高中物理 第二章 恒定電流 第5節(jié) 焦耳定律學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、 5　焦耳定律 答案：（1）恒定電場?。?）靜電力?。?）UIt　（4）焦耳?。?）千瓦時?。?）單位時間?。?）IU?。?）瓦?。?）內(nèi)能?。?0）電流?。?1）電阻?。?2）通電時間?。?3）I2Rt?。?4）單位時間?。?5）I2R?。?6）瓦 1．電功 （1）定義：電路中電場力對定向移動的電荷所做的功，簡稱電功，通常也說成是電流的功。用W表示。 （2）實(shí)質(zhì)：是能量守恒定律在電路中的體現(xiàn)。即電流做功的過程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，在轉(zhuǎn)化過程中，能量守恒，即有多少電能減少，就有多少其他形式的能增加。 （3）公式：W＝qU＝UIt，即電流在一段電路上所做的功，等

2、于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I和通電時間t三者的乘積。 （4）單位：國際單位是焦耳，簡稱焦，符號是J。常用的單位是千瓦·時，亦稱為“度”。符號是“kW·h”，1 kW·h＝1 000 W×3 600 s＝3.6×106 J。 談重點(diǎn)?、匐姽＝qU＝UIt，適用于任何電路。②在純電阻電路中，由于I＝U/R，所以W＝I2R·t＝·t。 【例1】一根電阻絲，通過2 C的電荷量所消耗的電能是8 J。若在相同的時間內(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

3、,32 J 解析：利用W＝qU可求出電壓U1，再由I＝＝可以求出U2，然后利用W＝qU求W2 設(shè)電阻絲電阻為R，開始所加電壓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＝＝① 又I1＝＝② 由①②得U2＝U1＝×4 V＝8 V W2＝q2U2＝4×8 J＝32 J。 答案：D 2．電功率 （1）定義：單位時間內(nèi)電流所做的功叫做電功率。用P表示電功率。 （2）定義式：P＝W/t＝IU。 （3）單位：瓦（W）、千瓦（kW）。 （4）意義：電功率是描述電流做功快慢的物理量。 談重點(diǎn)?。?）電功率P＝W/t＝IU，

4、適用于任何電路。 （2）在純電阻電路中，P＝I2R＝U2/R。 （3）電流做功快，但做功不一定多；電流做功慢，但做功不一定少。 （5）串聯(lián)、并聯(lián)電阻的功率分配 ①串聯(lián)電路：＝，＝（由P＝I2R可得），電阻越大，功率越大。 ②并聯(lián)電路：＝，＝（由P＝可得），電阻越大，功率越小。 （6）額定功率和實(shí)際功率 ①額定功率：用電器正常工作時所消耗的功率叫額定功率。當(dāng)用電器兩端電壓達(dá)到額定電壓U額時，電流達(dá)到額定電流I額，電功率也達(dá)到額定功率P額，且P額＝U額I額，對于純電阻用電器，P額＝IR＝。 ②實(shí)際功率：用電器實(shí)際工作時所消耗的功率叫實(shí)際功率，實(shí)際功率不能長時間超過額定功率。 破疑

5、點(diǎn)?。?）不能認(rèn)為額定功率大的燈泡一定比額定功率小的燈泡亮，燈泡的明亮程度是由其實(shí)際消耗的功率決定的，與額定功率無關(guān)。 （2）加給用電器的電壓不應(yīng)超過額定電壓，否則就可能使用電器損壞，因此，在使用電器時，一定要先檢查用電電壓是否符合額定電壓，保證用電安全。 【例2】（廣州高二檢測）額定電壓都是110 V，額定功率PA＝100 W，PB＝40 W的電燈兩盞，若接在電壓是220 V的電路上，使兩盞電燈均能正常發(fā)光，且電路中消耗功率最小的電路是（　?。? 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，對燈泡有P＝UI＝，可知RA＜RB，對于A電路，由于RA＜R

6、B，所以UB＞UA，且有UB＞110 V，B燈被燒毀，UA＜110 V不能正常發(fā)光，A錯誤。 對于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＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光。 對于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＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光。 比較C、D兩個電路， 由于C電路中變阻器功率為（IA－IB）×110 V，而D電路中變阻器功率為（IA＋I(xiàn)B）×110 V，所以C電路消耗電功率最小。 答案：C 3．焦耳定律 注意：電熱是電能轉(zhuǎn)化為

7、內(nèi)能的量度。只要電路中有電阻元件，電流通過電路時必產(chǎn)生電熱，焦耳定律是一切電路中計算電熱的普適公式。 【例3】用一個額定電壓為220 V的電熱水器煮沸一壺水需要t s，如果不考慮電熱水器的電熱損失和電熱絲電阻受溫度的影響，那么（　?。? A．當(dāng)線路電壓為110 V時，煮沸一壺水需要2t s B．當(dāng)線路電壓為110 V時，煮沸一壺水需要4t s C．當(dāng)線路電壓為55 V時，煮沸一壺水需要4t s D．當(dāng)線路電壓為55 V時，煮沸一壺水需要16t s 解析：由公式Q＝t，煮沸一壺水所需的熱量為Q＝t J。當(dāng)電壓變?yōu)樵瓉淼臅r，所需熱量沒變，因此時間要變?yōu)樵瓉淼?倍，即4t s，選項(xiàng)B正確。

