2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 恒定電流 第6講 焦耳定律學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、 焦耳定律 [目標(biāo)定位]　1.理解電功、電功率的概念，并能利用公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.2.理解電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系.3.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點(diǎn)和區(qū)別． 一、電功和電功率 1．電功 (1)定義：電流在一段電路中所做的功． (2)定義式：W＝IUt. (3)單位：焦耳，符號(hào)：J. (4)實(shí)質(zhì)：電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能． (5)適用條件：任何電路． 2．電功率 (1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功． (2)公式：P＝＝IU. (3)單位：瓦特，符號(hào)：W. (4)物理意義：表示電流做功的快慢． (5)適用條件：任何電路． 深度思考 (1)兩個(gè)電

2、阻串聯(lián)，功率和電阻存在什么關(guān)系？ (2)兩個(gè)電阻并聯(lián)，功率和電阻存在什么關(guān)系？ 答案　(1)由P＝I2R知，串聯(lián)電阻的功率與電阻成正比． (2)由P＝知，并聯(lián)電阻的功率與電阻成反比． 例1　將兩個(gè)定值電阻R1、R2并聯(lián)在電壓為U的電源兩端，R1消耗的功率為P1，R2消耗的功率為3P1，當(dāng)把它們串聯(lián)在電壓為4U的電源兩端時(shí)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．R1兩端的電壓為U B．R2消耗的功率變小 C．通過(guò)R2的電流變小 D．兩個(gè)電阻消耗的總功率為12P1 解析　當(dāng)R1、R2并聯(lián)在電壓為U的電源兩端時(shí)，兩電阻兩端的電壓為U，根據(jù)P＝IU，功率之比等于電流之比，根據(jù)并聯(lián)電路電流

3、和電阻的關(guān)系，可知：R1＝3R2；當(dāng)把它們串聯(lián)在電壓為4U的電源兩端時(shí)，電路中的電流I＝＝，故通過(guò)R2的電流不變，電壓不變，所以R2的電功率不變，仍為3P1，故B、C錯(cuò)誤；R1兩端的電壓U1＝IR1＝×3R2＝3U，故A錯(cuò)誤；兩個(gè)電阻消耗的總功率P＝U′I＝4U·＝12P1，故D正確． 答案　D 例2　A、B為“220V　100W”的兩盞相同的燈泡，C、D為“220V　40W”的兩盞相同燈泡，A、B燈的電阻為_(kāi)___Ω；C、D電阻為_(kāi)_______Ω.現(xiàn)將四盞燈泡接成如圖1所示電路，并將兩端接入電路，各燈實(shí)際功率分別為PA、PB、PC、PD，則實(shí)際功率的大小順序是________．

4、圖1 解析　由P＝IU和I＝，得R＝則：RA＝RB＝Ω＝484Ω，RC＝RD＝Ω＝1210Ω；由電路圖可知，B、C并聯(lián)，所以電壓相等，根據(jù)P＝可知：PB＞PC，A、D串聯(lián)，電流相等，由P＝IU和U＝IR，得P＝I2R可知，PD＞PA；A、D的電流大于B、C的電流，根據(jù)P＝I2R可知：PA＞PB，PD＞PC；所以PD＞PA＞PB＞PC. 答案　484　1210　PD＞PA＞PB＞PC (1)額定功率：用電器正常工作時(shí)所消耗的功率，也是用電器兩端電壓為額定電壓(或通過(guò)的電流為額定電流)時(shí)消耗的電功率.用電器銘牌上所標(biāo)的功率即為額定功率. (2)實(shí)際功率：用電器實(shí)際工作時(shí)消耗的電功率.為

5、了保證用電器不被損壞，要求實(shí)際功率不能大于其額定功率. 二、焦耳定律 1．焦耳定律 (1)內(nèi)容：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比． (2)表達(dá)式：Q＝I2Rt. (3)適用條件：任何電路． 2．熱功率 (1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量． (2)表達(dá)式：P＝I2R. (3)適用條件：任何電路． 3．純電阻電路和非純電阻電路 純電阻電路 非純電阻電路 能量轉(zhuǎn)化情況 電功和電熱的關(guān)系 W＝Q 即IUt＝I2Rt＝t W＝Q＋E其他 UIt＝I2Rt＋E其他 電功率和熱功率的關(guān)系 P＝P熱， 即IU＝I2R

