高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化课时作业

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化课时作业，共13页。
[学习目标] 1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念，知道它们的区别与联系.2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别，理解两种电路的能量转化关系．
一、电功和电功率
1．电功
(1)电流做功的实质是，导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的．
(2)电功的计算公式：W＝UIt.
单位：焦耳，符号为J.
常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h＝3.6×106 J.
2．电功率
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比．
(2)公式：P＝eq \f(W,t)＝UI.
(3)单位：瓦特，符号为W.
(4)意义：表示电流做功的快慢．
二、焦耳定律
1．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比．
(2)表达式：Q＝I2Rt.
2．热功率
(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率．
(2)公式：P热＝I2R.
三、电路中的能量转化
1．电动机消耗的功率P电＝UI.
2．电动机线圈电阻上的热功率P热＝I2R.
3．电动机输出功率P机＝UI－I2R.
1．判断下列说法的正误．
(1)电功率越大，表示电流做功越多．( × )
(2)电功W＝UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功．( √ )
(3)电热Q＝I2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热．( √ )
(4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热．( √ )
(5)三个公式P＝UI、P＝I2R、P＝eq \f(U2,R)没有任何区别，它们表达相同的意义，所以三式中P都是电功率．( × )
2．通过电阻R的电流为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流为eq \f(I,2)，则在时间t内产生的热量为________．
答案 eq \f(Q,2)
解析 根据Q＝I2Rt得，电阻变为原来的2倍，电流变为原来的eq \f(1,2)，时间不变，Q′＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(I,2)))2·2R·t＝eq \f(1,2)I2Rt＝eq \f(Q,2).
一、电功和电热的理解
导学探究 电吹风工作时，将电能转化为什么能？电熨斗工作时，将电能转化为什么能？
答案 电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能．电熨斗工作时，将电能转化为内能．
知识深化
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．电功和电热的关系
(1)在纯电阻电路中：
①电功和电热相等，W＝Q＝UIt＝eq \f(U2,R)t＝I2Rt；
②电功率和热功率相等，P电＝P热＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R)；
③欧姆定律成立：由UIt＝I2Rt得：I＝eq \f(U,R).
(2)在非纯电阻电路中：
①电功大于电热，W＝Q＋W其他，电功只能用W＝UIt计算，电功率只能用P＝UI计算；
②电热只能用Q＝I2Rt计算，热功率只能用P＝I2R计算；
③欧姆定律不成立，由UIt>I2Rt得：U>IR.
(多选)对电功及焦耳定律公式的理解正确的是( )
A．焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解
B．电功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都适合于任何电路，因此W一定等于Q
C．非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热
D．电功的另一表达式W＝eq \f(U2,R)t只适用于纯电阻电路
答案 AD
解析 任何电路的焦耳热都可用焦耳定律求解，A正确；B选项中的两个公式均适合于任何电路，但W不一定等于Q，B错误；非纯电阻电路中的电功一定大于焦耳热，C错误；W＝eq \f(U2,R)t只适用于纯电阻电路，D正确．
如图1所示，一幢居民楼里住着生活需求各不相同的24户居民，所以整幢居民楼里有各种不同的电器，例如电炉、电视机、微波炉、电风扇等．停电时，用欧姆表测得A、B间电阻为R；供电后，各家电器同时使用，测得A、B间电压为U，进线电流为I，则计算该幢居民楼用电的总功率可以用的公式是( )
图1
A．P＝I2R B．P＝eq \f(U2,R)
C．P＝IU D．P＝I2R＋eq \f(U2,R)
答案 C
解析 家用电器中有纯电阻也有非纯电阻，故总电功率只能用P＝UI来计算，C正确．
二、纯电阻电路中功率的分配与计算
1．在纯电阻电路中，由于W＝Q，I＝eq \f(U,R)，所以有P＝UI＝I2R＝eq \f(U2,R).
