（京津瓊魯專用）2018-2019學年高中物理 第二章 恒定電流 5 焦耳定律學案 新人教版必修2

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1、 5　焦耳定律 [學科素養(yǎng)與目標要求] 物理觀念：1.理解電功、電功率、電熱、熱功率的概念.2.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點和區(qū)別. 科學思維：弄清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系，并能進行有關的計算. 一、電功和電功率 1.電功 (1)電功是指電路中靜電力對定向移動的電荷所做的功，電流做功的過程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程. (2)電功的計算公式：W＝IUt. 單位：焦耳，符號為J. 常用的單位：千瓦時(kW·h)，也稱“度”，1kW·h＝3.6×106J. 2.電功率 (1)定義：單位時間內(nèi)電流所做的功. (2)公式：P＝＝UI. (3)單位：

2、瓦特，符號為W. (4)意義：表示電流做功的快慢. 二、焦耳定律 1.焦耳定律 (1)內(nèi)容：電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻及通電時間成正比. (2)表達式：Q＝I2Rt. 2.熱功率 (1)定義：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量稱為熱功率. (2)表達式：P＝I2R. (3)物理意義：表示電流發(fā)熱快慢的物理量. 1.判斷下列說法的正誤. (1)電功率越大，表示電流做功越多.(　×　) (2)電功W＝UIt可以用來計算所有電路中電流所做的功.(　√　) (3)電熱Q＝I2Rt可以用來計算所有含有電阻的電路中產(chǎn)生的焦耳熱.(　√　) (4)任何情況下電功

3、都等于電熱.(　×　) (5)電動機消耗的電能，一部分轉(zhuǎn)化為機械能，一部分轉(zhuǎn)化為線圈內(nèi)阻上的電熱.(　√　) 2.通過電阻R的電流為I時，在時間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q，若電阻為2R，電流為，則在時間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為. 答案　 解析　根據(jù)Q＝I2Rt得，若電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，電流變?yōu)樵瓉淼?，時間不變，則Q′＝2·2R·t＝I2Rt＝Q. 一、電功和電熱的理解 電吹風工作時，將電能轉(zhuǎn)化為什么能？電熨斗工作時，將電能轉(zhuǎn)化為什么能？ 答案　電吹風工作時，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和機械能.電熨斗工作時，將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能. 1.純電阻電路與非純電阻電路 (1)純電阻電路：電流通過純電阻電

4、路做功時，電能全部轉(zhuǎn)化為導體的內(nèi)能. (2)非純電阻電路：含有電動機或電解槽等的電路稱為非純電阻電路.在非純電阻電路中，電流做的功將電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機械能或化學能等其他形式的能. 2.W＝UIt是電功的計算式，P＝UI是電功率的計算式，適用于任何電路. Q＝I2Rt是電熱的計算式，可以計算任何電路中電流I通過電阻R時在t時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，P熱＝I2R是熱功率的計算式，可以計算任何電路的熱功率. 3.純電阻電路和非純電阻電路的比較 純電阻電路 非純電阻電路 能量轉(zhuǎn)化情況 電功和電熱的關系 W＝Q即IUt＝I2Rt＝t W＝Q＋E其他 UIt＝I2R

5、t＋E其他 電功率和熱功率的關系 P＝P熱，即IU＝I2R＝ P＝P熱＋P其他 即IU＝I2R＋P其他 歐姆定律是否成立 U＝IR　I＝成立 U＞IR　I＜不成立 例1　(多選)下列關于電功、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 答案　BCD 解析　電功率公式P＝，表示電功率越大，電流做功越快.對于一段電路，有P＝IU，I＝，焦耳熱Q＝()2Rt，可見Q與P、U

6、、t、R都有關，所以P越大，Q不一定越大，A錯. 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. Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路，D對. 1.只有在純電阻電路中才有W＝Q，P電＝P熱，而在非純電阻電路中W＞Q，P電＞P熱. 2.在純電阻電路中，由UIt＝I2Rt得I＝，即歐姆定律成立；在非純電阻電路中，由UIt＞I2Rt知U＞IR，即歐姆定律不成立. 二、純電阻電路中的功率分配及計算 例2　額定電壓都是110V，額定功率PA＝100W、PB＝40W

