九年級科學(xué)上冊 第3章 能量的轉(zhuǎn)化與守恒 專題分類突破六 電功電熱綜合計算練習(xí) （新版）浙教版.doc

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專題分類突破六　電功電熱綜合計算 探究點(diǎn)　1　電熱器 【例1】　下圖是一種煲湯用的電熱鍋工作原理圖，其中溫控器的作用是每當(dāng)水沸騰后能自動斷電一段時間。電熱鍋的部分參數(shù)如下表所示。 例1圖 容積 4.5 L 額定電壓 220 V 保溫功率 80 W 加熱功率 500 W 　　(1)三腳插頭上標(biāo)著E的導(dǎo)線和__用電器的金屬外殼__相連，插座上相應(yīng)的導(dǎo)線和__大地__相連。 (2)調(diào)節(jié)切換開關(guān)可以使電熱鍋處于“關(guān)、高溫、自動、保溫”四種工作狀態(tài)，則原理圖中的切換開關(guān)連接觸點(diǎn)“__3__”時為保溫檔。小明發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電熱鍋處于保溫檔正常工作時，不論加熱多長時間，都不能使鍋內(nèi)的湯水沸騰，原因可能是__保溫功率小于(或等于)散熱功率__。 (3)該電熱鍋處于高溫檔正常工作時，使4.5 L的水溫度升高54 ℃需要42 min，那么電熱鍋的效率為多少？[c水＝4.2103J/(kg ℃)] 【答案】 (3)η＝＝＝ ＝＝81% 變式　如圖所示是某家用電壓力鍋及其工作原理圖，R1、R2分別是主加熱器和保壓加熱器，R1的額定功率為800 W；L是用來指示電壓力鍋工作狀態(tài)的變色發(fā)光二極管，當(dāng)通過它的電流小于40 mA時，發(fā)紅光，達(dá)到40 mA時，開始發(fā)綠光，只要有電流通過L其兩端電壓就恒為2 V；R0是特殊電阻，其阻值隨鍋內(nèi)溫度變化而改變；接通電路，開關(guān)S自動與觸點(diǎn)a、b閉合，開始加熱，當(dāng)鍋內(nèi)水溫達(dá)到105 ℃時，S自動與a、b斷開，并與觸點(diǎn)c接通，開始保壓，此時鍋內(nèi)水溫不變，且未沸騰。 變式圖 求：(1)電壓力鍋正常工作時，若指示燈L發(fā)綠光，R0的最大阻值是多少？ (2)當(dāng)鍋內(nèi)氣壓為110 kPa時，鍋內(nèi)氣體對面積為400 cm2的鍋蓋的壓力多大？ (3)在保壓狀態(tài)下，加熱器正常工作1 h耗電0.2 kWh，R2的阻值是多少？ (4)用該壓力鍋對5 L、20 ℃的水加熱，正常工作35 min，水溫升高到多少 ℃？[已知消耗的電能有90%被有效利用，水的比熱容為4.2103J/(kg ℃)] 解：(1)要使指示燈發(fā)綠光，電路中的最小電流I＝40 mA＝0.04 A，L兩端電壓恒為UL＝2 V， 根據(jù)串聯(lián)電路電壓規(guī)律可知，R0兩端電壓： U0＝U額－UL＝220 V－2 V＝218 V； 由I＝得，R0的最大阻值： R0＝＝＝5 450 Ω； (2)鍋內(nèi)氣壓為p＝110 kPa＝1.1105 Pa。鍋蓋面積S＝400 cm2＝0.04 m2， 由p＝得，鍋內(nèi)氣體對鍋蓋的壓力： F＝pS＝1.1105 Pa0.04 m2＝4 400 N。 (3)保壓時，加熱器R2工作，加熱器電功率： P2＝＝＝0.2 kW＝200 W， 由P＝得，R2的阻值： R2＝＝＝242 Ω； (4)假設(shè)電壓力鍋在35 min內(nèi)一直處于加熱狀態(tài)， 則水吸收的熱量： Q吸＝η(P1＋P2)t ＝90%(800 W＋200 W)3560 s ＝1.89106 J， 水的體積V水＝5 L＝5 dm3＝510－3 m3， 水的質(zhì)量：m水＝ρ水V水＝1.0103 kg/m3510－3 m3＝5 kg， 由Q吸＝c水m水(t－t0)得，水的末溫： t＝t0＋ ＝20 ℃＋ ＝110 ℃， 由于鍋內(nèi)水溫達(dá)到105 ℃時，壓力鍋處于保壓狀態(tài)，溫度保持不變， 所以吸熱后水溫升高到105 ℃。 探究點(diǎn)　2　電動機(jī) 【例2】　如圖所示的電動機(jī)是一種使用廣泛的動力機(jī)械，從能量轉(zhuǎn)化的角度看。它主要是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，還有一部分能量在線圈中以熱量的形式散失掉?