高中物理第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化综合训练题

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12.1 电路中的能量转化一、电功和电功率1．电功(1)电功是指电路中       对定向移动的        所做的功，        做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程．(2)电功的计算公式：W＝           .单位：焦耳，符号为J.常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h＝         J.2．电功率(1)定义：电流在一段电路中所做的功与           之比．(2)公式：P＝＝            .(3)单位：瓦特，符号为W.(4)意义：表示电流做功的           ．二、焦耳定律1．焦耳定律(1)内容：电流通过导体产生的         跟电流的二次方成         ，跟导体的电阻及通电时间成      比．(2)表达式：Q＝         .2．热功率(1)定义：单位时间内的发热量称为         ．(2)表达式：P热＝            .(3)物理意义：表示电流发热快慢的物理量．三、电路中的能量转化从能量转化与守恒的角度看，电动机从电源获得能量，一部分转化为         ，还有一部分转化为     ，即P电＝          ，其中P电＝        ，P损＝            .【参考答案】静电力   电荷   电流  UIt   3.6×106   通电时间  UI   快慢   热量   正比   正   I2Rt热功率   I2R   机械能   内能   P机＋P损   UI   I2R考点一：计算串联和并联电路的电功和电功率【例1】两电阻的电流I和电压U的关系如题图所示，可知两电阻串联时的功率之比等于（　　）A． B．3:1C． D．1:3【答案】D【解析】由于该图线为图线，则图线的斜率表示电阻的倒数，两根图线的斜率比为3:1，所以电阻之比为根据功率公式可知，两电阻串联时，电流相同，则功率之比等于电阻之比，即有ABC错误，D正确。故选D。【变式练习】1．电阻R1、R2按图示方法接入电压恒定的电源上，闭合电键后保持R1的阻值不变，改变R2的阻值，则关于R1消耗的功率P1的说法正确的是（　　）A．R2增大，P1增大 B．R2增大，P1减小C．R2减小，P1减小 D．R2减小，P1不变【答案】B【解析】R1消耗的功率R1的阻值不变，发现，R2增大时，P1减小，R2减小时，P1增大。故选B。2．如图所示是电饭锅的电路图，是定值电阻，是加热用的电热丝。电饭锅工作时有两种状态，当自动开关S闭合时为锅内的水烧干以前的加热状态；当自动开关S断开时为水烧干后的保温状态。若要使在保温状态下的功率是加热状态的一半，不考虑电阻随温度的变化，则、的电阻值之比为（　　）A．1∶1 B． C． D．【答案】C【解析】在加热状态下在保温状态下 解得故选C。考点二：计算混联电路各电阻的电功和电功率【例2】现有额定电压均为110V额定功率分别为100W和60W的灯泡A和B，将它们接在220V的直流电路中后，两灯均正常工作，且消耗的电功率最小的电路是（　　）A． B．C． D．【答案】B【解析】对于A电路，根据欧姆定律可得灯A、B的阻值分别为由于AB两个灯泡的电阻大小不同，所以直接把AB串连接入电路的话，AB的电压不会平分，AB不会同时正常发光；对于B电路，由于额定电压都是110V，由上分析可知RB＞RA把灯泡B与电阻并联的话，可以使并联部分的电阻减小，可能使A与并联部分的电阻相同，所以AB能同时正常发光，并且电路消耗的功率与A灯泡的功率相同，所以总功率的大小为200W；对于C电路，由于额定电压都是110V，由上分析可知RB＞RA把灯泡A与电阻并联的话，会使并联的部分的电阻更小，所以AB的电压不会平分，AB不会同时正常发光；对于D电路，把AB并联之后与电阻串连接入电路的话，当电阻的阻值与AB并联的总的电阻相等时，AB就可以正常发光，此时电阻消耗的功率为AB灯泡功率的和，所以电路消耗的总的功率的大小为280W。综合以上分析可知，正常发光并且消耗的功率最小的为B，故B正确，ACD错误。