学年人教版选修31焦耳定律 学案.docx

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学年人教版选修31焦耳定律学案

第二章恒定电流

第5节焦耳定律

一、电功和电功率

1．能量转化

电炉通电时，能转化为能；电动机通电时，能转化为能；蓄电池充电时，能转化为能；电能转化成其他形式能的过程就是的过程，电流做功的多少电能转化为其他形式能的数量。

2．电功

（1）实质：

导体中的对自由电荷的静电力在做功。

把转化为的能。

（2）电流在一段电路中所做的功等于这段电路、、三者的乘积。

计算式W=。

3．电功率

（1）物理意义：

表示电流做功的物理量。

（2）定义：

电流所做的功。

（3）公式及单位：

，其单位为瓦特，符号为。

二、焦耳定律

1．焦耳定律：

电流通过导体产生的热量（内能）跟电流的成正比，跟导体的成反比，这一规律叫焦耳定律。

公式表示为Q=。

2．热功率：

单位时间内的发热量通常称为，表达式为P=。

3．纯电阻电路：

电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为。

4．非纯电阻电路：

像含有或等非纯电阻用电器的电路被称为非纯电阻电路，在非纯电阻电路中，电流做的功除了将电能转化为内能外，还转化为或等其他形式的能量。

电内电机械电化学电流做功等于恒定电场电能其他形式

两端的电压U电路中的电流I通电时间tUIt快慢单位时间内W

二次方电阻及通电时间I2Rt热功率I2R内能电动机电解槽机械能化学能

电功和电热的区别与联系

1．区别

电功是指输入某段电路的全部电能或这段电路上消耗的全部电能：

W=UIt。

电热是指在这段电路上因发热而消耗的电能：

Q=I2Rt。

2．联系

从能量转化的角度分析，电功与电热的数量关系为：

W≥Q，即UIt≥I2Rt。

（1）在纯电阻电路中，电流做功，电能全部转化为电热，即电功等于电热，W=Q。

因此公式UIt、I2Rt、

，既可计算电功，也可计算电热。

（2）在非纯电阻电路中，电流做功除了一部分电能转化为电热外，还有一部分转化为机械能或其他形式的能，此时有W＞Q，即UIt＞I2Rt。

因此，在非纯电阻电路中，只能用UIt计算电功，用I2Rt计算电热，

无意义。

【例题1】微型吸尘器的直流电动机的内阻一定，为1Ω，当加在它两端的电压为2.0V时，电流为0.8A，且能正常工作。

求：

（1）它的额定输入功率多大？

（2）工作时由导线发热损失的功率多大？

（3）它的最大输出功率多大？

参考答案：

（1）1.6W

（2）0.64W（3）0.96W

试题解析：

（1）额定输入功率P额=UI=2.0×0.8W=1.6W

（2）电动机热功率P热=I2R=0.82×1W=0.64W

（3）根据能量的转化与守恒，电动机的最大输出功率P出=P额–P热=0.96W

归纳总结：

在非纯电阻电路中，要注意区别电功和电热，注意应用能量守恒定律。

①电热Q=I2Rt。

②电动机消耗的电能W=UIt。

③由能量守恒得W=Q+E，E为其他形式的能，这里是机械能。

④对电动机来说，输入功率P入=UI；发热的功率P热=I2R；输出的功率，即机械功率P机=

P入–P热=UI–I2R。

【例题2】（2018·甘肃省临夏中学高二期末）如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈电阻为r=1Ω，电动机两端电压为5V，电路中的电流为1A，物体A重20N，不计摩擦力，求：

