2017年高中物理 第3章 恒定電流 第3講 焦耳定律學(xué)案 魯科版選修3-1

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1、 第3講　焦耳定律 [目標(biāo)定位]　1.知道并理解電功、電功率的概念，并能利用公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.2.弄清電功與電熱、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、電能 1．電功 (1)自由電荷在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng)而形成電流，電場(chǎng)力對(duì)自由電荷做的功，稱為電功． (2)公式：如果電路兩端的電壓是U，電流為I，在時(shí)間t內(nèi)電流做的功W＝UIt 2．電功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功就叫做電功率．用公式表示為：P＝＝IU，單位：瓦特(W)． 想一想　電流做功越多，電功率越大嗎？ 答案　不一定，電功率是指電流單位時(shí)間內(nèi)做的功，電流做功多，由于時(shí)間不確定

2、，所以電功率不一定大． 二、焦耳定律 1．焦耳定律：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)體的電阻成正比，跟通電時(shí)間成正比．這就是焦耳定律．用公式表示：Q＝I2Rt. 2．在只含電阻的純電阻電路中：由U＝IR，可推得Q＝t. 想一想　電風(fēng)扇、電冰箱消耗的電能等于I2Rt嗎？電冰箱消耗的電能轉(zhuǎn)化成什么形式的能量了？ 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)化為了機(jī)械能，小部分轉(zhuǎn)化為了電熱． 三、身邊的電熱 1．電流熱效應(yīng)的應(yīng)用 如電熱水器、電飯鍋、電刻筆、電焊等都是利用電流的熱效應(yīng)工作的． 2．電流熱效應(yīng)的危害 如果插頭和插座之間接觸不良會(huì)

3、迸出火花．在輸電線路中由于電熱，降低電能的傳輸效率，電流過(guò)大，散熱不好，還會(huì)燒壞電線的絕緣層，引起漏電、觸電． 一、電功和電功率　電熱和熱功率 1．電功和電功率 (1)電功：W＝IUt.電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，即電功等于電路中電能的減少量．適用于任何電路． (2)電功率：P＝IU，反映了電流做功的快慢．適用于任何電路． 2．電熱和熱功率 (1)焦耳定律：電熱的計(jì)算公式為Q＝I2Rt (2)熱功率的計(jì)算公式為P熱＝I2R. 例1　有分別標(biāo)有“220V、100W”、“220V、60W”的兩個(gè)燈泡． (1)把它們并聯(lián)接到220V的電源上，實(shí)際功率各是多少

4、？哪個(gè)燈泡更亮？ (2)把它們串聯(lián)接到220V的電源上，實(shí)際功率各是多少？哪個(gè)燈泡更亮？ 答案　(1)P1＝100W，P2＝60W,100W的燈泡更亮 (2)P1≈14.1W，P2≈23.4W,60W的燈泡更亮 解析　由P＝得100W的燈泡電阻R1＝＝Ω＝484Ω，60W的燈泡電阻R2＝＝Ω≈807Ω. (1)當(dāng)并聯(lián)接入220V電源時(shí)，兩燈泡兩端電壓均為220V，則燈泡均正常發(fā)光，故P1＝100W，P2＝60W，100W的燈泡更亮． (2)當(dāng)串聯(lián)接入220V電源時(shí)， I＝A＝A. 所以100W燈泡的實(shí)際功率P1＝I2R1≈14.1W 60W燈泡的實(shí)際功率P2＝I2R2≈23.

5、4W，則60W的燈泡更亮． 針對(duì)訓(xùn)練　一白熾燈泡的額定功率與額定電壓分別為36W與36V．若把此燈泡接到輸出電壓為18V的電源兩端，則燈泡消耗的電功率(　　) A．等于36W B．小于36W，大于9W C．等于9W D．小于9W 答案　B 解析　白熾燈在正常工作時(shí)的電阻為R，由P＝變形得R＝36Ω，當(dāng)接入18V電壓時(shí)，假設(shè)燈泡的電阻也為36Ω，則它消耗的功率為P′＝＝W＝9W，但是當(dāng)燈泡兩端接入18V電壓時(shí)，它的發(fā)熱功率小，燈絲的溫度較正常工作時(shí)的溫度低，其電阻率小，所以其電阻要小于36Ω，其實(shí)際功率要大于9W，故選項(xiàng)B正確． 二、純電阻電路和非純電阻電路 純電阻