，F(xiàn)有一臺電動機(jī)，當(dāng)電動機(jī)兩端加220 V電壓時，通過電動機(jī)線圈的電流為50 A。問： (1)每分鐘該電動機(jī)消耗的電能是多少？ (2)已知電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的熱量Q＝I2Rt(其中I、R和t分別表示通過導(dǎo)體的電流、導(dǎo)體的電阻和通電時間)，若該電動機(jī)線圈的電阻是0.4 Ω，則線圈每分鐘產(chǎn)生的熱量是多少？ (3)這臺電動機(jī)每分鐘所做的機(jī)械功是多少？ 例2圖 解：(1)根據(jù)公式W電＝UIt＝220 V50 A60 s＝660 000 J　(2)Q＝I2Rt＝(50 A)20.4 Ω60 s＝60 000 J (3)機(jī)械功等于消耗的電能減去產(chǎn)生的熱量：W機(jī)＝W電－Q＝660 000 J－60 000 J＝600 000 J 變式　某工地用電動起重機(jī)吊起重物，重物的質(zhì)量m＝400 kg，電源提供的電壓U＝220 V，不計一切摩擦。當(dāng)電動起重機(jī)以v＝0.1 m/s的恒定速度向上提升重物時，電路中的電流I＝2 A。(g取10 N/kg) (1)電動機(jī)線圈的電阻R是多少？ (2)電動機(jī)勻速提升質(zhì)量m′＝200 kg的重物，電動機(jī)的輸入功率不變，提升速度是多少？ 變式圖 解：(1)電動機(jī)的輸出功率： P出＝Fv＝Gv＝mgv＝400 kg10 N/kg0.1 m/s＝400 W， 電動機(jī)的輸入功率： P入＝UI＝220 V2 A＝440 W， 根據(jù)能量守恒定律得，電動機(jī)線圈的發(fā)熱功率： PR＝P入－P出＝440 W－400 W＝40 W， 由P＝I2R可得，電動機(jī)線圈的電阻： R＝＝＝10 Ω； (2)因電動機(jī)的輸入功率不變時，發(fā)熱功率不變， 所以，輸出功率不變，則提升重物的速度： v′＝＝＝＝＝0.2 m/s。 1．圖甲是用來焊接PVC塑料管道的熱容器外觀照片。其內(nèi)部電路如圖乙，S1是手動電源開關(guān)。S2是溫控開關(guān)，作用是完成“加熱模式”和“保溫模式”之間的切換。L是指示燈(在S1閉合情況下L始終能正常發(fā)光，燈絲電阻不變)，R1是限流電阻。表中是相關(guān)元件的物理參數(shù)。 第1題圖 (元件)項(xiàng)目 參數(shù) 電源電壓 220 V 加熱功率 1 210 W(不含L及R的功率) L燈 0.1 A　2 W R2 202 Ω (1)求R1的阻值； (2)求保溫功率(不含L和R1的功率)； (3)某次熱容器在正常加熱狀態(tài)，需要將80 g的PVC塑料從溫室20 ℃加熱到170 ℃，加熱效率為60%，請計算需要加熱的時間。(PVC塑料的比熱容為1.2103 J/(kg℃)，結(jié)果保留一位小數(shù)) 解：(1)由圖可知，燈L與R1串聯(lián)在照明電路中，L正常發(fā)光， 因串聯(lián)電路中各處的電流相等， 所以，由P＝UI可得，燈泡L的額定電壓： UL＝＝＝20 V， 因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和， 所以，R1兩端的電壓： U1＝U－UL＝220 V－20 V＝200 V， 由I＝得，R1的阻值： R1＝＝＝2 000 Ω； (2)S2閉合時，電阻R2被短路，只有電熱絲R3工作，總電阻最小，處于加熱狀態(tài)， 由P＝可得，R3的阻值： R3＝＝＝40 Ω， S2斷開時，電阻R2與R3串聯(lián)，總電阻最大，處于保溫狀態(tài)， 因串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和， 所以，保溫功率： P保＝＝＝200 W； (3)PVC塑料吸收的熱量： Q吸＝cm(t－t0)＝1.2103 J/(kg℃) 8010－3 kg(170 ℃－20 ℃)＝14 400 J， 由η＝100%可得，消耗的電能： W＝＝＝24 000 J， 由P＝可得，需要的加熱時間： t′＝＝＝19.8 s。 2．