8、當(dāng)電壓變?yōu)樵瓉淼臅r，時間要變?yōu)樵瓉淼?6倍，即16t s，選項(xiàng)D正確。 答案：BD 4．熱功率 （1）定義：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量叫熱功率。 （2）表達(dá)式：熱功率即電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率P＝＝I2R。 （3）單位：瓦特，符號W。 （4）實(shí)質(zhì)：電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率。 【例4】如圖所示，把四個電阻的I－U關(guān)系圖線（伏安特性曲線）按相同標(biāo)度畫在同一個直角坐標(biāo)系上，現(xiàn)將這四個電阻并聯(lián)使用，熱損耗功率最大的是（　?。? A．R1 B．R2 C．R3 D．R4 解析：四個電阻并聯(lián)使用，電壓相等，熱損耗功率可由P＝進(jìn)行比較。而從I－U關(guān)系圖線知，直線斜率的倒數(shù)才是電阻的大

9、小，于是R1最小，R4最大。由P＝知，R1消耗的熱功率P1最大，R4消耗的熱功率P4最小。 答案：A 5．純電阻電路與非純電阻電路的區(qū)別 電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的量度，電熱是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量度。 【例5】規(guī)格為“220 V 36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 Ω，求： （1）接上220 V的電壓后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率； （2）如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動，求電動機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率。 解析：（1）排氣扇在220 V的電壓下正常工作時的電流為 I＝＝A＝0.16 A 發(fā)熱功率為 P熱＝I2R＝（0.16）2×40 W＝1 W 轉(zhuǎn)化

10、為機(jī)械能的功率為 P機(jī)＝P－P熱＝（36－1）W＝35 W。 （2）扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動后，電動機(jī)成為純電阻電路，電流做功全部轉(zhuǎn)化為熱能，此時電動機(jī)中電流為I′＝＝ A＝5.5 A 電動機(jī)消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率： P電′＝P熱′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W。 答案：（1）35 W　1 W?。?）1 210 W　1 210 W 析規(guī)律　排氣扇中有電動機(jī)，解答有關(guān)電動機(jī)問題時注意： （1）當(dāng)電動機(jī)不轉(zhuǎn)時可以看成純電阻電路，P＝UI＝I2R＝均成立。 （2）當(dāng)電動機(jī)正常工作時，是非純電阻電路 P電＝UI＞P熱＝I2R，U≠IR而有U＞IR。 （3）輸入功率指

11、電動機(jī)消耗的總功率。熱功率是線圈上的電阻的發(fā)熱功率。輸出功率是指電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率。三者的關(guān)系：UI＝I2R＋P機(jī)。 6．電功和電熱在生活中的應(yīng)用 電功和電熱在生產(chǎn)、日常生活和科技中的應(yīng)用非常廣泛，例如電視、電腦、電動車、空調(diào)等都是利用了電流做功；像電熱水器、電熨斗、電飯鍋、電烘箱、工業(yè)生產(chǎn)中的電冶等則是利用了電流的熱效應(yīng)。解決這類問題的關(guān)鍵是理解題目提供的信息，并從中挖掘出解題所需的物理量。 比如在北京奧運(yùn)會上倡導(dǎo)的“科技奧運(yùn)”，是奧運(yùn)史上首次提出的將科技與奧運(yùn)結(jié)合的新理念，其中混合動力電動環(huán)保汽車在各奧運(yùn)場館之間組成了“綠色車隊”為2008年奧運(yùn)會場館服務(wù)。若某輛以蓄

12、電池為驅(qū)動能源的環(huán)保汽車，總質(zhì)量m＝3×103 kg，當(dāng)它在水平路面上以v＝36 km/h的速度勻速行駛時，驅(qū)動電機(jī)的輸入電流I＝50 A，電壓U＝300 V。在此行駛狀態(tài)下，驅(qū)動電機(jī)的輸入功率P電＝IU＝1.5×103 W，若驅(qū)動電機(jī)能夠?qū)⑤斎牍β实?0%轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車運(yùn)動的機(jī)械功率P機(jī)，則P機(jī)＝0.9P電＝Fv＝fv，所以汽車所受阻力f＝0.9P電/v＝1.35×103 N。 【例6】電動自行車是目前較為時尚的代步工具，某廠生產(chǎn)的一種電動自行車，設(shè)計質(zhì)量（包括人）為80 kg，動力電源選用能量存儲為“36 V 10 A·h”（即輸出電壓為36 V，工作電流與工作時間的乘積為10安培小

13、時）的蓄電池（不計內(nèi)阻），電動機(jī)的輸入功率有兩擋，分別為P1＝120 W和P2＝180 W，考慮到傳動摩擦以及電機(jī)發(fā)熱等各種原因造成損耗，電動自行車行駛時的功率為輸入功率的80%，如果電動自行車在平直公路上行駛時所受阻力與行駛速度和自行車對地面的壓力都成正比，即Ff＝kmgv，其中k＝5.0×10－3 s·m－1，g取10 m/s2。求： （1）該電動自行車分別選用兩擋行駛時，行駛的最長時間分別為多少？ （2）電動自行車在平直公路上能到達(dá)的最大速度。 （3）估算選用“高功率擋”時電動自行車在平直公路上的最大行程。 解析：（1）根據(jù)公式P＝IU可得兩擋電流分別為I1＝A，I2＝5 A 再根據(jù)電池容量可得t1＝＝h＝3 h，t2＝h＝2 h。 （2）當(dāng)電動自行車以最大功率行駛且勻速運(yùn)動時速度最大，有F牽＝kmgvmax，而F牽＝ 聯(lián)立兩式得vmax＝＝m/s＝6 m/s。 （3）忽略電動自行車的啟動和減速過程，可認(rèn)為電動自行車能以最大速度行駛2 h，即smax＝vmaxt＝6×3 600×2 m＝43.2 km。 答案：（1）3 h　2 h?。?）6 m/s?。?）43.2 km 5