高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化精练

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册1 电路中的能量转化精练，文件包含人教版高中物理必修三同步讲与练121电路中的能量转化原卷版doc、人教版高中物理必修三同步讲与练121电路中的能量转化解析版doc等2份试卷配套教学资源，其中试卷共26页， 欢迎下载使用。

02
思维导图
纯电阻电路与非纯电阻电路的比较
方法规律
1.在任何电路中，P电＝UI、P热＝I2R、W＝UIt、Q＝I2Rt都适用。
2.处理非纯电阻电路的计算问题时，要善于从能量转化的角度出发，紧紧围绕能量守恒定律，利用“电功＝电热＋其他能量”找等量关系求解。
3.在非纯电阻电路中，eq \f(U2,R)t既不表示电功也不表示电热，是没有意义的。
03
知识梳理
课前研读课本，梳理基础知识：
一、电功和电热
1．电功：表达式W＝Uq＝UIt，指恒定电场对自由电荷做的功。
2．电功率：表达式P＝eq \f(W,t)＝UI，表示电流做功的快慢。
3．焦耳定律：表达式Q＝I2Rt，表述：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。
4．热功率
(1)定义：单位时间内的发热量。
(2)表达式：P＝eq \f(Q,t)＝I2R。
[注意] ①对于纯电阻电路：P电＝P热＝IU＝I2R＝eq \f(U2,R)；②对于非纯电阻电路：P电＝IU＝P热＋P其他＝I2R＋P其他≠eq \f(U2,R)＋P其他。,
二、非纯电阻电路的特点
1.在任何电路中，P电＝UI、P热＝I2R、W＝UIt、Q＝I2Rt都适用。
2.非纯电阻电路不遵循欧姆定律，在非纯电阻电路中U＞IR，其中U为非纯电阻用电器两端电压，R为该用电器的电阻。
3.电流通过非纯电阻电路时，电流做功消耗的电能除了转化为内能外，还要转化成其他形式的能，如机械能、化学能等，即W＝E其他＋Q，P＝P热＋P其他。
4.在非纯电阻电路中，eq \f(U2,R)t既不表示电功也不表示电热，是没有意义的。
三、串、并联电路的电功率分配关系
1.在串联电路中，电功率与电阻成正比，即：
P1∶P2∶P3∶…∶Pn＝R1∶R2∶R3∶…∶Rn。
2.在并联电路中，电功率与电阻成反比，即：
P1∶P2∶P3∶…∶Pn＝eq \f(1,R1)∶eq \f(1,R2)∶eq \f(1,R3)∶…∶eq \f(1,Rn)。
[注意] 无论电阻如何连接，电路消耗的总功率一定等于各个电阻消耗的功率之和。
04
题型精讲
【题型一】纯电阻电路能量分析
【典型例题1】如图所示，横截面都是正方形的三段导体，它们的材料和长度都相同，导体B刚好能嵌入导体A，导体C刚好能嵌入导体B，现将三段导体串联接入到同一电路中，则( )
A．导体C的电阻最大
B．导体A两端的电压最大
C．导体B消耗的电功率最大
D．三段导体在相等时间内产生的热量相等
解析：选D 由题知三个电阻的电阻率ρ相同，长度l相同，根据电阻定律R＝ρeq \f(l,S)，可知比较横截面积S即可比较三者电阻的大小，由几何知识得SA＝(eq \r(3)L)2－(eq \r(2)L)2＝L2，SB＝(eq \r(2)L)2－(L)2＝L2，SC＝L2，所以三个电阻的阻值相等，故A错误；由于三个电阻串联且阻值相等，故根据串联电路的特点，则流过它们的电流相等，各自两端的电压，消耗的电功率，在相等时间内产生的热量均相等，故B、C错误，D正确。
【典型例题2】为了生活方便，电热水壶已进入千家万户，如果将一电热水壶接在220 V的电源两端，经时间t0电热水壶的开关自动切断，假设热量的损失不计、加热丝的阻值不受温度的影响。则( )
A．如果将电热水壶接在110 V的电源两端，需经2t0的时间电热水壶的开关自动切断
B．如果将电热水壶接在110 V的电源两端，需经16t0的时间电热水壶的开关自动切断
C．如果将电热水壶接在55 V的电源两端，需经4t0的时间电热水壶的开关自动切断
D．如果将电热水壶接在55 V的电源两端，需经16t0的时间电热水壶的开关自动切断
解析：选D 根据公式Q＝eq \f(U2,R)t可知，煮沸一壶水所需的热量为Q＝eq \f(U2,R)t0，当电压变为原来的eq \f(1,2)时，所需热量没变，因此时间要变为原来的4倍，即4t0，A、B错误；当电压变为原来的eq \f(1,4)时，时间要变为原来的16倍，即16t0，C错误，D正确。