（1）电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少？

（2）电动机的输入功率和输出功率各是多少？

（3）10s内，可以把重物A匀速提升多高？

（4）这台电动机的机械效率是多少？

参考答案：

（1）1W

（2）4W（3）2m（4）80%

试题解析：

（1）根据焦耳定律，热功率为：

（2）输入功率为：

输出功率为：

（3）电动机的输出功率用来提升重物在10s内，有：

解得：

（4）机械效率为：

归纳总结：

1．电动机因故不转动时，线圈可视为纯电阻电路，P电=P热，而电动机转动时为非纯电路，P电=P机+P热，要分清两种情况下的能量转化情况。

2．在非纯电阻电路中

不成立，此时U＞IR，此类问题要从能量转化角度把握电压的分配，确定电能的转化方向和具体表现形式（电热、机械能、化学能、磁场能等）。

3．纯电阻电路中的电功率

（1）只含有纯电阻的串联电路中，电流I相同，由P=I2R可知电功率跟电阻成正比。

（2）只含有纯电阻的并联电路中，电压U相同，由

可知电功率跟电阻成反比。

（3）无论是串联电路还是并联电路，纯电阻电路消耗的总功率都等于各电阻消耗的功率之和。

1．下列用电器中，利用电流热效应工作的是

A．电饭锅B．抽油烟机

C．电视机D．笔记本电脑

2．杭州市正将主干道上的部分高压钠灯换成LED灯，已知高压钠灯功率为400W，LED灯功率为180W，若更换4000盏，则一个月可节约的电能约为

A．

B．

C．

D．

3．小明同学家里部分电器的消耗功率及每天工作时间如表所示，则这些电器一天消耗的电能约为

A．6.1×103WB．6.1×103JC．2.2×104WD．2.2×107J

4．关于三个公式：

①P=IU，②P=I2R③P=

，下列叙述正确的是

A．公式①适用于任何电路的热功率

B．公式②适用于任何电路的热功率

C．公式①、②、③适用于任何电路电功率

D．上述说法都不正确

5．如图所示是饮水机的工作电路简化图，S是温控开关，当水温升高到一定温度时，它会自动切换，使饮水机处于保温状态；R0是饮水机加热管电阻，R是与加热管串联的电阻。

表格是从其说明书中摘录的一些技术数据。

不考虑R0、R的电阻受温度变化的影响，表中的功率均指加热管的功率。

下列关于饮水机的工作状态和正确的是

A．当S闭合时饮水机处于加热状态，R0=220Ω

B．当S闭合时饮水机处于加热状态，R0=2112Ω

C．当S断开时饮水机处于保温状态，R1=88Ω

D．当S断开时饮水机处于保温状态，R1=2112Ω

6．通过电阻R的电流强度为l时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为

，则在时间t内产生的热量为

A．4QB．2QC．

D．

7．《2013--2017年中国风光互补路灯行业发展前景与投资预测分析报告》数据显示，我国现有城乡路灯总数约有2亿只，并以每年加20％的速度增长，我国有丰富的风能及太阳能资源。

路灯作为户外装置，两者结合做成风光互补路灯，无疑给国家的节能减排提供了一个很好的解决方案。

如图为某公司生产的风光互补LED路灯外形图和电路原理图。

国家发改委提供的数据显示，每燃烧1吨标准煤可以发电3000千瓦时，排放二氧化碳2.61吨。

假如传统路灯消耗的电能来自燃烧标准煤发电，用比套路灯替换400瓦、每天工作10小时的传统路灯，则每套路灯1年（365天）可减少多少吨二氧化碳的排放？

A．1.27KgB．12.7KgC．1270KgD．1.27×106Kg

8．有四盏灯，如图所示连接在电路中，L1和L2都标有“220V，100W”字样，L3和L4都标有“220V，40W”字样，把电路接通后，四个灯都能发光。

最暗的是

A．L3B．L2C．L1D．L4

9．小明家的电热炉使用的电热丝由于年代久远已经破损，小明将一小段位于底端的破损段剪下后将完好段再次绕到电热炉上继续使用，在电源电压不变的情况下，下列说法正确的是

A．电热炉热功率不变

B．电热炉热功率增加

C．电热炉热功率减小

D．无法确定电热炉热功率的变化

10．2013年，杭州正式推出微公交，它是一零排放的纯电动汽车，这为杭州人绿色出行又提供一种方案。

该电动车配有一块12V三元锂电池，容量达260Ah；采用220V普通电压充电，一次完全充电，约需8小时；行驶时，最大时速可达80km/h，充满电后，可最多行驶80km。