6、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＝t＋E其他 電功率和熱功率的關(guān)系 P＝P熱， 即IU＝I2R＝ P＝P熱＋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 例2　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＝UIt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，UI>I2R D．焦耳熱Q＝I2

7、Rt適用于任何電路 答案　BCD 解析　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Q與P、U、t都有關(guān)，所以P越大，Q不一定越大，A錯(cuò)．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(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UI>I2R，C對(duì)．Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路，D對(duì)． 例3　一臺(tái)電風(fēng)扇，內(nèi)阻為20Ω，接上220V的電壓后正常工作，消耗的功率為66W．求： (1)電風(fēng)扇正常工作時(shí)通過(guò)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的電流； (2)電風(fēng)扇工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率，轉(zhuǎn)化為機(jī)

8、械能的功率及電機(jī)的效率； (3)若接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流多大？電動(dòng)機(jī)消耗的電功率和發(fā)熱功率各是多大？ 答案　(1)0.3A　(2)1.8W　64.2W　97.3% (3)11A　2420W　2420W 解析　(1)由P＝UI可得，電流I＝＝＝0.3A； (2)線圈電阻發(fā)熱功率PQ＝I2r＝1.8W； 機(jī)械功率P機(jī)＝P－PQ＝64.2W； 效率為機(jī)械功率與總功率之比為η＝＝97.3%. (3)當(dāng)葉片不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作純電阻，I＝＝11A; P＝UI＝I2r＝2420W. 借題發(fā)揮　(1)在純電阻電路中，由于電功與電熱相等，因此公式UIt、I2Rt、t既

9、可計(jì)算電功，也可計(jì)算電熱．(2)在非純電阻電路中，只能用UIt計(jì)算電功，用I2Rt計(jì)算電熱，t無(wú)意義．(3)通過(guò)電功(或電熱)計(jì)算電流或電壓 電功　電功率　電熱　熱功率 1．一臺(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．500W B．25W C．1000W D．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． 2．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．4Q B．2Q C. D

10、. 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．電功率的計(jì)算公式P＝中，U是加在用電器上的電壓，R是用電器的電阻，此式可用于(　　) A．計(jì)算電冰箱的功率 B．計(jì)算電風(fēng)扇的功率 C．計(jì)算電烙鐵的功率 D．計(jì)算洗衣機(jī)的功率 答案　C 解析　公式P＝是根據(jù)功率公式和歐姆定律推導(dǎo)出來(lái)的，只能用在純電阻電路中，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤． 非純電阻電路的特點(diǎn)及有關(guān)計(jì)算 4．如圖1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．

11、試求： 圖1 (1)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流； (2)輸入電動(dòng)機(jī)的電功率； (3)電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率． 答案　(1)5A　(2)550W　(3)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)的功率P入＝IM·UM＝550W. (3)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率P熱＝Ir＝20W 電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P出＝P入－P熱＝530W. 題組一　對(duì)電功和電功率　電熱和熱功率的理解 1．關(guān)于電功，下列說(shuō)法中

12、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．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＝UI、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錯(cuò)誤．P＝I2R適用于任何

13、電路的熱功率的計(jì)算，P＝UI、P＝只適用于純電阻電路的熱功率的計(jì)算，故B正確． 3．兩個(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.∶5 B.∶20 C.∶10 D．1∶2000 答案　C 解析　由公式P＝I2R得：I＝， 所以I1∶I2＝∶10. 4．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 解析　在三種用電器中，只有電烙鐵能

14、將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電風(fēng)扇部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，日光燈部分電能轉(zhuǎn)化為光能，故B選項(xiàng)正確． 5．兩盞額定功率相同的燈泡A和B，其額定電壓UA>UB，則下列說(shuō)法正確的是(　　) A．兩燈正常發(fā)光時(shí)，燈泡的電流強(qiáng)度IA>IB B．兩燈電阻RARB.兩燈串聯(lián)后，由串聯(lián)電路的功率分配關(guān)系可知P∝R，所以PA>PB；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′

