（山東省專用）2018-2019學(xué)年高中物理 第二章 恒定電流 第5節(jié) 焦耳定律講義（含解析）新人教版選修3-1.doc

第5節(jié)焦耳定律1.電功是指電流通過一段電路所做的功，實質(zhì)是靜電力在這段電路中所做的功，其表達(dá)式為WUIt。2電功率是指單位時間內(nèi)電流所做的功，表達(dá)式為P。3焦耳定律的表達(dá)式為QI2Rt，此式適用于任何電路。4非純電阻電路中，由于產(chǎn)熱不可避免，所以非純電阻電路的效率不可能達(dá)到100%。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等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。(2)公式：WIUt。(3)國際單位：焦，符號為J。(4)實質(zhì)：導(dǎo)體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。(5)意義：電流做功的過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程，電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。即電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的量度。2電功率(1)定義：單位時間內(nèi)電流所做的功。(2)公式：PIU。(3)單位：瓦，符號：W。(4)意義：表示電流做功的快慢。二、焦耳定律1內(nèi)容：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時間成正比。2表達(dá)式：QI2Rt。3熱功率(1)定義：單位時間內(nèi)的發(fā)熱量。(2)公式：P熱I2R，單位：瓦特(W)。(3)意義：表示電流發(fā)熱快慢的物理量。1自主思考判一判(1)電功與電能的單位相同，電功就是電能。()(2)電功率越大，電功越大。()(3)1千瓦時3.6106 J。()(4)非純電阻電路中，電熱的表達(dá)式是QI2Rt。()(5)電流流過筆記本電腦時，電功一定等于電熱。()(6)根據(jù)I可導(dǎo)出P，該公式用于任何用電器。()2合作探究議一議(1)用電器額定功率越大，接在電路中電流做的功越多，這樣說法對嗎？提示：不對。電流做功一方面與實際功率有關(guān)，另一方面還與通電時間有關(guān)，只有實際功率與時間乘積大時，電流做功才多。(2)標(biāo)有“220 V40 W”的白熾燈泡和“220 V40 W”的電動機(jī)，把它們并聯(lián)后接到220 V的照明電路中，二者都能正常工作，它們在相同的時間內(nèi)產(chǎn)生的電熱相同嗎？提示：不同。“220 V40 W”的白熾燈通電時將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而“220 V40 W”的電動機(jī)，通電后消耗的電能大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，剩余的小部分才轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。串、并聯(lián)電路中電功率的分析與計算1串聯(lián)電路功率關(guān)系2并聯(lián)電路功率關(guān)系3結(jié)論無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，電路消耗的總功率均等于各負(fù)載消耗的功率之和。典例額定電壓都是110 V，額定功率PA100 W，PB40 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()審題指導(dǎo)(1)兩電燈均正常發(fā)光時，其電壓必為額定電壓。(2)滑動變阻器消耗的功率最小時電路總功率就最小。解析對燈泡有PUI，可知：RARB，對于A電路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110 V，B燈被燒毀，A錯誤。對于B電路，由于RBRA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UBU并，B燈被燒毀，B錯誤。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UAUB110 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UAUB110 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(IAIB)110，而D電路中變阻器功率為(IAIB)110，所以C電路消耗電功率最小。答案C解答串并聯(lián)電路電功率問題應(yīng)注意的兩個問題(1)求解串、并聯(lián)電路中的功率分配問題，比例法求解會使問題簡化，但一定要確定是正比還是反比關(guān)系。(2)當(dāng)分析用電器的功率問題時，一定要注意用電器的安全，即不要超過用電器的額定電壓、額定電流。 