故选B。【变式练习】1．三个阻值相同的电阻，额定功率均为。接入如图电路，改变电压，使各电阻实际功率均不超过额定功率，则三电阻最大总功率为（          ）A． B． C． D．【答案】B【解析】由电路图可知，两电阻并联后与第三个电阻并联。假设额定电流为I，则电路中的电流最大值为I，则有由于并联电路中各支路两端的电压相等，且三电阻的阻值相等，根据欧姆定律可知，通过两电阻的电流均为则三电阻最大总功率为故选B。2．如图所示，R1和R2都是100W、100Ω的电阻，R3是25W、100Ω电阻，A，B两端允许消耗的最大电功率是（　　）A．225W B．75W C．37.5W D．206.25W【答案】C【解析】电阻R1的额定电压为额定电流为 电阻R2的额定电压和额定电流与电阻R1相同；R1和R2串联部分的额定电流均为1A，故串联电路的额定电流为1A，而额定电压为2倍的100V，即200V；电阻R3的额定电压为额定电流为故总的额定电压取并联电路额定电压的较小值，为50V；总电阻为故最大功率为故C正确，ABD错误。故选C。考点三：电流生热与电流做功的关系【例3】有一台电风扇额定工作电压为 220V，额定电功率为 50W，线圈电阻为 0.4Ω，电风扇接入电压为 220V 的电路中，关于它每分钟产生的热量是多少，有四位同学计算如下，其中正确的是（　　）A．B．C．D．【答案】C【解析】电风扇正常工作时产生的热量是由于内阻发热产生的，所以每分钟产生的热量为故选C。【变式练习】1．关于电功、电功率和焦耳定律，下列说法中不正确的是（　　）A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多B．W=UIt适用于任何电路，而W=I2Rt只适用于纯电阻的电路C．在非纯电阻电路中UI>I2RD．焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路【答案】A【解析】A．电功率越大，电流做功越快，对于纯电阻电路而言，此时电路中产生的焦耳热一定越多，但对于非纯电阻电路而言，电路中产生的焦耳热不一定越多，故A错误，符合题意；B．W=UIt适用于任何电路，而W=I2Rt只适用于纯电阻的电路，故B正确，不符合题意；C．在非纯电阻电路中电路总电功率大于热功率，即UI>I2R，故C正确，不符合题意；D．焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路，故D正确，不符合题意。故选A。2．下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是（　　）A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的热量一定越多B．公式W=UIt适用于任何电路，而Q=I2Rt只适用于纯电阻电路C．热功率P热=I2R=适用于任何电路D．焦耳定律Q=I2Rt适用于任何电路【答案】D【解析】A．电功率越大，表示电流做功越快，但是电路中产生的热量的多少还与做功的时间的长短有关，故A错误；B．公式W=UIt是计算电功的大小，适用于任何的电路，Q=I2Rt用来求电热时可以适用于任何电路，故B错误；C．当为纯电阻电路时，根据焦耳定律Q=I2Rt和电功率定义式可推导出P热=I2R此式适用于任何电路求热功率；根据欧姆定律和功率公式，可以推导出P热=此式只适用于纯电阻电路求热功率，故C错误；D．焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路中求焦耳热，故D正确。故选D。一、电功和电热1．电功和电功率W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路．2．电热和热功率Q＝I2Rt是电热的计算式，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率．3．串、并联电路的功率分配关系(1)串联电路中各个电阻的电功率跟它的阻值成正比，即＝＝…＝＝I2.(2)并联电路中各个电阻的电功率跟它的阻值成反比，即P1R1＝P2R2＝…＝PnRn＝U2.(3)无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于电路中各电阻消耗的功率之和．