高中物理 第二章 恒定電流 5 焦耳定律學(xué)案 新人教版選修3-1

1、5焦耳定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.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、電功和電功率導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，已知電路兩端的電勢(shì)差為U，電路中的電流為I，在t時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體某截面的電荷量是多少？把這些電荷從左端移到右端，靜電力做功是多少？圖1答案ItIUt知識(shí)梳理1.電功(1)電功是指電路中靜電力對(duì)定向移動(dòng)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(jì)算公式：WIUt.單位：焦耳，符號(hào)為J.常用的單位：千瓦時(shí)(kWh)，也稱“度”，1 kWh3.6106 J.2.電功率(1

2、)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功.(2)公式：PUI.(3)單位：瓦，符號(hào)：W.(4)意義：表示電流做功的快慢.即學(xué)即用判斷下列說法的正誤.(1)電流做功的實(shí)質(zhì)是靜電力對(duì)電荷做功.()(2)電功率越大，表示電流做功越多.()(3)某導(dǎo)體兩端電壓為10 V，當(dāng)通過2 C的電荷時(shí)，電流做功的功率為20 W.()二、焦耳定律導(dǎo)學(xué)探究(1)某一電路中只含有某一電阻元件，即白熾燈、電動(dòng)機(jī)、電爐、電容器、電熨斗、電飯鍋、電解槽其中的一種，分析哪些屬于純電阻電路，哪些屬于非純電阻電路.(2)純電阻電路中，消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？對(duì)于含電動(dòng)機(jī)的電路，消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？答案(1)純電阻電路有：白

3、熾燈、電爐、電熨斗、電飯鍋；非純電阻電路有：電動(dòng)機(jī)、電容器、電解槽(2)內(nèi)能內(nèi)能和機(jī)械能知識(shí)梳理1.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(shí)間成正比.(2)表達(dá)式：QI2Rt.2.熱功率(1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量稱為熱功率.(2)表達(dá)式：PI2R.3.純電阻電路與非純電阻電路(1)純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能.(2)非純電阻電路：含有電動(dòng)機(jī)或電解槽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(jī)械能或化學(xué)能.(3)電功和電熱的計(jì)算公式比較純電阻電路非純電阻電路電功和電功率WU

4、ItI2RttP電UII2RWUItP電UI電熱和熱功率QI2RtUIttP熱I2RUIQI2RtP熱I2R電功和電熱關(guān)系WQWQE其他Q電功率和熱功率關(guān)系P電P熱P電P熱P其他P熱歐姆定律是否適用I，適用UIR，不適用即學(xué)即用判斷下列說法的正誤.(1)電功一定等于電熱.()(2)電動(dòng)機(jī)消耗了電能，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一部分轉(zhuǎn)化為線圈內(nèi)阻上的電熱.()(3)電熱QI2Rt可以用來計(jì)算所有含有電阻的電路中產(chǎn)生的焦耳熱.()(4)電功WUIt可以用來計(jì)算所有電路中電流所做的功.()一、電功、電熱電功率、熱功率公式的比較例1(多選)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，電

5、流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多B.WUIt適用于任何電路，而WI2Rtt只適用于純電阻電路C.在非純電阻電路中，UII2RD.焦耳熱QI2Rt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PIU，I，焦耳熱Q()2Rt，可見Q與P、U、t、R都有關(guān)，所以P越大，Q不一定越大，A錯(cuò).WUIt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WQ，即UII2R，C對(duì).QI2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路，D對(duì).1.WUIt是電功的計(jì)算式，P電UI是電功率的計(jì)算式，適用于任何電路.

6、QI2Rt是電熱的計(jì)算式，可以計(jì)算任何電路中電流I通過電阻R時(shí)在t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，P熱I2R是熱功率的計(jì)算式，可以計(jì)算任何電路的熱功率.2.只有在純電阻電路中才有WQ，P電P熱而在非純電阻電路中WQ，P電P熱.3.在純電阻電路中，由UItI2Rt得I，即歐姆定律成立；在非純電阻電路中UItI2Rt知UIR，即歐姆定律不成立.二、純電阻電路中的功率分配及計(jì)算例2額定電壓都是110 V、額定功率PA100 W、PB40 W的燈泡兩盞，若接在電壓為220 V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，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，