7、的兩盞燈泡，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，就要判斷燈泡兩端的電壓是否是額定電壓，或流過燈泡的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＜RB，所以UB＞UA，且有UB＞110V，B燈可能被燒毀，UA＜110V，A燈不能正常發(fā)光. 對于B電路，由于RB＞RA，A燈又并聯(lián)滑動變阻器，并聯(lián)電阻小于RB，所以UB＞U并，B燈可能被燒毀，A燈不能正常發(fā)光. 對于C電路，B燈與滑動變阻器并聯(lián)，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

8、. 對于D電路，若滑動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兩個電路，由于C電路中滑動變阻器功率為(IA－IB)×110V，而D電路中滑動變阻器功率為(IA＋IB)×110V，所以C電路消耗電功率最小. 1.串聯(lián)、并聯(lián)電路的功率分配(純電阻電路) (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. 2.計算純電阻電路的功率時，可以用P＝UI，也可以用P＝I2R或P＝.做題時要根據(jù)題目靈活選用. 三、非純電阻電路功率的分析與計算 例3　小型直流電動機

9、(其線圈內(nèi)阻為r＝1Ω)與規(guī)格為“4V　4W”的小燈泡并聯(lián)，再與阻值為R＝5Ω的電阻串聯(lián)，然后接至U＝12V的電源上，如圖1所示，小燈泡恰好正常發(fā)光，電動機正常工作，求： 圖1 (1)通過電動機的電流； (2)電動機的輸出功率P出； (3)電動機的效率. 答案　(1)0.6A　(2)2.04W　(3)85% 解析　(1)流經(jīng)燈泡的電流 IL＝＝A＝1A 流經(jīng)電阻R的電流 IR＝＝A＝1.6A 流經(jīng)電動機的電流I＝IR－IL＝0.6A. (2)電動機消耗的總功率P′＝ULI＝4×0.6W＝2.4W 電動機的熱功率 P熱＝I2r＝(0.6)2×1W＝0.36W 電動

10、機的輸出功率P出＝P′－P熱＝2.4W－0.36W＝2.04W (3)電動機的效率： η＝×100%＝×100%＝85%. 針對訓練1　規(guī)格為“220V　36W”的排氣扇，線圈電阻為40Ω，求： (1)接220V的電源后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機械能的功率和發(fā)熱的功率； (2)如果接上(1)中電源后，扇葉卡住，不能轉(zhuǎn)動，假設線圈未被燒斷，求電動機消耗的功率和發(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的電流為I＝＝A≈0.16A. 發(fā)熱的功率為P熱＝I2R＝(0.16)2×40W≈1W. 轉(zhuǎn)化為機械能的功率為 P

11、機＝P－P熱＝(36－1) W＝35W. (2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動后，電動機所在電路成為純電阻電路，電流做的功全部轉(zhuǎn)化為電熱，此時電動機中電流為I′＝＝A＝5.5A. 電動機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. 1.電動機的功率和效率 (1)電動機的輸入功率是電動機消耗的總功率，P入＝UI. (2)電動機的熱功率是線圈上電阻的發(fā)熱功率，P熱＝I2r. (3)電動機的輸出功率是電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能的功率，P出＝IU－I2r. (4)電動機的效率：η＝×100%＝×100%. 2.串、并聯(lián)電路的總功率 (1)串聯(lián)電路：

12、P總＝U總I＝(U1＋U2＋U3＋…)I＝P1＋P2＋P3＋… (2)并聯(lián)電路：P總＝UI總＝U(I1＋I2＋I3＋…)＝P1＋P2＋P3＋… 即無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，無論是純電阻電路還是非純電阻電路，電路消耗的總功率均等于電路中各電阻消耗的功率之和. 針對訓練2　如圖2所示，有一內(nèi)電阻為4.4Ω的電解槽和一盞標有“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(　　) 圖2 A.電解槽消耗的電功率為120W B.電解槽的發(fā)熱功率為60W C.電解槽消耗的電功率為60W D.電路消耗的總功率為60W 答案　C 解析　燈泡正常發(fā)光，