【对点训练1】[多选]在如图甲所示的电路中，电源电动势为3 V，内阻不计，L1、L2为相同规格的小灯泡，这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，R为定值电阻，阻值为10 Ω。当开关S闭合后( )
A．L1的电阻为1.2 Ω
B．L1消耗的电功率为0.75 W
C．L2的电阻为5 Ω
D．L2消耗的电功率为0.1 W
解析：选BC L1两端的电压为U＝3 V，由题图乙得此时的电流为I＝0.25 A，灯泡电阻R1＝eq \f(U,I)＝12 Ω，A错误；L1消耗的功率P＝UI＝3×0.25 W＝0.75 W，B正确；若L2的电阻为5 Ω，则根据串联电路中电压与电阻成正比，可知此时L2两端的电压为1 V，由题图乙可求得此时L2中的电流为0.2 A，则L2的阻值为R2＝eq \f(U′,\a\vs4\al(I′))＝eq \f(1,0.2) Ω＝5 Ω，与假设一致，C正确；此时L2消耗的电功率P′＝U′I′＝1×0.2 W＝0.2 W，D错误。
【对点训练2】电子产品制作车间里常常使用电烙铁焊接电阻器和电容器等零件，技术工人常将电烙铁和一个灯泡串联使用，灯泡还和一只开关并联，然后再接到电压为220 V的交流电上(如图2所示)，下列说法正确的是( )
A．开关接通时比开关断开时消耗的总电功率大
B．开关接通时，灯泡熄灭，只有电烙铁通电，可使消耗的电功率减小
C．开关断开时，灯泡发光，电烙铁也通电，消耗的总功率增大，但电烙铁发热较少
D．开关断开时，灯泡发光，可供在焊接时照明使用，消耗的总功率不变
答案 A
【题型二】家电、手机问题
【典型例题3】如图所示是某品牌吊扇的相关参数，g取10 m/s2，以下说法正确的是( )
A．吊扇正常工作时通过吊扇电机的电流为0.25 A
B．天花板对吊杆的拉力大小等于50 N
C．吊扇正常工作时消耗的电能用于对空气做功
D．吊扇边沿A点的最大线速度大小为896π m/s
解析：选A 由P＝UI可知，吊扇正常工作时通过吊扇电机的电流为I＝eq \f(P,U)＝0.25 A，A正确；吊扇的质量为5 kg，则重力为50 N，吊扇正常工作时，对空气有向下的作用力，根据牛顿第三定律可知，空气对吊扇有向上的作用力，所以天花板对吊杆的拉力小于50 N，B错误；吊扇正常工作时，根据能量守恒UI＝P热＋P机可知，消耗的电能一部分变成热能，一部分输出为机械能，则吊扇正常工作时消耗的电能部分用于对空气做功，C错误；吊扇的直径为1.4 m，则半径为0.7 m，转速为n＝320 r/min＝eq \f(16,3) r/s，则A点的线速度为v＝2πnr＝eq \f(112,15)π m/s，D错误。
【典型例题4】(多选)如图甲所示，用内阻为r1的充电宝为一手机充电，其等效电路如图乙所示。在充电开始后的一段时间t内，充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为r2，则时间t内( )
A．充电宝输出的电功率为UI－I2r1
B．充电宝的总功率为UI＋I2r1
C．手机电池产生的焦耳热为eq \f(U2,r2)t
D．手机电池增加的化学能为UIt－I2r2t
解析：选BD 充电宝的输出电压为U，输出电流为I，则充电宝输出的电功率为UI，故A错误；充电宝内的电流也是I，内阻为r1，所以充电宝产生的热功率为I2r1，则充电宝的总功率为P总＝UI＋I2r1，故B正确；由于充电宝是非纯电阻电路，U是充电宝的输出电压，所以不能用公式eq \f(U2,r2)t计算手机电池产生的焦耳热，根据焦耳定律，可知电池产生的焦耳热应为I2r2t，故C错误；由题意可得，手机电池增加的化学能为UIt－I2r2t，故D正确。
【对点训练3】2019年12月7日至11日在日本东京举办了第十三届中日节能环保综合论坛，与会专家统计：每使用1度(千瓦时)电，就相应消耗了0.4 kg 的标准煤，同时产生0.272 kg碳粉尘，0.997 kg二氧化碳，0.03 kg二氧化硫，0.015 kg氮氧化物。济宁市约有200万家庭，根据下表提供的数据，估算我市由于这4种用电器待机一昼夜产生的二氧化碳的质量约为( )
A.4.8×103 kg B.4.8×104 kg
C.4.8×105 kg D.4.8×106 kg
答案 C
解析 4种用电器待机一昼夜消耗的电能为E＝200×104×(1＋4＋2＋3)×10－3×24 kW·h＝4.8×105 kW·h，产生的二氧化碳的质量约为M＝0.997×4.8×105 kg＝4.8×105 kg。