7、對(duì)燈泡有PUI，可知RARB.對(duì)于A電路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110 V，B燈被燒毀，UA110 V，A燈不能正常發(fā)光.對(duì)于B電路，由于RBRA，A燈又并聯(lián)滑動(dòng)變阻器，并聯(lián)電阻小于RB，所以UBU并，B燈燒毀.對(duì)于C電路，B燈與滑動(dòng)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(duì)于D電路，若滑動(dòng)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(gè)電路，由于C電路中滑動(dòng)變阻器功率為(IAIB)110 V，而D電路中滑動(dòng)變阻器功率為(IAIB)110 V，所以C電路消耗電功率最小.1.串聯(lián)、并聯(lián)電阻的功率分配(1)

8、串聯(lián)電路：，(由PI2R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(jì)算純電阻電路的功率時(shí)，可以用PUI，也可以用PI2R或P.做題時(shí)要根據(jù)題目靈活選用.針對(duì)訓(xùn)練1(多選)有三個(gè)電阻的阻值及額定功率分別為R110 、P110 W，R220 、P280 W，R35 、P320 W，它們組成的電路如圖2甲、乙、丙所示，關(guān)于各圖的說法正確的是()圖2A.圖甲兩端允許加的最大電壓為60 VB.圖乙干路允許流過的最大電流為3.5 AC.圖丙兩端允許加的最大電壓為17.5 VD.以上說法均不正確答案BC解析R110 、P110 W，故I11 A，U1I1R110 V

9、；同樣R220 、P280 W，故I22 A，U2I2R240 V；R35 、P320 W，故I32 A，U3I3R310 V；圖甲中三個(gè)電阻串聯(lián)，取最小額定電流，故最大電流為1 A，故最大電壓為：UI(R1R2R3)1(10205) V35 V，故A錯(cuò)誤；圖乙中三個(gè)電阻并聯(lián)，取最小額定電壓，最大電壓為10 V，I20.5 A，故最大電流為：II1I2I33.5 A，故B正確；圖丙中R1與R2并聯(lián)，取最小額定電壓，故最大電壓為10 V，故最大電流為：I1I21.5 A；并聯(lián)部分與電阻R3串聯(lián)，取最小額定電流，故最大電流為1.5 A，故電阻R3兩端的電壓為1.5 A5 7.5 V，所以丙圖兩端允

10、許加的最大電壓為：10 V7.5 V17.5 V，故C正確.三、非純電阻電路功率的分析及計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率和效率(1)電動(dòng)機(jī)的輸入功率指電動(dòng)機(jī)消耗的總功率：P入U(xiǎn)I.(2)電動(dòng)機(jī)的熱功率是線圈上電阻的發(fā)熱功率，P熱I2r.(3)電動(dòng)機(jī)的輸出功率是指電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率，P出IUI2r.(4)電動(dòng)機(jī)的效率：.例3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，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(dòng)，求電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率.答案(1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W解析(1)排氣扇在

11、 220 V的電壓下正常工作時(shí)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)PP熱(361) W35 W.(2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)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 A5.5 A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UI2205.5 W1 210 W.1.純電阻電路中，WUItI2RttPUII2R.電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，無機(jī)械功率輸出，屬純電阻電路.2.非純電阻電路中，WUItQI2Rt，PUIP熱I2R.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，向外輸出機(jī)械功率，屬非純電阻電路.3.電動(dòng)機(jī)的效率等于輸出的機(jī)械功率與總消耗的電功率之

12、比，即100%.針對(duì)訓(xùn)練2如圖3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()圖3A.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答案C解析燈泡能正常發(fā)光，說明電解槽和燈泡均分得110 V電壓，且干路電流II燈 A，則電解槽消耗的電功率PP燈60 W，A錯(cuò)，C對(duì)；電解槽的發(fā)熱功率P熱I2R內(nèi)1.3 W，B錯(cuò)誤；整個(gè)電路消耗的總功率P總220 W120 W，D錯(cuò).1.下表為某電熱水壺銘牌上的一部分內(nèi)容，根據(jù)表中的信息，可計(jì)算出電熱水