1在直流電路中，兩個電阻的阻值之比R1R221，通過的電流之比I1I221，則在相等時間內(nèi)兩個電阻產(chǎn)生的熱量Q1Q2為()A11B21C41D81解析：選D兩個導(dǎo)體的電阻阻值之比是21，通過的電流之比是21，通電時間t相同，則產(chǎn)生的熱量之比2，故D正確。2.如圖所示，電源電壓8 V，閉合開關(guān)后，電流表的示數(shù)為0.2 A，電流表的示數(shù)為0.3 A。試求：(1)R1的電功率；(2)1 min內(nèi)R2消耗的電能。解析：由電路圖可知：I10.2 A，I20.3 A0.2 A0.1 A，(1)P1UI180.2 W1.6 W。(2)QWUI2t80.160 J48 J。答案：(1)1.6 W(2)48 J純電阻電路與非純電阻電路純電阻電路非純電阻電路元件特點電路中只有電阻元件，如電阻、電爐絲、白熾燈電路中除電阻外，還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的用電器，如電動機(jī)、電解槽歐姆定律是否適用適用，I不適用，I能量轉(zhuǎn)化電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：WQUItI2Rtt電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和其他形式的能量：WUIt，QI2Rt，WQW其他功率特點電功率等于熱功率：P電P熱UII2R電功率等于熱功率與其他功率之和：P電UI P熱I2R P電P熱P其他典例規(guī)格為“220 V36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 ，求：(1)接上220 V的電壓后，求排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率；(2)如果接上220 V的電壓后，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。審題指導(dǎo)第一步抓關(guān)鍵點關(guān)鍵點獲取信息排氣扇規(guī)格為“220 V 36 W”接220 V電壓電壓和功率均達(dá)到額定值線圈電阻40 可根據(jù)“220 V36 W”求出I，從而求出P熱接上電源，電動機(jī)不轉(zhuǎn)電路轉(zhuǎn)化為純電阻電路第二步找突破口(1)額定電壓下，電流可據(jù)I求出。(2)機(jī)械功率可通過P機(jī)P電P熱求出。(3)電動機(jī)不工作時，220 V電壓全加在40 電阻上，電動機(jī)此時即為“電阻”。解析(1)排氣扇在220 V的電壓下正常工作時的電流為：I A0.16 A，發(fā)熱功率為：P熱I2R(0.16)240 W1 W。轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為：P機(jī)P電P熱36 W1 W35 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 A5.5 A，電動機(jī)消耗的功率即發(fā)熱功率：P電P熱UI2205.5 W1 210 W。答案(1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W(1)當(dāng)電動機(jī)不轉(zhuǎn)動時，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，此時是一個純電阻元件。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，消耗的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能，此時是非純電阻元件。(2)求解非純電阻電路問題時，注意區(qū)分電功率和熱功率，弄清電功率、熱功率、其他功率的關(guān)系。 1有一個電風(fēng)扇，標(biāo)有“200 V50 W”，電動機(jī)線圈的電阻為0.4 ，把它接入220 V的電路中，以下幾種計算時間t內(nèi)產(chǎn)生熱量的方法中正確的是()AQBQPtCQ2RtD以上三種方法均正確解析：選C通過電風(fēng)扇的電流為I，因為電風(fēng)扇不是純電阻電路，所以其焦耳熱為Q2Rt，而不應(yīng)該是Q或QPt，C正確。2某同學(xué)用如圖所示的電路進(jìn)行電動機(jī)M的輸出功率的研究，其實驗步驟如下所述，閉合開關(guān)后，調(diào)節(jié)滑動變阻器，電動機(jī)未轉(zhuǎn)動時，電壓表的讀數(shù)為U1，電流表的讀數(shù)為I1；再調(diào)節(jié)滑動變阻器，電動機(jī)轉(zhuǎn)動后電壓表的讀數(shù)為U2，電流表的讀數(shù)為I2，則此時電動機(jī)輸出的機(jī)械功率為()AU2I2B. CU2I2U1I1DU2I2解析：選A閉合開關(guān)后，電動機(jī)未轉(zhuǎn)動時，電動機(jī)的內(nèi)阻R；電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，電動機(jī)的電功率P電U2I2，發(fā)熱功率P熱I22R，則電動機(jī)的輸出功率P出P電P熱U2I2，故A正確。3.多選如圖所示，電阻R120 ，電動機(jī)的繞阻R210 。