13、說明電解槽和燈泡均分得110V電壓，且干路電流I＝I燈＝A，則電解槽消耗的電功率P＝P燈＝60W，A錯，C對；電解槽的發(fā)熱功率P熱＝I2R內(nèi)≈1.3W，B錯；整個電路消耗的總功率P總＝220×W＝120W，D錯. 1.(對電功率的理解)如圖3所示，一幢居民樓里住著生活水平各不相同的24戶居民，所以整幢居民樓里有各種不同的電器，例如電爐、電視機、微波爐、電風扇等.停電時，用歐姆表測得A、B間電阻為R；供電后，各家電器同時使用，測得A、B間電壓為U，進線電流為I，則計算該幢居民樓用電的總功率可以用的公式是(　　) 圖3 A.P＝I2R B.P＝ C.P＝IU D.P＝I2R＋ 答

14、案　C 解析　家用電器中有純電阻也有非純電阻，故總電功率只能用P＝UI來計算，C正確. 2.(對焦耳定律的理解)(多選)一臺電動機的線圈電阻與一只電爐的電阻相同，都通過相同的電流且正常工作，在相同時間內(nèi)(　　) A.電爐放熱與電動機放熱相等 B.電爐兩端電壓小于電動機兩端電壓 C.電爐兩端電壓等于電動機兩端電壓 D.電動機消耗的功率大于電爐消耗的功率 答案　ABD 3.(純電阻電路中功率的分配及計算)把6個相同的電燈接成如圖4甲、乙所示兩電路，通過調(diào)節(jié)供電電壓與變阻器R1、R2的阻值，使兩組電燈均能正常發(fā)光，并且兩電路消耗的總電功率也相同，則R1、R2大小滿足(　　) 圖

15、4 A.R2＝9R1 B.R2＝6R1 C.R2＝3R1 D.R1＝R2 答案　A 解析　設每個燈泡正常發(fā)光時其電流為I，則題圖甲中總電流為3I，題圖乙中總電流為I；要使兩電路消耗的總電功率也相同，需使PR1＝PR2，即(3I)2R1＝I2R2，故R2＝9R1，所以選項A正確. 4.(非純電阻電路中功率的分析與計算)一臺小型電動機在380V電壓下正常工作時，能將30kg的貨物在30s內(nèi)勻速提升30m，通過它的電流是1A.除電動機線圈生熱，其他能量損失不計，求在此過程中：(g取10N/kg) (1)拉力對貨物做功的功率； (2)電動機的輸出功率； (3)電動機線圈所產(chǎn)生的熱量.

16、 答案　(1)300W　(2)300W　(3)2400J 解析　(1)貨物勻速上升，故拉力等于重力，故有F＝mg＝30×10N＝300N， 上升的速度為v＝＝m/s＝1 m/s， 故拉力的功率為P＝Fv＝300×1W＝300W. (2)電動機的輸出功率為P輸出＝P＝300W. (3)由能量守恒定律可知 Q＝IUt－P輸出t＝(1×380×30－300×30) J＝2400J. 一、選擇題 考點一　對電功和電熱的理解 1.關于電功W和電熱Q的說法正確的是(　　) A.在任何電路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，且W＝Q B.在任何電路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt

17、，但W不一定等于Q C.W＝UIt、Q＝I2Rt均只有在純電阻電路中才成立 D.W＝UIt在任何電路中都成立，Q＝I2Rt只在純電阻電路中才成立 答案　B 解析　W＝UIt是電功的定義式，適用于任何電路，Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，也適用于任何電路，如果是純電阻電路，則W＝Q，在非純電阻電路中W>Q，B對，A、C、D錯. 2.室內(nèi)有幾種用電器：1.5kW的電飯煲、200W的電冰箱、750W的取暖器、250W的電視機和2kW的空調(diào)器.如果進線處有13A的保險絲，供電電壓為220V，下列情況下不可以同時使用的是(　　) A.電飯煲和電冰箱 B.取暖器和空調(diào)器 C.電飯煲和空調(diào)器

18、 D.電冰箱、電視機和空調(diào)器 答案　C 解析　電路中允許的最大功率為Pm＝UI＝2860W.用電器的功率之和大于Pm時，用電器就不可以同時使用，故選C. 3.夏天空調(diào)器正常工作時，制冷狀態(tài)與送風狀態(tài)交替運行.一空調(diào)器在不同工作狀態(tài)下電功率隨時間變化的關系如圖1所示，此空調(diào)器運行1小時用電(　　) 圖1 A.1.0度 B.1.5度 C.2.0度 D.2.5度 答案　B 解析　從題圖可以看出，在1小時內(nèi)，空調(diào)器以0.5kW工作的時間為20分鐘，以2kW工作的時間為40分鐘，故此空調(diào)器運行1小時用電： P1t1＋P2t2＝kW·h＝1.5kW·h＝1.5度，故選B. 4.加在