13、壺在額定電壓下以額定功率工作時(shí)的電流約為()型號(hào)DF938額定功率900 W額定電壓220 V額定容量1.2 LA.6.8 A B.4.1 AC.1.2 A D.0.24 A答案B解析由銘牌讀出電熱水壺額定功率為P900 W，額定電壓為U220 V；由PUI得，電熱水壺的額定電流為：I A4.1 A.2.(多選)如圖4所示，把四個(gè)相同的燈泡接成甲、乙兩種電路后，燈泡都正常發(fā)光，且兩個(gè)電路的總功率相等.則下列對(duì)這兩個(gè)電路中的U甲、U乙、R甲、R乙之間的關(guān)系的說法正確的是()圖4A.U甲2U乙 B.U甲2U乙C.R甲4R乙 D.R甲2R乙答案BC解析設(shè)燈泡的電阻為R，正常發(fā)光時(shí)電流為I，電壓為U，

14、由于兩個(gè)電路的總功率相等，PU甲IU乙2I，得U甲2U乙；又由U甲2UIR甲，U乙U2IR乙，得R甲4R乙，故正確答案為B、C.3.電阻R1、R2的IU圖象如圖5所示，則下列說法正確的是()圖5A.R1R231B.將R1與R2串聯(lián)后接于電源上，則電壓比U1U213C.將R1與R2并聯(lián)后接于電源上，則電流比I1I213D.將R1與R2并聯(lián)后接于電源上，則功率比P1P213答案B解析由圖象可知，當(dāng)I1 A時(shí)，U11 V，U23 V，所以R11 ，R23 ，則R1R213，A錯(cuò).R1與R2串聯(lián)時(shí)，U1U2R1R213，B正確.R1與R2并聯(lián)時(shí)，I1I2R2R131，P1P2R2R131，C、D均錯(cuò).

15、4.如圖6所示，A為電解槽，N為電爐子，恒定電壓U12 V，電解槽內(nèi)阻rA2 ，當(dāng)S1閉合、S2斷開時(shí)，電流表的示數(shù)為6 A；當(dāng)S2閉合、S1斷開時(shí)，電流表的示數(shù)為4 A，求：(電流表內(nèi)阻不計(jì))圖6(1)電爐子的電阻及發(fā)熱功率各多大？(2)在電解槽工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為多少？答案(1)2 72 W(2)16 W解析(1)電爐子為純電阻元件，由歐姆定律得I1，則R2 ，其發(fā)熱功率為：PRUI1126 W72 W.(2)電解槽為非純電阻元件，發(fā)熱功率為：P熱IrA422 W32 W，總功率為：P總UI2124 W48 W，故電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為：P化P總P熱(4832) W16 W.

16、一、選擇題(16題為單選題，78題為多選題)1.關(guān)于電功W和電熱Q的說法正確的是()A.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，且WQB.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，但W不一定等于QC.WUIt、QI2Rt均只有在純電阻電路中才成立D.WUIt在任何電路中都成立，QI2Rt只在純電阻電路中才成立答案B解析WUIt是電功的定義式，適用于任何電路，QI2Rt是焦耳熱的定義式，也適用于任何電路，如果是純電阻電路WQ，在非純電阻電路中WQ，B對(duì)，A、C、D錯(cuò).2.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

17、 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，只有電烙鐵能將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電風(fēng)扇將部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，日光燈將部分電能轉(zhuǎn)化為光能，故B選項(xiàng)正確.3.如圖1所示為某兩個(gè)電阻的UI圖象，則R1R2的值和把兩電阻串聯(lián)后接入電路時(shí)消耗功率之比P1P2及并聯(lián)后接入電路時(shí)消耗功率之比P1P2分別是()圖1A.212112B.211221C.121221D.122112答案A4.兩盞額定功率相同的燈泡A和B，其額定電壓UAUB，則下列說法正確的是()A.兩燈正常發(fā)光時(shí)，燈泡的電流IAIBB.兩燈電阻RARBC.將兩燈串聯(lián)后接入電路中發(fā)光時(shí)，則燈泡的功率PAPBD.將兩燈并聯(lián)后接