【对点训练4】[多选]锂电池因能量密度高、绿色环保而广泛使用在手机等电子产品中。现用充电器为一手机锂电池充电，等效电路如图所示，充电器电源的输出电压为U，输出电流为I，手机电池的内阻为r，下列说法正确的是( )
A．电能转化为化学能的功率为UI－I2r
B．充电器输出的电功率为UI＋I2r
C．电池产生的热功率为I2r
D．充电器的充电效率为eq \f(Ir,U)×100%
解析：选AC 充电器将电能转化为锂电池的化学能和内能，即UIt＝E化＋I2rt，充电器输出的电功率为UI，电池产生的热功率为I2r，据此可知，电能转化为化学能的功率为UI－I2r，充电器的充电效率为eq \f(U－Ir,U)×100%，所以选项A、C正确。
【题型三】科学探究与电动机
【典型例题5】如图所示，在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘内壁放另一个圆环形电极接电源的正极做“旋转液体实验”，其中蹄形磁铁两极间正对部分的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度大小B＝0.2 T，磁铁上方为S极。电源的电动势E＝6 V，内阻未知，限流电阻R0＝4.8 Ω。闭合开关S后，当导电液体旋转稳定时理想电压表的示数恒为3.5 V，理想电流表示数为0.5 A。则( )
A．从上往下看，液体顺时针旋转
B．玻璃皿中两电极间液体的等效电阻为R＝7.0 Ω
C．液体消耗的电功率为1.75 W
D．1分钟内，液体里产生的热量为105 J
解析：选C 由于中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘内壁放一个圆环形电极接电源的正极，在电源外部电流由正极流向负极，因此电流由边缘流向中心，玻璃皿所在处的磁场方向竖直向上，由左手定则可知，导电液体受到的安培力沿逆时针方向，因此液体沿逆时针方向旋转，故A错误；对于非纯电阻元件，不满足欧姆定律，R≠eq \f(U,I)＝7.0 Ω，B错误；液体消耗的电功率P＝UI＝1.75 W，C正确；1分钟电流做功为W＝Pt＝1.75×60 J＝105 J，由能量守恒可知电流做功转化为热能和液体的转动动能，因此1分钟内液体里产生的热量小于105 J，D错误。
【典型例题6】有一小型直流电动机，把它接入U1＝0.3 V的电路中时，电动机不转，测得流过电动机的电流为I1＝0.6 A；若把电动机接入U2＝3.0 V的电路中时，电动机正常工作，工作电流是I2＝1.0 A，求：
(1)电动机正常工作时的输出功率是多少？
(2)如果电动机正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率是多大？
[解析] (1)当U1＝0.3 V，I1＝0.6 A时，电动机不转，此时电动机为纯电阻，故电动机的内电阻为r＝eq \f(U1,I1)＝0.5 Ω。
当U2＝3.0 V，I2＝1.0 A时，电动机正常工作，此时电动机为非纯电阻，则电动机的输出功率为P出＝U2I2－I22r＝2.5 W。
(2)当电动机正常工作被卡住时，电动机又为纯电阻，其热功率为P热＝eq \f(U22,r)＝18 W。
[答案] (1)2.5 W (2)18 W
【对点训练5】如图所示是某款理发用的电吹风的电路图，它主要由电动机M和电热丝R构成．当闭合开关S1、S2后，电动机驱动风叶旋转，将空气从进风口吸入，经电热丝加热，形成热风后从出风口吹出．已知电吹风的额定电压为220 V，吹冷风时的功率为120 W，吹热风时的功率为1 000 W．关于该电吹风，下列说法正确的是( )
A．电热丝的电阻为55 Ω
B．电动机的电阻为eq \f(1 210,3) Ω
C．当电吹风吹冷风时，电热丝每秒钟消耗的电能为120 J
D．当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为880 J
答案 A
解析 电吹风吹热风时电热丝消耗的功率为P＝1 000 W－120 W＝880 W，对电热丝，由P＝eq \f(U2,R)可得电热丝的电阻为R＝eq \f(U2,P)＝eq \f(2202,880) Ω＝55 Ω，选项A正确；由于不知道电动机线圈的发热功率，所以电动机线圈的电阻无法计算，选项B错误；当吹冷风时，电热丝没有工作，选项C错误；当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为120 J，选项D错误.