4．额定功率和实际功率(1)用电器正常工作时所消耗的功率叫作额定功率．当用电器两端电压达到额定电压U额时，电流达到额定电流I额，电功率也达到额定功率P额．且P额＝U额I额．(2)用电器的实际功率是用电器在实际工作时消耗的电功率．为了使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大于其额定功率．二、电路中的能量转化1．纯电阻电路与非纯电阻电路(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能．(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路．在非纯电阻电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能．例如电动机P总＝P出＋P热．2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较 纯电阻电路非纯电阻电路举例白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅电动机、电解槽能量转化情况电功和电热的关系W＝Q即IUt＝I2RtW＝Q＋E其他UIt＝I2Rt＋E其他电功率和热功率的关系P＝P热，即IU＝I2RP＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他欧姆定律是否成立U＝IR，I＝成立U＞IR，I＜不成立说明W＝UIt、P电＝UI适用于任何电路计算电功和电功率Q＝I2Rt、P热＝I2R适用于任意电路计算电热和热功率只有纯电阻电路满足W＝Q，P电＝P热；非纯电阻电路W>Q，P电>P热 一、单选题1．将甲乙两电阻串联接在电源两端，已知甲的电阻大于乙的电阻，通电相同的时间，则（　　）A．通过甲的电流大 B．通过乙的电流大C．乙电阻产生的热量多 D．甲电阻产生的热量多【答案】D【解析】A B．甲乙两电阻串联接在电源两端，所以通过甲、乙的电流相等。A、B都错误；C D．由焦耳定律甲的电阻大于乙的电阻，通电相同的时间，甲电阻产生的热量多，C错误，D正确。故选D。2．在研究微型电动机的性能时，应用如图所示的实验电路。当调节滑动变阻器R并控制电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.50A和2.0V。重新调节R并使电动机恢复正常运转，此时电流表和电压表的示数分别为2.00A和20.0V。则这台电动机正常运转时输出功率为（　　）A．12W B．24W C．30W D．40W【答案】B【解析】电动机停止转动时，电动机为一电阻，根据欧姆定律得正常运转后，其输出功率为故选B。3．随着环境问题的日益严重及电池技术的不断发展，电动汽车逐渐走进了我们的生活。锂电池具有重量轻、容量大、可靠性强等优点，为电动汽车提供电能。某品牌纯电动汽车的电池板的铭牌如图甲所示，电池板内部共含有7104节工作电压为，容量为的锂电池，其内部结构如图乙所示，电池板由16个电池组串联而成，每个电池组由6个电池包串联而成，每个电池包由74节锂电池并联而成。下列说法正确的是（　　）A．每节锂电池储存的最大电能约为B．每个电池包的额定工作电流约为C．每个电池组的额定工作电压约为D．整块电池板的总容量约为【答案】C【解析】A．每节锂电池能储存的最大电能为A错误；B．根据电池板的铭牌可知，该电池板的电功为，则功率为。相同的电池并联电压不变，串联则电压叠加，因此每个电池包的工作电压均为4.2V，电池板的工作电压为由于电池板是由各电池组、电池包串联而成，可计算得额定电流B错误；C．每个电池组由六个电池包串联而成，因此每个电池组的额定电压C正确；D．由于电池包和电池组是串联关系，即流经的电流永远相等，电荷量一同增长，因此总的容量只与单个电池包容量有关D错误。故选C。4．有两个灯泡、，额定电压皆为3V，额定功率分别为6W、3W，采用不同的接法，下列说法正确的是（　　）A．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5WB．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6WC．