2．串、并联电路中的功率关系
3.额定功率和实际功率
(1)用电器正常工作时所消耗的电功率叫作额定功率．当实际电压达到额定电压时，实际功率等于额定功率．
(2)为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率．
(2020·广州市模拟)定值电阻R1、R2、R3的阻值均为2 Ω，在电路中允许消耗的电功率的最大值分别为10 W、10 W、2 W，现将这三个电阻按照如图2所示的方式连接，则这部分电路消耗的电功率的最大值为( )
图2
A．22 W B．12 W C．15 W D．16 W
答案 B
解析 首先分析两个并联电阻R2、R3所允许消耗的最大功率，因为R2与R3并联，则两端电压相等，由公式P＝eq \f(U2,R)可知，R2与R3所消耗的电功率一样．已知R2与R3本身允许的最大电功率分别是10 W和2 W，所以R2、R3在该电路中消耗的最大电功率都是2 W，否则会超过R3的最大电功率．再分析R1在电路中允许消耗的最大电功率，把R2与R3看成一个并联电阻R′，则电路就是R1与R′串联，而串联电路电流处处相等，再由P＝I2R知，R1与R′所消耗的电功率之比为eq \f(P1,P′)＝eq \f(R1,R′)＝2，则R1消耗的电功率为2×4 W＝8 W3P乙
C．P乙＝3P甲 D．P乙>3P甲
答案 A
解析 设灯泡正常发光时的电流为I，题图甲中，电路的总电流为3I，则P甲＝U·3I，题图乙中，电路的总电流为I，则P乙＝U·I，所以P甲＝3P乙，选项A正确．
三、非纯电阻电路功率的分析与计算
1．电动机的功率和效率
(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P电＝UI.
(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2R.
(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率P出＝P机．
三者关系为：P电＝P热＋P机
(4)电动机的效率：η＝eq \f(P机,P电)×100%＝eq \f(IU－I2R,IU)×100%＝eq \f(U－IR,U)×100%.
2．串、并联电路的总功率
(1)串联电路：P总＝U总I＝(U1＋U2＋U3＋…＋Un)I＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn
(2)并联电路：P总＝UI总＝U(I1＋I2＋I3＋…＋In)＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn
从能量转化的角度看，无论是串联电路还是并联电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电路消耗的总功率均等于电路中各部分消耗的功率之和．
(2020·九江一中月考)有一个直流电动机，把它接入0.2 V电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是0.4 A；把它接入2 V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1 A.
(1)求这台电动机的内阻；
(2)求电动机正常工作时的输出功率；
(3)如在正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率为多大？
答案 (1)0.5 Ω (2)1.5 W (3)8 W
解析 (1)电动机不转时电路为纯电阻电路，由欧姆定律可知电动机线圈的内阻r＝eq \f(U0,I0)＝eq \f(0.2,0.4) Ω＝0.5 Ω
(2)电动机正常工作时电路为非纯电阻电路，消耗的总功率P总＝UI＝2×1 W＝2 W
线圈内阻的热功率P热＝I2r＝12×0.5 W＝0.5 W
则电动机正常工作时的输出功率P出＝P总－P热＝2 W－0.5 W＝1.5 W
(3)电动机的转子突然被卡住时，此时电路为纯电阻电路，发热功率P＝eq \f(U2,r)＝eq \f(22,0.5) W＝8 W.
小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V 4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图4所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，求：
图4
(1)通过电动机的电流；
(2)电动机的输出功率P出；
(3)电动机的效率．
答案 (1)0.6 A (2)2.04 W (3)85%
解析 (1)灯泡正常发光，则通过灯泡的电流IL＝eq \f(PL,UL)＝eq \f(4,4) A＝1 A
通过电阻R的电流
IR＝eq \f(U－UL,R)＝eq \f(12－4,5) A＝1.6 A
通过电动机的电流I＝IR－IL＝0.6 A.