某同學(xué)根據(jù)如圖所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：先用夾子夾住電動機(jī)轉(zhuǎn)軸使其不能轉(zhuǎn)動，閉合開關(guān)S，移動滑動變阻器滑片，記下電壓表讀數(shù)和電流表讀數(shù)，后松開夾子，使電動機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，移動滑動變阻器滑片，記下電壓表讀數(shù)和電流表讀數(shù)。數(shù)據(jù)記錄如下： U(V) I(A) W(J) Q(J) 不轉(zhuǎn)動 0.2 0.2 W1 Q1 轉(zhuǎn)動 3.0 1.2 W2 Q2 利用上表數(shù)據(jù)計算和分析： (1)電動機(jī)不轉(zhuǎn)動時，通電10 s，電動機(jī)所做的電功W1和所產(chǎn)生的熱量Q1。 (2)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，通電10 s，電動機(jī)所做的電功W2和所產(chǎn)生的熱量Q2。 (3)試比較W1和Q1的大小關(guān)系以及W2和Q2的大小關(guān)系，并分析其原因。 第2題圖 解：(1)W1＝U1I1t＝0.2 V0.2 A10 s＝0.4 J； R＝U1/I1＝0.2 V/0.2 A＝1 Ω Q1＝I2Rt＝(0.2 A)21 Ω10 s＝0.4 J (2)W2＝U2I2t＝3.0 V1.2 A10 s＝36 J； Q2＝IRt＝(1.2 A )21 Ω10 s＝14.4 J (3)W1＝Q1；W2>Q2電動機(jī)卡住了是純電阻電路，電能全部轉(zhuǎn)化成電熱，所以W1＝Q1 電動機(jī)轉(zhuǎn)動時是非純電阻電路，電能部分轉(zhuǎn)化成電熱，大部分轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，所以W2>Q2 3．如圖所示是小金研究電動機(jī)轉(zhuǎn)動是否對小燈泡的亮度有影響的電路圖，開始小金先抓住轉(zhuǎn)軸合上開關(guān)，觀察小燈泡的亮度，接著放開轉(zhuǎn)軸讓電動機(jī)轉(zhuǎn)動，繼續(xù)觀察小燈泡亮度的變化(已知：小燈泡的電阻為R，電動機(jī)線圈電阻為r，電源電壓為U)，由此請你回答： (1)在電動機(jī)未轉(zhuǎn)動時，t時間內(nèi)電流在電路中產(chǎn)生的熱量為__Q＝t__(填寫表達(dá)式)； (2)在電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，電流所做的功__大于__電流在電路中產(chǎn)生的熱量(選填“大于”“等于”或“小于”)； (3)小金判斷電動機(jī)轉(zhuǎn)動后小燈泡會更亮，你認(rèn)為小金的判斷正確嗎？并根據(jù)學(xué)過的知識加以解釋。 第3題圖 【答案】 (3)電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，電動機(jī)會消耗一部分能量，使得電功轉(zhuǎn)化而成的內(nèi)能減小，故燈泡的亮度會變暗，所以小金的判斷是錯誤的。 4．某校科技小組的同學(xué)們用PTC元件(即半導(dǎo)體陶瓷材料)制作了一個電加熱保溫杯。常溫下的涼開水放在杯內(nèi)可加熱至60 ℃，并利用這種元件的特性設(shè)定保溫溫度為60 ℃。已知所用的PTC元件的阻值Rr隨溫度的變化關(guān)系如圖甲所示，使用時PTC元件如圖乙所示接入家庭電路中。 第4題圖 請回答下列問題： (1)當(dāng)溫度為60 ℃時，電路中的電流是__22__mA，通電1 min，PTC元件消耗的電能是__290.4__J。 (2)PTC元件的最大電功率是__24.2__W。 (3)保溫杯可以利用PTC元件的特性進(jìn)行保溫的原理是：當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時，PTC元件發(fā)熱功率等于散熱功率(即在相同時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量與散失的熱量相等)，溫度保持不變。從圖甲可以看出，①當(dāng)它的溫度高于60 ℃時，　電阻增大，根據(jù)P＝，它的發(fā)熱功率減小，發(fā)熱功率小于散熱功率　，溫度下降；②當(dāng)溫度低于60 ℃時，　電阻減小，同理，它的發(fā)熱功率增大，發(fā)熱功率大于散熱功率　，溫度上升。因此保溫杯中的水可以保持在60 ℃左右。