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为3WD．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6W【答案】A【解析】由可得两灯泡的额定电流分别为，两个灯泡的电阻分别为，AB．若将它们串联接在电路中，则电路中的最大电流为，两灯泡的总功率最大为故A正确，B错误；CD．若将它们并联接在电路中，并联电路的电压是3V时都达到额定功率，两灯泡的总功率最大为故CD错误。故选A。二、多选题5．零排放、零污染，节能环保的比亚迪e6电动汽车已成为许多城市出租车的标配，当汽车行驶在平直路面上，消耗电能时仪表盘上中间部分显示值在“0~100 kW”之间；减速时汽车将动能转化为电能贮存到电池。根据仪表盘的指示，可判定（　　）A．汽车此时正在减速B．汽车此时正在加速C．最近50km内，汽车消耗的电能约为16.8 kW·hD．最近50km内，汽车消耗的电能约为8.4kW·h【答案】AD【解析】AB．由图可知，仪表盘上显示，说明汽车处于减速状态，故A正确，B错误；CD．由仪表盘可知，平均电耗为，所以50km内，汽车消耗的电能约为8.4kW·h，故C错误，D正确。故选AD。6．为了减少碳排放，我国大力推动清洁能源上下游产业发展，近年来电动汽车、氢能源汽车发展迅猛。科技活动小组对某新型电动汽车进行调研，发现其电池储能为60kW·h，充电电压为400V，充电电流为35A，充电效率为95％；该电动汽车以108km/h的速度匀速行驶时，机械能转化效率为90％，可匀速行驶388.8km，则该电动汽车（　　）A．完成一次充电所需时间约为6hB．匀速行驶时输出的功率为15kWC．匀速行驶时所受的阻力大小为500ND．匀速行驶时每秒消耗的电能为1.5×104J【答案】BC【解析】A．充电的功率为设充电时间为tC解得A错误；B．匀速行驶的时间为匀速行驶时输出的功率为B正确；C．匀速行驶时所受的阻力大小为C正确；D．匀速行驶时消耗的电功率为匀速行驶时每秒消耗的电能为D错误。故选BC。7．机器人的使用开拓了我们的视野，延伸了我们的肢体，大大提高了我们的工业效率。如图，一款微型机器人的直流电动机的额定电压为U，额定电流为I，线圈电阻为R，将它接在一直流电源的两极间，电动机恰好能正常工作，下列说法正确的是（　　）A．电动机消耗的电功率为B．电动机消耗的电功率为UIC．流过电动机的电流与其两端电压的关系满足D．电动机的线圈发热功率为【答案】BD【解析】ABD．电动机消耗的电功率是是其内部线圈发热的功率，故A错误，BD正确；C．电动机不是纯电阻元件，通过的电流与两端电压不满足欧姆定律表示式，故C错误。故选BD。8．假设某同学研究白炽灯得到某白炽灯的伏安特性曲线如图所示。图像上A点与原点的连线与横轴成α角，则（　　）A．在A点，白炽灯的电阻 B．在A点，白炽灯的电阻C．在A点，白炽灯的电功率可表示为 D．在A点，白炽灯的电阻可表示为【答案】CD【解析】A．不能通过测量出α角的大小，来求解电阻值，因横纵坐标的标度发生变化，角度α可能会变化，但是电阻值不变，也就是角度α的值与标度有关，而电阻值与标度无关，A错误；C．由图可知在A点，白炽灯两端得电压为U0，流过白炽灯的电流为I0，根据功率公式，可得白炽灯的电功率可表示为C正确；BD．由图可知在A点，白炽灯两端得电压为U0，流过白炽灯的电流为I0，根据欧姆定律，可知白炽灯的电阻不能根据求电阻，B错误D正确。故选CD。三、解答题9．如图所示，AB两端的电压恒定，，求：（1）与消耗的电功率之比；（2）与消耗的总电功率与消耗的电功率之比。【答案】（1）2:3；（2）6:5【解析】（1）与两端电压相等，根据可得两电阻消耗的电功率之比（2）设三个电阻分别为R、2R、3R，则与并联后的电阻为两部分电流相等，根据可得10．移动电源，也叫“充电宝”，常采用锂电芯，能为手机、平板计算机等设备供电，但使用不当可能会造成过充、短路等安全隐患。出于安全原因，中国民航总局规定当移动电源的能量不超过才可在乘机时随身携带。某移动电源的铭牌如表所示。表输入输出容量转换率（1）通过计算，判断乘客在乘机时是否能随身携带该移动电源。（2）该移动电源在充满电的情况下，能为一个“，”的风扇供电多长时间？【答案】（1）可以携带；（2）5.67h【解析】（1）充满电后，移动电源的电能E为小于规定的，所以，可以携带。（2）风扇额定电流为1.5A，供电时间t为