(2)电动机消耗的总功率P＝ULI＝4×0.6 W＝2.4 W
电动机线圈内阻的热功率
P热＝I2r＝(0.6)2×1 W＝0.36 W
电动机的输出功率P出＝P－P热＝2.4 W－0.36 W＝2.04 W
(3)电动机的效率：
η＝eq \f(P出,P)×100%＝eq \f(2.04,2.4)×100%＝85%.
考点一 电功和电热的理解
1．(多选)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，电路中产生的焦耳热一定越多
B．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝eq \f(U2,R)t只适用于纯电阻电路
C．在非纯电阻电路中，UI>I2R
D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路
答案 BCD
解析 电功率公式P＝eq \f(W,t)，表示电功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝eq \f(P,U)，焦耳热Q＝(eq \f(P,U))2Rt，可见Q与P、U、t、R都有关，所以P越大，Q不一定越大，A错误．
W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝eq \f(U,R)、W＝I2Rt＝eq \f(U2,R)t只适用于纯电阻电路，B正确．
在非纯电阻电路中，W＝Q＋W其他，所以W>Q，故UI>I2R，C正确．
Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D正确．
2．室内有几种家庭常用电器：1.5 kW的电饭煲、200 W的电冰箱、750 W的取暖器、250 W的电视机和2 kW的空调器．如果进线处有13 A的保险丝，供电电压为220 V，下列情况下不能同时使用的是( )
A．电饭煲和电冰箱
B．取暖器和空调器
C．电饭煲和空调器
D．电冰箱、电视机和空调器
答案 C
解析 电路中允许的最大功率为Pm＝UI＝2 860 W．用电器的功率之和大于Pm时，用电器就不可以同时使用，故选C.
考点二 纯电阻电路的分析及计算
3.如图1所示为某两个电阻的U－I图像，则电阻之比R1∶R2和把两电阻串联后接入电路时消耗功率之比P1∶P2及并联后接入电路时消耗功率之比P1′∶P2′分别是( )
图1
A．2∶1 2∶1 1∶2
B．2∶1 1∶2 2∶1
C．1∶2 1∶2 2∶1
D．1∶2 2∶1 1∶2
答案 A
4．额定电压均为110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W的A、B两盏灯泡，若接在电压为220 V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是( )
答案 C
解析 判断灯泡能否正常发光，就要判断实际电压是不是额定电压或实际电流是不是额定电流，对灯泡有P＝UI＝eq \f(U2,R)，可知RA＜RB.对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，UB＋UA＝220 V，则UB＞110 V，B灯被烧毁，UA＜110 V，A灯不能正常发光；
对于B电路，由于RB＞RA，A灯与滑动变阻器并联，并联电阻小于RB，所以UB＞U并，则UB＞110 V，B灯被烧毁，A灯不能正常发光；
对于C电路，B灯与滑动变阻器并联，并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光；
对于D电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A灯、B灯的并联电阻，则UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光．
比较C、D两个电路，当灯A、B均正常发光时，由于C电路中滑动变阻器功率为(IA－IB)×110 V，而D电路中滑动变阻器功率为(IA＋IB)×110 V，所以C电路消耗电功率最小，综上所述，C正确．
5．(2020·河北黄骅中学高二检测)如图2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．当S闭合时，饮水机的工作状态和R0的阻值是( )