则以下判断正确的是：

（在计算过程中不考虑各种能转化的效率，可认为电能的价格为0.8元/kw.h）

A．充电电流为260A

B．充满电后储存的电能为3120J

C．折合每公里的电能成本约为0.03元

D．匀速行驶时的阻力约为2.0×103N

11．如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图。

电动机内电阻r=0.8Ω，电路中另一电阻R=10Ω，直流电压U=160V，电压表示数UV=110V。

（g取10m/s2）试求：

（1）通过电动机的电流；

（2）输入电动机的电功率；

（3）若电动机以v=1m/s匀速竖直向上提升重物，求该重物的质量？

12．电动自行车是生活中重要的交通工具，某品牌电动自行车的铭牌如下：

车型：

20’电动自行车

电池规格：

DC36V

20寸（车轮直径：

508mm）

36V　8Ah（蓄电池）

整车质量：

40kg

额定转速：

240r/min（转/分）

外形尺寸：

L1800mm×W650mm×H1100mm

额定输出功率：

171W

电机：

后轮驱动、直流永磁式电机

额定工作电压/电流：

36V/5A

根据此铭牌中的有关数据，下列说法正确的是

A．电动车的电动机内阻为7.2Ω

B．充满电时蓄电池需要的能量E=288J

C．额定功率下行驶时，电动机的效率为95%

D．充满电后，在额定功率下连续行驶的最长时间为2h

13．三个阻值相同的灯泡，其允许消耗的最大功率都是10W，现将其中的两只灯泡串联起来，再与第三只灯泡并联在电路中，如图，则整个电路允许消耗的最大功率为

A．30WB．20W

C．15WD．10W

14．太阳能路灯是采用晶体硅太阳能电池供电，用代替传统公用电力照明的路灯，白天太阳能电池对蓄电池充电，晚上蓄电池的电能供给路灯照明。

太阳光垂直照射到地面上时，单位面积的辐射功率为

。

某一太阳能路灯供电系统对一盏LED灯供电，太阳阳能电池的光电转换效率为12%左右，电池板面积1m2，采用一组24V的蓄电池（总容量300Ah），LED路灯规格为“40W，24V”，蓄电池放电预留20%容量，下列说法正确的是

A．蓄电池的放电电流约为0.6A

B．一盏LED灯每天消耗的电能约为0.96kW·h

C．该太阳能电池板把光能转换为电能的功率约为40W

D．平时把该蓄电池充满所需要的最大能量约为5.76kW·h

15．直流电动机在生产、生活中有着广泛的应用。

如图所示，一直流电动机M和电灯L并联之后接在直流电源上，电动机内阻r1=0.5Ω，电灯灯丝电阻R=9Ω（阻值认为保持不变），电源电动势E=12V，内阻r2=1Ω，开关S闭合，电动机正常工作时，电压表读数为9V。

则下列说法不正确的是

A．流过电源的电流3A

B．流过电动机的电流2A

C．电动机的输入功率等于2W

D．电动机对外输出的机械功率16W

1．A【解析】电饭锅工作时把电能转化为内能，利用电流的热效应工作，故A符合题意；抽油烟机中的电动机主要把电能转化为机械能，不是利用电流热效应工作的，故B不符合题意；电视机主要把电能转化为光能与声能，不是利用电流热效应工作的，故C不符合题意；笔记本电脑主要把电能转化为光能，不是利用电流热效应工作的，故D不符合题意。

【名师点睛】本题主要考查学生对电流的热效应，以及电能和其他形式能的相互转化，利用热效应工作的电器特点是把电能主要转化成内能。

2、B

3、D

4、B

5．D【解析】由电功率公式

和

可知，电压不变的条件下，电阻越小电流越大，功率越大。

电源电压不变，当S断开时，R与R0串联；当S闭合时，只有R0接入在电源上，电路中的电阻变小，总功率变大，因而开关S闭合时是加热状态；利用公式

，知

；当S断开时，R与R0串联，饮水机处于保温状态，

。

综上分析，D正确。

6．D【解析】根据Q=I2Rt得，电阻变为原来的2倍，电流强度变为原来的

，时间不变，则热量变为原来的

，故选D。

7．C【解析】400W的路灯一年消耗的电能为：

W=Pt=0.4kW×10h×365=1460kW·h，则买一套路灯1年可减小二氧化碳的排放量为：

，故选C。

【点睛】该题主要考查对电功率的公式的理解和掌握的程度，代入相关的公式即可求出。

8．A【解析】根据公式

可得L1和L2的电阻小于L3和L4的电阻，因为通过L2和L3的电流之和等于通过L1的电流，所以通过L1的电流大于通过L2的电流，通过L3的电流小于通L4的电流，根据公式

可得

，

，因为L2和L3并联，所以电压相等，根据公式

可得

，所以

，

。

所以L3最暗，故A正确。

9．B【解析】剪短电热丝后，电热丝电阻下降，根据

可知电功率会增大，故B正确，ACD错误。

10．C【解析】充电的功率为

，充电电流为

，故A错误；充满电后储存的电能为

，故B错误；折合每公里的电能成本约为

元，故C正确；由

可知，匀速行驶时的阻力

，故D错误。

11．

（1）5A

（2）550W（3）53kg

12．C【解析】电动机不是纯电阻电路，则不能通过欧姆定律求解电阻，即电动机内阻

，选项A错误；充满电时蓄电池需要的能量Q=UIt=36×8×3600=1.0368×106J，故B错误；额定功率下行驶时，电动机的效率为

，选项C正确；充满电后，在额定功率下连续行驶的最长时间为

，选项D错误。

13．C【解析】若灯泡1和2都达到额定功率时，并联部分的电压等于2U额，灯泡3两端的电压超过额定电压，容易烧坏，所以整个电路消耗的功率最大时，应是灯泡3达到最大功率，即

。

此时并联部分电压为额定电压U额，灯泡1和2的电压都为

，电流都为

，所以

，总功率为

，故C正确。

14、D

15、C