19、某電動機上的電壓是U，電動機消耗的電功率為P，電動機線圈的電阻為r，則電動機線圈上消耗的熱功率為(　　) A.PB.C.D.P－ 答案　C 解析　因為P＝IU，I＝，所以P熱＝2r，故選C. 考點二　純電阻電路中的功率分配及計算 5.如圖2所示為某兩個電阻的U－I圖象，則R1∶R2的值、把兩電阻串聯(lián)后接入電路時消耗功率之比P1∶P2、把兩電阻并聯(lián)后接入電路時消耗功率之比P1′∶P2′分別是(　　) 圖2 A.2∶1　2∶1　1∶2 B.2∶1　1∶2　2∶1 C.1∶2　1∶2　2∶1 D.1∶2　2∶1　1∶2 答案　A 6.(多選)有兩個燈泡L1、L2，額定電壓

20、皆為6V，額定功率分別為6W、3W，將它們接在電路中，兩燈泡均不被燒壞，下列說法正確的是(　　) A.若將它們串聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為9W B.若將它們串聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為4.5W C.若將它們并聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為9W D.若將它們并聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為4.5W 答案　BC 解析　當兩燈泡串聯(lián)時，電流相等，L1的額定電流為I1＝＝1A，電阻R1＝＝6Ω，L2的額定電流為I2＝＝0.5A，電阻R2＝＝12Ω.要使兩燈泡均不被燒壞，電路中的最大電流為0.5A，最大功率為Pmax＝I22R1＋I22R2＝4.5W，故A錯誤，B正確

21、；當兩燈泡并聯(lián)時，電壓相等，當電壓為6V時，兩燈泡皆可正常發(fā)光，此時兩燈泡的總功率最大為9W，故C正確，D錯誤. 7.(2018·山東聊城市高一下期末)A、B為“220V　100W”的兩盞相同的燈泡，C、D為“220V　40W”的兩盞相同的燈泡.現(xiàn)將四盞燈泡接成如圖3所示的電路，并將兩端接入電路，各燈實際功率分別為PA、PB、PC、PD，各燈實際功率都沒有超過它們的額定功率.則實際功率的大小關系為(　　) 圖3 A.PA＝PB，PC＝PD B.PA＝PD＞PB＝PC C.PD＞PA＞PB＞PC D.PB＞PC＞PD＞PA 答案　C 解析　根據(jù)R＝得，RA＝RB＜RC＝RD.

22、由題圖知，UB＝UC，根據(jù)P＝知PB＞PC；因為IA＝ID，根據(jù)P＝I2R知，PD＞PA.通過A、D的電流大于通過B、C的電流，由P＝I2R知，PA＞PB，PD＞PC，所以PD＞PA＞PB＞PC. 8.(2018·衡中微山分校高一下期末)粗細均勻的金屬環(huán)上ACBD四點把周長分成四等分，如圖4所示，當A、B點接入電路時，圓環(huán)消耗的電功率為P；當A、D點接入電路中時，圓環(huán)消耗的電功率為(電源為恒壓電源)(　　) 圖4 A. B.P C. D.3P 答案　C 解析　將圓環(huán)四等分，每一等分的電阻設為R，則當A、B點接入電路中時總電阻R1＝R，當A、D點接入電路中時總電阻R2＝＝R；由P

23、＝，得P2∶P1＝R1∶R2＝4∶3，又P1＝P，得P2＝，故選C. 考點三　非純電阻電路中功率的分析與計算 9.電阻R和電動機串聯(lián)接到電路中，如圖5所示，已知電阻R跟電動機線圈的電阻值相等，開關接通后，電動機正常工作.設電阻R和電動機兩端的電壓分別為U1和U2，經(jīng)過時間t，電流通過電阻R做功為W1，產(chǎn)生熱量為Q1，電流通過電動機做功為W2，產(chǎn)生熱量為Q2，則有(　　) 圖5 A.U1＜U2，Q1＝Q2 B.U1＝U2，Q1＝Q2 C.W1＝W2，Q1＞Q2 D.W1＜W2，Q1＜Q2 答案　A 解析　電動機正常工作時的電路是非純電阻電路，其兩端電壓U2＞IR＝U1，B錯；電