图2
A.加热，88 Ω B．加热，220 Ω
C．保温，88 Ω D．保温，220 Ω
答案 A
解析 由电功率公式P＝eq \f(U2,R)可知，电压不变的条件下，电阻越小功率越大．电源电压不变，当S闭合时，电阻R被短路，只有R0接在电路中，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．由P＝eq \f(U2,R)得R0＝eq \f(2202,550) Ω＝88 Ω，A正确．
考点三 非纯电阻电路的分析与计算
6.如图3所示，直流电动机M的线圈电阻为r，接入电压恒为U的电源时，电动机正常工作，此时电动机中通过的电流为I、消耗的电功率为P、线圈电阻的发热功率为P热、输出的机械功率为P出．则下列关系式正确的是( )
图3
A．I＝eq \f(U,r) B．P＝UI＋I2r
C．P热＝eq \f(U2,r) D．P出＝UI－I2r
答案 D
解析 电动机为非纯电阻用电器，电动机中通过的电流为IP2.同理，P4＞P3，P4＞P1.L2和L3的电压相等，由公式P＝eq \f(U2,R)可知，P2>P3.故P4＞P1>P2>P3，所以L3最暗．
10．(多选)(2020·广西高二期末)国庆期间小明去逛超市，遇促销打折买了一个电吹风，电吹风的使用说明书上给出了如表所示的参数及图7所示电路图．下列说法正确的是( )
图7
A．该电吹风发热电阻R的阻值约为64.5 Ω
B．该电吹风电动机M的内阻为193.6 Ω
C．当开关S1断开、S2闭合时，电吹风吹冷风
D．当开关S1、S2均闭合时，电动机每秒消耗的电能为1 000 J
答案 AC
解析 由表格可知发热电阻的功率PR＝P－PM＝1 000 W－250 W＝750 W，所以该电吹风发热电阻R＝eq \f(U2,PR)＝eq \f(2202,750) Ω≈64.5 Ω，故A正确；电动机正常工作过程为非纯电阻用电器，不能使用公式R＝eq \f(U2,PM)计算电动机内阻，故B错误；由题图可知当开关S1断开、S2闭合时，发热电阻断路，电吹风吹冷风，故C正确；当开关S1、S2均闭合时，电动机正常工作，功率仍然为250 W，故电动机每秒消耗的电能为W＝PMt＝250×1 J＝250 J，故D错误．
11.如图8所示，M为电动机，N为电炉，电炉的电阻R＝4 Ω，电动机的内阻r＝1 Ω，恒定电压U＝12 V．当S1闭合、S2断开时，理想电流表A示数为I1；当S1、S2同时闭合时，理想电流表A示数为I2＝5 A．求：
图8
(1)理想电流表的示数I1及电炉发热功率；
(2)电动机的输出功率．
答案 (1)3 A 36 W (2)20 W
解析 (1)电炉为纯电阻元件，由欧姆定律得：
I1＝eq \f(U,R)＝eq \f(12,4) A＝3 A
其发热功率为：PR＝I12R＝32×4 W＝36 W；
(2)当S1、S2同时闭合时，流过电动机的电流为：
I3＝I2－I1＝2 A，
电动机为非纯电阻元件，由能量守恒定律得：
UI3＝P出＋I32r，
代入数据解得：P出＝20 W.
12．(2020·江苏南京师大附属实验学校期中)如图9所示是利用电动机提升重物的示意图，其中D是直流电动机，P是一个质量为m的重物，它用细绳拴在电动机的轴上．闭合开关S，重物P以速度v匀速上升，这时理想电流表和理想电压表的示数分别是I＝5 A和U＝110 V，重物P上升的速度v＝0.7 m/s.已知重物的质量m＝45 kg，g取10 m/s2.求：
图9
(1)电动机消耗的电功率P电；
(2)细绳对重物做功的机械功率P机；
(3)电动机线圈的电阻R.
答案 (1)550 W (2)315 W (3)9.4 Ω
解析 (1)根据电功率表达式可知，电动机消耗的电功率为P电＝UI＝110×5 W＝550 W.
(2)以重物为研究对象，由于重物匀速上升，有
F－mg＝0，P机＝Fv
联立并代入数据得P机＝315 W
(3)P电＝P机＋P热，P热＝I2R
联立并代入数据得R＝9.4 Ω.串联电路
并联电路
功率分配
eq \f(P1,P2)＝eq \f(R1,R2)
eq \f(P1,P2)＝eq \f(R2,R1)
总功率
P＝P1＋P2＋…＋Pn
P＝P1＋P2＋…＋Pn
稳定电压
220 V
频率
50 Hz
加热功率
550 W
保温功率
22 W
电吹风铭牌参数
额定电压
220 V 50 Hz
额定功率
热风
1 000 W
冷风
250 W