6、＝ P＝P熱＋P其他 即IUt＝I2R＋P其他 歐姆定律是否成立 U＝IR　I＝成立 U＞IR　I＜不成立 深度思考 電風(fēng)扇、電冰箱消耗的電能等于I2Rt嗎？電風(fēng)扇、電冰箱消耗的電能轉(zhuǎn)化成什么形式的能量？ 答案　不等于；電風(fēng)扇、電冰箱消耗電能沒(méi)有全部轉(zhuǎn)化為熱能，有大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，小部分轉(zhuǎn)化為電熱． 例3　下列關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說(shuō)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＝IUt適用于任何電路，而W＝I2Rt＝t只適用于純電阻電路 C．在非純電阻電路中，IU>I2R D．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路 解

7、析　電功率公式P＝，表示電功率越大，電流做功越快．對(duì)于一段電路，有P＝IU，I＝，焦耳熱Q＝()2Rt，可見(jiàn)Q與P、U、t都有關(guān)，所以P越大，Q不一定越大，A錯(cuò)．W＝IUt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(duì)．在非純電阻電路中，電流做的功＝焦耳熱＋其他形式的能，所以W>Q，即IU>I2R，C對(duì)．Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路，D對(duì)． 答案　BCD 例4　在研究微型電動(dòng)機(jī)的性能時(shí)，可采用如圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路．當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)分別為0.5A和1.0V；當(dāng)重新調(diào)節(jié)R，使電動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)分

8、別為2．0A和15.0V．則有關(guān)這臺(tái)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的說(shuō)法正確的是(　　) 圖2 A．電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻為7.5Ω B．電動(dòng)機(jī)的內(nèi)電阻發(fā)熱功率為8.0W C．電動(dòng)機(jī)的輸出功率為30W D．電動(dòng)機(jī)的效率約為27% 解析　當(dāng)電流表和電壓表的示數(shù)分別為0.5 A和1.0 V時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，電路中只有電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻消耗電能，其阻值r＝＝ Ω＝2.0 Ω，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；電動(dòng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電流表和電壓表的示數(shù)分別為2.0 A和15.0 V，則電動(dòng)機(jī)的內(nèi)電阻發(fā)熱功率，P熱＝Ir＝2.02×2 W＝8.0 W，選項(xiàng)B正確；電動(dòng)機(jī)的總功率P總＝U2I2＝15.0 V×2.0 A＝30.0 W，所以

9、電動(dòng)機(jī)的輸出功率P輸出＝P總－P熱＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；電動(dòng)機(jī)的效率η＝＝×100%≈73.3%，選項(xiàng)D錯(cuò)誤． 答案　B 電動(dòng)機(jī)的功率和效率 電動(dòng)機(jī)的總功率(輸入功率)：P入＝IU. 電動(dòng)機(jī)的熱功率P熱＝I2r. 電動(dòng)機(jī)的輸出功率(機(jī)械功率)：P出＝IU－I2r. 電動(dòng)機(jī)的效率：η＝＝＝1－. 說(shuō)明：注意區(qū)分電動(dòng)機(jī)的幾種功率，從能量守恒角度分析和考慮電動(dòng)機(jī)問(wèn)題. 1．(電功和電功率)(多選)如圖3所示，把四個(gè)相同的燈泡接成甲、乙兩種電路后，燈泡都正常發(fā)光，且兩個(gè)電路的總功率相等．則下列對(duì)這兩個(gè)電路中的U甲、U乙、R甲、R乙之間的關(guān)系的說(shuō)法

10、，正確的是(　　) 圖3 A．U甲＞2U乙 B．U甲＝2U乙 C．R甲＝4R乙 D．R甲＝2R乙 答案　BC 解析　設(shè)燈泡的電阻為R，正常發(fā)光時(shí)電流為I，電壓為U，由于兩個(gè)電路的總功率相等，P＝U甲I＝U乙·2I，得U甲＝2U乙；又由U甲＝2U＋I(xiàn)R甲，U乙＝U＋2IR乙，得R甲＝4R乙，故正確答案為B、C. 2．(焦耳定律)通過(guò)電阻R的電流為I時(shí)，在t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q，若電阻為2R，電流為，則在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為(　　) A．4QB．2QC.D. 答案　C 解析　根據(jù)Q＝I2Rt得，電阻變?yōu)樵瓉?lái)的2倍，電流變?yōu)樵瓉?lái)的，時(shí)間不變，則熱量變?yōu)樵瓉?lái)的，C正確． 3．(

11、焦耳定律和熱功率)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，額定電壓為100V，電阻為1Ω.正常工作時(shí)，通過(guò)的電流為5A，則電動(dòng)機(jī)因發(fā)熱損失的功率為(　　) A．500WB．25WC．1000WD．475W 答案　B 解析　電動(dòng)機(jī)的熱功率P＝I2r＝52×1W＝25W，B正確，A、C、D錯(cuò)誤． 4．(非純電阻電路的特點(diǎn)及有關(guān)計(jì)算)如圖4所示是一直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電路圖．電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻r＝0.8Ω，電路中另一電阻R＝10Ω，直流電壓U＝160V，電壓表示數(shù)UV＝110V．試求： 圖4 (1)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流； (2)輸入電動(dòng)機(jī)的總功率； (3)電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率． 答案　(1)5A　(2)550W　(3)