15、電路及非純電阻電路的理解 6．一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻與一只電爐的電阻相同，都通過(guò)相同的電流，在相同時(shí)間內(nèi)(　　) A．電爐放熱與電動(dòng)機(jī)放熱相等 B．電爐兩端電壓小于電動(dòng)機(jī)兩端電壓 C．電爐兩端電壓等于電動(dòng)機(jī)兩端電壓 D．電動(dòng)機(jī)消耗的功率大于電爐的功率 答案　ABD 解析　電爐屬于純電阻元件，電動(dòng)機(jī)屬于非純電阻元件，對(duì)于電爐有：U＝IR，放熱Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R.對(duì)于電動(dòng)機(jī)有：U>IR，放熱Q＝I2Rt，消耗功率P＝UI>I2R. 7．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

16、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＝I2r＝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． 8．如圖1所示，直流電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為R，當(dāng)該電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端電壓為U，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為I，則(　　) 圖1 A．電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)熱功率為I2R B．電動(dòng)機(jī)的

17、機(jī)械功率為IU C．電動(dòng)機(jī)的總功率為IU D．電動(dòng)機(jī)機(jī)械功率為IU－I2R 答案　ACD 9．如圖2所示，電阻R1＝20Ω，電動(dòng)機(jī)的繞線的電阻R2＝10Ω.當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電流表的示數(shù)是0.5A，當(dāng)開關(guān)合上后，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(

18、I1＋I(xiàn)2)＜15W，C錯(cuò)誤、D正確． 10．一臺(tái)電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻為1Ω，接到120V的電源上．當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，電流為10A，問(wèn)： (1)電動(dòng)機(jī)輸入功率是多少； (2)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率是多少； (3)輸出的機(jī)械功率是多少． 答案　(1)1200W　(2)100W　(3)1100W 解析　(1)電動(dòng)機(jī)的輸入功率P電＝UI＝120×10W ＝1200W. (2)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率P熱＝I2r＝102×1W＝100W. (3)輸出的機(jī)械功率P機(jī)＝P電－P熱＝1200W－100W＝1100W. 題組三　綜合應(yīng)用 11．如圖3所示的電路中，電爐電阻R＝10Ω，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻r＝1Ω，電路兩

19、端電壓U＝100V，電流表的示數(shù)為30A，問(wèn)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為多少？通電一分鐘，電動(dòng)機(jī)做的有用功為多少？ 圖3 答案　20A　9.6×104J 解析　題圖中的兩個(gè)支路分別為純電阻電路(電爐)和非純電阻電路(電動(dòng)機(jī))．在純電阻電路中可運(yùn)用歐姆定律I＝直接求出電流，而非純電阻電路中的電流強(qiáng)度只能運(yùn)用干路和支路中電流強(qiáng)度的關(guān)系求出．在非純電阻電路中，電功大于電熱，兩者的差值才是有用功．根據(jù)歐姆定律，通過(guò)電爐的電流強(qiáng)度為I1＝＝A＝10A. 根據(jù)并聯(lián)電路中的干路電流和支路電流的關(guān)系，則通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為I2＝30A－I1＝20A. 電動(dòng)機(jī)的總功率為P＝UI2＝100×20W＝2×103W

20、. 因發(fā)熱而損耗的功率為P′＝I·r＝0.4×103W 電動(dòng)機(jī)的有用功率(機(jī)械功率)為P″＝P－P′＝1.6×103W，電動(dòng)機(jī)通電1min做的有用功為W＝P″t＝1.6×103×60J＝9.6×104J. 12．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)消耗的功率和發(fā)熱的功率． 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＝(

21、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. 13．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)表中提供的信息，探究以下問(wèn)題： 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

22、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．(g取10m/s2) 答案　(1)1.63Ω　85.7%　(2)4m/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%≈85.7% 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≈1.63Ω. (2)設(shè)車的質(zhì)量為m，人的質(zhì)量為M，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)用P出＝F阻vmax 解得vmax＝4m/s. 10