不對。W＝UIt是電功的定義式，適用于任何電路。而I＝只適用于純電阻電路，B對；在不是純電阻的電路中，電流做的功＝焦耳熱＋其他形式的能，所以W＞Q，即UI＞I2R，C正確。Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路中產(chǎn)生的焦耳熱，D正確，所以B、C、D對。 答案：BCD 5．有一只燈泡的燈絲斷了，通過轉(zhuǎn)動燈泡燈絲接通，再接入電源后，所發(fā)生的現(xiàn)象及其原因是(　　) A．燈絲電阻變小，通過它的電流變大，根據(jù)P＝I2R，電燈亮度不變 B．燈絲電阻變大，通過它的電流變小，根據(jù)P＝I2R，電燈變暗

22、C．燈絲電阻變小，它兩端的電壓不變，根據(jù)P＝，電燈變亮 D．燈絲電阻變大，它兩端的電壓不變，根據(jù)P＝，電燈變暗 解析：轉(zhuǎn)動燈泡燈絲重新搭接后，l變短，由R＝ρ，R減小，而燈泡兩端電壓不變，故C正確。 答案：C 6．有一臺標(biāo)稱值為“220 V　50 W”的電風(fēng)扇，其線圈電阻為0.4 Ω，在它正常工作時(shí)，下列求其每分鐘產(chǎn)生的電熱的四種解法中正確的是(　　) A．I＝＝ A，Q＝UIt＝3 000 J B．Q＝Pt＝3 000 J C．I＝＝ A，Q＝I2Rt＝1.24 J D．Q＝t＝×60 J＝7.26×106 J 解析：電風(fēng)扇是一種在消耗電能過程中既產(chǎn)生機(jī)械能，又產(chǎn)生內(nèi)能的用

23、電器，對這樣的用電器，應(yīng)注意區(qū)分電功與電熱，對每分鐘產(chǎn)生熱量的計(jì)算只能根據(jù)Q＝I2Rt求解。 答案：C 7．改革開放以來，我國人民生活水平和生活質(zhì)量有了較大的改善，電冰箱、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)等家用電器得到了普遍使用。下面列出了不同品牌的電視機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)和電冰箱銘牌上的主要項(xiàng)目，試判斷正常工作時(shí)，其中功率最大的是(　　) A．54 cm彩色電視接收機(jī)，工作電壓170～240 V，工作頻率50 Hz，額定功率85 W B．BC-65B電冰箱，額定電壓220 V，工作頻率50 Hz，額定功率70 W，耗電量0.50 kW·h/24h C．FS-69電風(fēng)扇，規(guī)格400 mm，額定電壓220

24、 V，工作頻率50 Hz，額定功率65 W D．KFR-33GW空調(diào)機(jī)，額定電壓220 V，工作頻率50 Hz，制冷/制熱電流6.2 A/6.2 A 解析：顯然正常工作時(shí)電視機(jī)的功率為85 W，電冰箱的功率為70 W，電風(fēng)扇的功率為65 W，空調(diào)機(jī)的功率P＝UI＝1 364 W，因此，功率最大的是空調(diào)機(jī)，選項(xiàng)D正確。 答案：D 二、非選擇題(本題共2小題，共15分) 8．(7分)如圖2所示，兩個(gè)不同的工業(yè)用電烙鐵，其中甲的規(guī)格的“220 V,800 W”，乙的規(guī)格為“220 V，1 600 W”。當(dāng)兩電烙鐵分別接通，其通過的電流分別為I1＝0.4 A、I2＝0.2 A時(shí)，分別工作t1

25、＝10 s、t2＝20 s后釋放的熱能為多少？ 圖2 解析：由P＝得：R＝ 故R甲＝Ω＝60.5 Ω R乙＝Ω＝30.25 Ω， 由焦耳定律Q＝I2Rt得： Q甲＝I12R甲t1＝(0.4)2×60.5×10 J＝96.8 J Q乙＝I22R乙t2＝(0.2)2×30.25×20 J＝24.2 J 答案：96.8 J　24.2 J 9．(8分)額定電壓為220 V的電動機(jī)的線圈電阻為0.8 Ω，正常工作時(shí)，電動機(jī)每秒放出的熱量為1 280 J，則電動機(jī)正常工作時(shí)的電流為多大？每秒有多少焦的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能？ 解析：正常工作時(shí)，通過線圈的電流即為正常工作電流。 由焦耳定律Q＝I2Rt得I＝ 代入數(shù)據(jù)得：I＝40 A 由能量轉(zhuǎn)化和守恒得W＝Q＋W機(jī) 其中W＝UIt＝220×40×1 J＝8 800 J 得W機(jī)＝W－Q＝(8 800－1 280)J＝7 520 J 答案：40 A　7 520 J 12