12、530W 解析　(1)由電路中的電壓關(guān)系可得電阻R的分壓UR＝U－UV＝(160－110) V＝50V 通過(guò)電阻R的電流IR＝＝A＝5A 即通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流IM＝IR＝5A. (2)電動(dòng)機(jī)的分壓UM＝UV＝110V 輸入電動(dòng)機(jī)的總功率P總＝IM·UM＝550W. (3)電動(dòng)機(jī)的熱功率P熱＝Ir＝20W 電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P出＝P總－P熱＝530W 題組一　對(duì)電功、電功率的理解和計(jì)算 1．(多選)關(guān)于電功，下列說(shuō)法中正確的有(　　) A．電功的實(shí)質(zhì)是靜電力所做的功 B．電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的量度 C．靜電力做功使金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子運(yùn)動(dòng)的速率越來(lái)越大 D．電

13、流通過(guò)電動(dòng)機(jī)時(shí)的電功率和熱功率相等 答案　AB 2．兩個(gè)精制電阻，用錳銅電阻絲繞制而成，電阻上分別標(biāo)有“100Ω　10W”和“20Ω　40W”，則它們的額定電流之比為(　　) A.∶5B.∶20C.∶10D．1∶2000 答案　C 解析　由公式P＝I2R得：I＝，所以I1∶I2＝∶10. 3．電壓都是110V，額定功率PA＝100W，PB＝40W的燈泡兩盞，若接在電壓為220V的電路上，使兩盞燈泡均能正常發(fā)光，且消耗功率最小的電路是(　　) 答案　C 解析　判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，對(duì)燈泡有P＝IU＝，可知RA＜RB. 對(duì)

14、于A電路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110V，B燈被燒毀，UA＜110V，A燈不能正常發(fā)光． 對(duì)于B電路，由于RB＞RA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UB＞U并，B燈燒毀． 對(duì)于C電路，B燈與變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110V，兩燈可以正常發(fā)光． 對(duì)于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UA＝UB＝110V，兩燈可以正常發(fā)光． 比較C、D兩個(gè)電路，由于C電路中變阻器功率為(IA－IB)×110V，而D電路中變阻器功率為(IA＋I(xiàn)B)×110V，所以C電路消耗電功率最?。? 4．兩盞額定功率相同的燈泡A和B，其額定電壓UA

15、>UB，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A．兩燈正常發(fā)光時(shí)，燈泡的電流IA>IB B．兩燈電阻RARB，由P＝IU可知額定電流IAPB，故C錯(cuò)誤； 兩燈并聯(lián)后，由并聯(lián)電路的功率分配關(guān)系可知P∝，所以PA′

16、(　　) 圖1 A．額定工作電流為20 A B．充滿電后最長(zhǎng)工作時(shí)間為2 h C．電池充滿電后總電量為7.2×104 C D．以額定電流工作時(shí)每秒消耗能量為20 J 答案　C 解析　由P＝IU知額定電流I＝＝2 A，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；充滿電后，鋰電池容量為20 A·h，最長(zhǎng)工作時(shí)間t＝＝10 h，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；電池充滿電后總電量Q＝It＝20×3 600 C＝7.2×104 C，選項(xiàng)C正確；以額定電流工作時(shí)每秒消耗能量W＝IUt＝48 J，D錯(cuò)誤． 題組二　焦耳定律的理解　非純電阻電路計(jì)算 6．(多選)關(guān)于四個(gè)公式①P＝IU；②P＝I2R；③P＝；④P＝，下列敘述正確的是(　　)

17、 A．公式①④適用于任何電路的電功率的計(jì)算 B．公式②適用于任何電路的熱功率的計(jì)算 C．公式①②③適用于任何電路電功率的計(jì)算 D．以上均不正確 答案　AB 解析　P＝IU、P＝適用于任何電路的電功率的計(jì)算，而P＝I2R、P＝只適用于純電阻電路的電功率的計(jì)算，故A正確，C、D錯(cuò)誤．P＝I2R適用于任何電路的熱功率的計(jì)算，P＝IU、P＝只適用于純電阻電路的熱功率的計(jì)算，故B正確． 7．額定電壓、額定功率均相同的電風(fēng)扇、電烙鐵和日光燈，各自在額定電壓下正常工作了相同的時(shí)間．比較它們產(chǎn)生的熱量，結(jié)果是(　　) A．電風(fēng)扇最多 B．電烙鐵最多 C．日光燈最多 D．一樣多 答案　B