24、流做的功W1＝IU1t，W2＝IU2t，因此，W1＜W2，C錯；由Q＝I2Rt可判斷產(chǎn)生的熱量Q1＝Q2，A對，D錯. 10.有一臺電風扇，額定電壓為220V，額定電功率為50W，線圈電阻為0.4Ω.當電風扇在額定電壓下工作時，關于它的線圈電阻每分鐘產(chǎn)生的熱量是多少，有四位同學計算如下，其中正確的是(　　) A.Q＝I2Rt＝2×0.4×60J≈1.24J B.Q＝Pt＝50×60J＝3000J C.Q＝IUt＝×220×60J＝3000J D.Q＝t＝×60J＝7.26×106J 答案　A 解析　電風扇正常工作時產(chǎn)生的熱量是由于線圈發(fā)熱產(chǎn)生的，所以每分鐘產(chǎn)生的熱量為Q＝I2Rt

25、≈1.24J，A正確. 11.(多選)日常生活用的電吹風中有電動機和電熱絲，電動機帶動風葉轉(zhuǎn)動，電熱絲給空氣加熱，得到的熱風可將頭發(fā)吹干.設電動機線圈的電阻為R1，它與電阻為R2的電熱絲相串聯(lián)，接到直流電源上，電吹風機兩端電壓為U，通過的電流為I，消耗的電功率為P，則以下選項正確的是(　　) A.IU＞P B.IU＝P C.P＞I2(R1＋R2) D.P＝I2(R1＋R2) 答案　BC 解析　根據(jù)電功率的定義式P＝UI，可知A錯誤，B正確.消耗的電功率分為三部分：線圈消耗的熱功率、電熱絲消耗的熱功率、電動機工作時的輸出功率，故C正確，D錯誤. 二、非選擇題 12.有一個小

26、型直流電動機，把它接入電壓為U1＝0.2V的電路中時，電動機不轉(zhuǎn)，測得流過電動機的電流是I1＝0.4A；若把電動機接入U2＝2.0V的電路中，電動機正常工作，工作電流是I2＝1.0A，求： (1)電動機正常工作時的輸出功率多大？ (2)如果在電動機正常工作時，轉(zhuǎn)子突然被卡住，此時電動機的發(fā)熱功率是多大？ 答案　(1)1.5W　(2)8W 解析　(1)U1＝0.2 V時，電動機不轉(zhuǎn)，此時為純電阻電路，故電動機線圈內(nèi)阻r＝＝ Ω＝0.5 Ω；U2＝2.0 V時，電動機正常工作，此時為非純電阻電路，則由電功率與熱功率各自的定義式，得P電＝U2I2＝2.0×1.0 W＝2 W. P熱＝I22

27、r＝1.02×0.5 W＝0.5 W. 電動機的輸出功率 P出＝P電－P熱＝2 W－0.5 W＝1.5 W. (2)若電動機正常工作時，轉(zhuǎn)子突然被卡住，則又變成了純電阻電路，其熱功率P熱′＝＝ W＝8 W. 13.如圖6所示，A為電解槽，N為電爐，恒定電壓U＝12V，電解槽內(nèi)阻rA＝2Ω，當S1閉合、S2斷開時，電流表的示數(shù)為6A；當S2閉合、S1斷開時，電流表的示數(shù)為4A，求：(電流表內(nèi)阻不計) 圖6 (1)電爐的電阻及發(fā)熱功率各多大？ (2)在電解槽工作時，電能轉(zhuǎn)化為化學能的功率為多少？ 答案　(1)2Ω　72W　(2)16W 解析　(1)電爐為純電阻元件，由歐姆定律得I1＝，則R＝＝Ω＝2Ω，其發(fā)熱功率為：PN＝UI1＝12×6W＝72W. (2)電解槽為非純電阻元件，發(fā)熱功率為：P熱＝I22rA＝42×2W＝32W，總功率為：P總＝UI2＝12×4W＝48W，故電能轉(zhuǎn)化為化學能的功率為：P化＝P總－P熱＝(48－32) W＝16W. 13