當(dāng)開關(guān)斷開時，電流表的示數(shù)是0.5 A，當(dāng)開關(guān)閉合后，電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來，電路兩端的電壓不變，此時電流表的示數(shù)I和電路消耗的電功率P應(yīng)是()AI1.5 ABI1.5 ACP15 WDP15 W解析：選BD當(dāng)開關(guān)斷開時，根據(jù)UIR算出電源電壓為10 V，開關(guān)閉合后，電阻R1中的電流沒變，電動機(jī)兩端電壓也為10 V。此電壓不可能全部在電動機(jī)的內(nèi)阻上，故電動機(jī)中的電流不可能達(dá)到1 A，所以總電流小于1.5 A。據(jù)PUI可知，電源的功率也小于15 W。選項B、D正確。1下列關(guān)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，說明電流做功越快，則電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多BWUItI2Rtt，對任何電路都適用CUIR對于純電阻和非純電阻電路都適用D焦耳熱QI2Rt適用于任何電路解析：選D電功率越大，表示電流做功越快，但是電路中產(chǎn)生的焦耳熱量的多少還與做功的時間的長短及是否是純電阻電路有關(guān)，所以A錯誤；公式WUIt是計算電路的總功的大小，適用于任何的電路，當(dāng)為純電阻電路時，根據(jù)歐姆定律I，可以推出WI2Rt，Wt，所以WI2Rt，Wt只能適用于純電阻電路，所以B錯誤；UIR只適用于純電阻電路，對非純電阻電路不適用，選項C錯誤；焦耳熱QI2Rt適用于任何電路中的焦耳熱量的計算，所以D正確。2當(dāng)電阻兩端加上某一穩(wěn)定電壓時，通過該電阻的電荷量為0.3 C，消耗的電能為0.9 J。為在相同時間內(nèi)使0.6 C的電荷量通過該電阻，在其兩端需加的電壓和消耗的電能分別是()A3 V,1.8 JB6 V,3.6 JC6 V,1.8 JD3 V,3.6 J解析：選B通過電荷量0.3 C消耗電能0.9 J，所以qIt0.3 C，EUIt0.9 J得到：U3 V；若要在相同時間內(nèi)通過0.6 C電荷量，即電流增大為原來兩倍，電阻不變，根據(jù)I，電壓需提高為原來兩倍，即U2U6 V，消耗電能EUIt4E3.6 J，故B項正確。3如圖為甲、乙兩燈泡的IU圖像，根據(jù)圖像，計算甲、乙兩燈泡并聯(lián)在電壓為220 V的電路中時實際發(fā)光的功率約為()A15 W,30 WB30 W,40 WC40 W,60 WD60 W,100 W解析：選C從圖像的橫坐標(biāo)(U)為220 V的刻度可找出對應(yīng)的縱坐標(biāo)(I)的值分別為I甲0.18 A，I乙0.27 A。則P甲UI甲40 W，P乙UI乙60 W，C正確。4小芳家正在使用的電器有電燈、洗衣機(jī)、電冰箱，小芳從家里的總電能表中測得在時間t內(nèi)消耗的電能為W。設(shè)小芳家的供電電壓為U，總電流為I，上述電器的總電阻為R，總功率為P。下列關(guān)系式正確的是()APBWI2RtCIDP解析：選D由于洗衣機(jī)、電冰箱是非純電阻電路，歐姆定律不成立，所以I不成立，所以關(guān)系式P不成立，故A、C錯誤；公式WI2Rt只能用來求電熱，不能用來求消耗的電能，故B錯誤；公式P普遍適用，故D正確。5如圖所示，把兩個相同的燈泡分別接在甲、乙電路中，甲電路兩端的電壓為8 V，乙電路兩端的電壓為16 V。調(diào)節(jié)變阻器R1和R2使兩燈都正常發(fā)光，此時變阻器消耗的功率分別為P1和P2，兩電路中消耗的總功率分別為P甲和P乙，則下列關(guān)系中正確的是()AP甲<P乙BP甲>P乙CP1>P2DP1P2解析：選D由燈都正常發(fā)光可知，R1中電流是R2中電流二倍，R1兩端電壓是R2兩端電壓的二分之一，兩變阻器消耗的功率相等，兩電路中消耗的總功率相等，選項D正確，A、B、C錯誤。6.如圖所示，有一內(nèi)電阻為4.4 的電解槽和一盞標(biāo)有“110 V60 W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220 V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120 WB電解槽的發(fā)熱功率為60 WC電解槽消耗的電功率為60 WD電路消耗的總功率為60 W解析：選C燈泡能正常發(fā)光，說明電解槽和燈泡均分得110 V電壓，且干路電流II燈，則電解槽消耗的功率PP燈60 W，C對A錯；電解槽的發(fā)熱功率P熱I2R1.3 W，B錯；整個電路消耗的功率P總220 V120 W，D錯誤。7多選電飯鍋工作時有兩種狀態(tài)：一種是鍋內(nèi)水燒開前的加熱狀態(tài)，另一種是鍋內(nèi)水燒開后保溫狀態(tài)。如圖所示是電飯鍋電路原理示意圖，K是感溫材料制造的開關(guān)。下列說法中正確的是()A其中R2是供加熱用的電阻絲B當(dāng)開關(guān)K接通時電飯鍋為加熱狀態(tài)，K斷開時為保溫狀態(tài)C要使R2在保溫狀態(tài)時的功率為加熱狀態(tài)的一半，R1R2應(yīng)為21D要使R2在保溫狀態(tài)時的功率為加熱狀態(tài)時一半，R1R2應(yīng)為(1)1解析：選ABD由P得：當(dāng)接通K時，電阻變小，功率變大，處于加熱狀態(tài)；當(dāng)斷開K時，電阻變大，功率變小，處于保溫狀態(tài)。