18、解析　在三種用電器中，只有電烙鐵能將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電風(fēng)扇將部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，日光燈將部分電能轉(zhuǎn)化為光能，故B選項(xiàng)正確． 8．有一內(nèi)阻為4.4Ω的電解槽和一盞標(biāo)有“110V　60W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220V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120W B．電解槽消耗的電功率為60W C．電解槽的發(fā)熱功率為60W D．電路消耗的總功率為60W 答案　B 解析　燈泡能正常發(fā)光，說(shuō)明電解槽和燈泡均分得110V電壓，且流過(guò)電解槽的電流I＝I燈＝A＝A，則電解槽消耗的電功率P＝IU＝P燈＝60W，A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B選項(xiàng)正確；電解槽的發(fā)熱功率P熱＝I2

19、r≈1.3W，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；電路消耗的總功率P總＝IU總＝×220W＝120W，D選項(xiàng)錯(cuò)誤． 9．(多選)如圖2所示，電阻R1＝20Ω，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻R2＝10Ω.當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流表的示數(shù)是0.5A，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電路兩端的電壓不變，電流表的示數(shù)I和電路消耗的電功率P應(yīng)是 (　　) 圖2 A．I＝1.5A B．I＜1.5A C．P＝15W D．P＜15W 答案　BD 解析　電路兩端的電壓為：U＝I1R1＝0.5A×20Ω＝10V．電動(dòng)機(jī)是非純電阻用電器，UI2＞IR2，所以I2＜＝1A．電流表的示數(shù)I＝I1＋I(xiàn)2＜1.5A，A錯(cuò)誤，B正確．電路總功率為P＝U(

20、I1＋I(xiàn)2)＜15W，C錯(cuò)誤，D正確． 題組三　綜合應(yīng)用 10．如圖3所示的電路中，電源電壓為60V，內(nèi)阻不計(jì)，電阻R＝2Ω，電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻R0＝1.6Ω，電壓表的示數(shù)為50V，電動(dòng)機(jī)正常工作，求電動(dòng)機(jī)的輸出功率． 圖3 答案　210W 解析　電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓U0＝50V，此時(shí)通過(guò)電路中的電流：I＝＝＝5A，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出＝U0I－I2R0＝210W. 11．規(guī)格為“220V　36W”的排氣扇，線圈電阻為40Ω，求： (1)接上220V的電源后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率； (2)如果接上(1)中電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求電動(dòng)機(jī)消耗的功

21、率和發(fā)熱的功率．(計(jì)算結(jié)果均保留為整數(shù)) 答案　(1)35W　1W　(2)1210W　1210W 解析　(1)排氣扇在220V的電壓下正常工作時(shí)的電流為I＝＝A≈0.16A 發(fā)熱功率為 P熱＝I2R＝(0.16)2×40W≈1W 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為 P機(jī)＝P－P熱＝(36－1) W＝35W. (2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)所在電路成為純電阻電路，電流做功全部轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)中電流為I′＝＝A＝5.5A 電動(dòng)機(jī)消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率： P電′＝P熱′＝UI′＝220×5.5W＝1210W. 12．表中是一輛電動(dòng)自行車說(shuō)明書上的一些技術(shù)參數(shù)，根據(jù)表中提供的信

22、息，探究以下問(wèn)題：(g取10m/s2，計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字) 規(guī)格 后輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī) 車型 26″電動(dòng)自行車 額定輸出功率 120W 整車質(zhì)量 30kg 額定電壓 40V 最大載重 120kg 額定電流 3.5A (1)在額定電壓下工作時(shí)，該電機(jī)的內(nèi)阻是多少？其效率為多大？ (2)假設(shè)行駛過(guò)程中所受阻力是車和人總重的0.02倍，在最大載重量的情況下，人騎車行駛的最大速度為多大？ 答案　(1)1.6Ω　86%　(2)4.0m/s 解析　(1)由題目提供的表可知，電機(jī)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(jī)正常工作時(shí)輸入功率為 P入＝U0I0＝40×3.5W＝140W 所以電機(jī)的效率為 η＝×100%＝×100%≈86% 設(shè)電機(jī)的內(nèi)阻為r，則由歐姆定律知P入－P出＝Ir 解得r≈1.6Ω (2)由題意知，行駛時(shí)所受阻力為F阻＝k(M＋m)g 當(dāng)達(dá)到最大速度vmax時(shí)，應(yīng)有P出＝F阻vmax 解得vmax＝4.0m/s. 11