18、入電路中發(fā)光時(shí)，則燈泡的功率PARB，由PIU可知額定電流IAPB，故C錯(cuò)誤；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PAPB，故D正確.5.電阻R和電動(dòng)機(jī)串聯(lián)接到電路中，如圖2所示，已知電阻R跟電動(dòng)機(jī)線圈的電阻值相等，開關(guān)接通后，電動(dòng)機(jī)正常工作.設(shè)電阻R和電動(dòng)機(jī)兩端的電壓分別為U1和U2，經(jīng)過時(shí)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(dòng)機(jī)做功為W2，產(chǎn)生熱量為Q2，則有()圖2A.U1U2，Q1Q2B.U1U2，Q1Q2C.W1W2，Q1Q2D.W1W2，Q1Q2答案A解析電動(dòng)機(jī)是非純電阻，其兩端電壓U2IRU1，B錯(cuò)；電流做的功W1IU1t，W2IU2t，因此，W

19、1W2，C錯(cuò)；產(chǎn)生的熱量由QI2Rt可判斷Q1Q2，A對(duì)，D錯(cuò).6.A、B為“220 V100 W”的兩盞相同的燈泡，C、D為“220 V40 W”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(shí)際功率分別為PA、PB、PC、PD.則實(shí)際功率的大小關(guān)系為()圖3A.PAPB，PCPDB.PAPDPBPCC.PDPAPBPCD.PBPCPDPA答案C解析根據(jù)R得，RARBRCRD.由電路圖知，UBUC，根據(jù)P知PBPC；因?yàn)镮AID，根據(jù)PI2R知，PDPA.A、D電流大于B、C電流，由PI2R知，PAPB，PDPC，所以PDPAPBPC.7.日常生活用的電吹風(fēng)中有電

20、動(dòng)機(jī)和電熱絲，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，電熱絲給空氣加熱，得到的熱風(fēng)可將頭發(fā)吹干.設(shè)電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為R1，它與電熱絲的電阻R2相串聯(lián)，接到直流電源上，電吹風(fēng)機(jī)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(xiàng)正確的是()A.IUP B.IUPC.PI2(R1R2) D.PI2(R1R2)答案BC8.標(biāo)有“6 V6 W”和“6 V3 W”的燈泡L1和L2串聯(lián)接在某電源上，設(shè)燈絲電阻不變，則()A.通過燈L1、L2的電流之比為21B.燈L1、L2的實(shí)際功率之比為12C.電源電壓為12 V時(shí)，燈L1、L2均正常發(fā)光D.電源電壓為9 V時(shí)，燈L2正常發(fā)光答案BD解析L1和L2串聯(lián)接在電路中，電流相

21、等.L1的電阻R16 ，L2的電阻R212 .電阻之比R1R212，所以分壓關(guān)系U1U212，通過兩燈的電流相等，所以功率之比：P1P2I2R1I2R2R1R212.當(dāng)電源電壓為12 V時(shí)，可得U14 V，U28 V.電壓均不是額定電壓，都不能正常發(fā)光.當(dāng)電源電壓為9 V時(shí)，U13 V，U26 V，L2正常發(fā)光.所以正確選項(xiàng)應(yīng)是B、D.二、非選擇題9.有一個(gè)小型直流電動(dòng)機(jī)，把它接入電壓為U10.2 V的電路中時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，測(cè)得流過電動(dòng)機(jī)的電流是I10.4 A；若把電動(dòng)機(jī)接入U(xiǎn)22.0 V的電路中，電動(dòng)機(jī)正常工作，工作電流是I21.0 A，求：(1)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的輸出功率多大？(2)如果在

22、電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子突然被卡住，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率是多大？答案(1)1.5 W(2)8 W解析(1)U10.2 V時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為純電阻，故電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻r 0.5 ，U22.0 V時(shí)，電動(dòng)機(jī)正常工作.此時(shí)電動(dòng)機(jī)為非純電阻，則由電功率與熱功率各自的定義式，得P電U2I22.01.0 W2 W.P熱Ir1.020.5 W0.5 W.所以由能量守恒定律可得電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出P電P熱2 W0.5 W1.5 W.(2)此時(shí)若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子突然被卡住，則電動(dòng)機(jī)又為純電阻，其熱功率P熱 W8 W.10.如圖4所示為電動(dòng)機(jī)提升重物的裝置，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為r1 ，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為5 V，電路中的電流為1 A，物體A重20 N，不計(jì)摩擦力，求：圖4(1)電動(dòng)機(jī)線圈電阻