由上可知，R2是供加熱用的電阻絲，故A、B正確；要使R2在保溫狀態(tài)時的功率為加熱狀態(tài)的一半，由PI2R可得：電阻R2在保溫與加熱狀態(tài)下的電流之比為1 ，所以(R1R2)R21。則R1R2(1)1，故C錯誤，D正確。8多選有兩個燈泡L1、L2，額定電壓皆為6 V，額定功率分別為6 W、3 W，將它們接在電路中，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9 WB若將它們串聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為4.5 WC若將它們并聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為9 WD若將它們并聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為4.5 W解析：選BC當(dāng)兩燈泡串聯(lián)時，電流相等，L1的額定電流為I11 A，電阻R16 ，L2的額定電流為I20.5 A，電阻R212 。要使兩燈泡不致被燒壞，電路中的最大電流為0.5 A，最大功率為PmaxI2R1I2R24.5 W，故A錯，B正確；當(dāng)兩燈泡并聯(lián)時，電壓相等，當(dāng)電壓為6 V時，兩燈皆可正常發(fā)光，此時電路最大功率為9 W，故C正確，D錯誤。9鋰電池因能量密度高、綠色環(huán)保而廣泛使用在手機(jī)等電子產(chǎn)品中?，F(xiàn)用充電器為一手機(jī)鋰電池充電，等效電路如圖所示，充電器電源的輸出電壓為U，輸出電流為I，鋰電池的內(nèi)阻為r，下列說法正確的是()A鋰電池產(chǎn)生的熱功率為UIB充電器的充電效率為100%C電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為UII2rD充電器輸出的電功率為UII2r解析：選C電池產(chǎn)生的熱功率為P損I2r，小于UI，故A錯誤；充電器的充電效率為100%，故B錯誤；充電器輸出的電功率為：P輸出UI，故D錯誤；電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能和熱能，根據(jù)能量守恒定律，有：UII2rP，故PUII2r，故C正確。10.粗細(xì)均勻的金屬環(huán)上A、B、C、D四點把其周長分成四等份，如圖所示，當(dāng)A、B兩點接入電路中時，圓環(huán)消耗的電功率為P；當(dāng)A、D兩點接入電路中時，圓環(huán)消耗的電功率為(電源內(nèi)阻不計)()A3PB. PCPD.P解析：選B設(shè)金屬環(huán)的總電阻為4R，則當(dāng)A、B兩點接入電路中時，等效電阻為R，圓環(huán)消耗的電功率為P；當(dāng)A、D兩點接入電路中時，等效電阻為R1，圓環(huán)消耗的電功率P1P，選項B正確。11一輛電動自行車的銘牌上給出的技術(shù)參數(shù)如下表。質(zhì)量M70 kg的人騎著此電動自行車沿平直公路行駛，所受阻力f恒為車和人總重力的k倍，k0.02。取g10 m/s2。求：規(guī)格后輪驅(qū)動直流永磁鐵電動機(jī)車型26電動自行車額定輸出功率120 W整車質(zhì)量30 kg額定電壓40 V最大載重120 kg額定電流3.5 A(1)此電動自行車的電動機(jī)在額定電壓下正常工作時的效率；(2)僅在電動機(jī)以額定功率提供動力的情況下，人騎車行駛的最大速率；(3)僅在電動機(jī)以額定功率提供動力的情況下，當(dāng)車速v2.0 m/s時，人騎車的加速度大小。解析：(1)由題表可知，電動機(jī)的額定電壓為U040 V，額定電流為I03.5 A，所以電動機(jī)正常工作時的輸入功率為P入U0I0140 W又電動機(jī)的輸出功率為P出120 W所以電動機(jī)的效率為100%85.7%。(2)設(shè)車的質(zhì)量為m，則車行駛時所受阻力為fk(Mm)g當(dāng)達(dá)到最大速度vm時，應(yīng)有P出fvm所以最大速度vm6.0 m/s。(3)當(dāng)車速為v2.0 m/s時，牽引力F60 N設(shè)此時車的加速度大小為a，根據(jù)牛頓第二定律得Ff(Mm)a，解得a0.4 m/s2。答案：(1)85.7%(2)6.0 m/s(3)0.4 m/s212如圖所示，電源電動勢E12 V，內(nèi)阻r3 ，R01 ，直流電動機(jī)內(nèi)阻R01 ，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動變阻器R1時可使甲電路輸出功率最大，調(diào)節(jié)R2時可使乙電路輸出功率最大，且此時電動機(jī)剛好正常工作(額定輸出功率為P02 W)，求R1和R2的值。解析：甲圖中，當(dāng)電路的外電阻等于電源內(nèi)阻時，電路的輸出功率最大，則R1rR0(31)2 此時電流I1 A2 A所以甲電路最大的輸出功率為PI12(R0R1)223 W12 W對于乙圖，輸出的最大功率也為12 W，電流I22 A所以對于乙電路有I22R22 WI22R012 W解得：R21.5 。答案：2 1.5