【对点训练6】在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路．当调节滑动变阻器R，使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为1.0 A和1.0 V；重新调节R，使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V．则当这台电动机正常运转时( )
A．电动机的内阻为7.5 Ω
B．电动机的内阻为2.0 Ω
C．电动机的输出功率为30.0 W
D．电动机的输出功率为26.0 W
答案 D
解析 因为电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为1.0 A和1.0 V，电动机在没有将电能转化为机械能时属于纯电阻电路，故说明电动机的内阻r＝eq \f(U,I)＝eq \f(1.0 V,1.0 A)＝1.0 Ω，选项A、B错误；当电动机正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V，则电动机的总功率为P总＝2.0 A×15.0 V＝30.0 W，此时电动机的发热功率为P热＝(2.0 A)2×1.0 Ω＝4.0 W，故电动机的输出功率为P出＝P总－P热＝30.0 W－4.0 W＝26.0 W，选项D正确．
【基础强化】
1．扫地机器人能有效清除地板上的灰尘等颗粒垃圾。若扫地机器人的电动机线圈电阻为r，当它正常工作时，电动机两端所加的电压为U，通过的电流为I，则( )
A．通过线圈的电流小于eq \f(U,r)
B．通过线圈的电流等于eq \f(U,r)
C．电动机的电功率为I2r
D．电动机输出的机械功率为UI
解析：选A 根据能量守恒定律有P电＝P热＋P出，即UI＝I2r＋P出，则I2r＜UI，可得I＜eq \f(U,r)，故A正确，B错误；电动机的电功率P电＝UI，而I2r是电动机的内阻损耗的热功率，故C错误；电动机输出的机械功率P出＝P电－P热＝UI－I2r，故D错误。
2.如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图．电动机的内阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R＝10 Ω，直流电压U＝160 V，理想电压表示数UV＝110 V．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＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，求该重物的质量．(g取10 m/s2)
答案 (1)5 A (2)550 W (3)53 kg
解析 (1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压UR＝U－UV＝(160－110)V＝50 V，
流过电阻R的电流IR＝eq \f(UR,R)＝eq \f(50,10) A＝5 A，
即通过电动机的电流IM＝IR＝5 A.
(2)电动机的电压UM＝UV＝110 V，输入电动机的电功率P电＝IMUM＝550 W.
(3)电动机的发热功率P热＝IM2r＝20 W，
电动机输出的机械功率P出＝P电－P热＝530 W，
又因P出＝mgv，
所以m＝eq \f(P出,gv)＝53 kg.
3.某扫地机器人电池容量2 000 mA·h，额定工作电压15 V，额定功率30 W，则下列说法正确的是( )
A．扫地机器人的电阻是7.5 Ω
B．题中mA·h是能量的单位
C．扫地机器人正常工作时的电流是2 A
D．扫地机器人充满电后一次工作时间约为4 h
解析：选C 根据题意，非纯电阻用电器无法计算电阻，A错误；题中mA·h是电荷量的单位，B错误；扫地机器人正常工作时的电流为I＝eq \f(P,U)＝eq \f(30,15) A＝2 A，C正确；2 000 mA·h＝2 A·h，扫地机器人充满电后一次工作时间约为t＝eq \f(2 A·h,2 A)＝1 h，D错误。
4.新能源电动汽车是当代生活中重要的交通工具。某品牌观光新能源电动车的动力电源上的铭牌标有“120 V 250 A·h”字样。假设工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率为3 kW。根据上述有关数据，下列说法不正确的是( )
A．电动汽车保持额定功率行驶的最长时间是10 h
B．额定工作电流为25 A
C．动力电源充满电后储存的电能为1.08×108 J
D．电动汽车电动机的内阻为4.8 Ω
解析：选D 工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率为3 kW，则额定工作电流I＝eq \f(P,U)＝25 A，B正确；根据Q＝It可得，电动汽车保持额定功率行驶的最长时间t＝eq \f(Q,I)＝10 h，A正确；动力电源充满电后储存的电能W＝UIt＝1.08×108 J，C正确；由所给条件无法求得电动汽车电动机的内阻，D错误。
5.如图为一种服务型机器人，其额定功率为48 W，额定工作电压为24 V。机器人的锂电池容量为20 A·h。则机器人( )
A．额定工作电流为20 A
B．充满电后最长工作时间为2 h
C．电池充满电后总电量为7.2×104 C
D．以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J
解析：选C 根据P＝UI可知，额定电流应该为2 A，选项A错。电源的容量为20 Ah，即当额定电流2 A下工作时，能够工作最长时间为10 h，选项B错误。电源充满电后的总电量为Q＝It＝20×3 600 C＝7.2×104 C，选项C正确。在额定电流下，机器人功率48 W即每秒消耗48 J，选项D错误。
6.额定电压都是110 V、额定功率PA＝110 W和PB＝40 W的两盏电灯，若接在电压是220 V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是( )
答案 C
解析 由P＝eq \f(U2,R)和已知条件可知RAQ
电功率
与热功率
P电＝UI，P热＝I2R＝eq \f(U2,R)，
P电＝P热
P电＝UI，P热＝I2R，P电>P热
每户普通家庭
用电器平均数
1台平板电视机
1台空调
1台洗衣机
1台台式电脑
每台用电器平均
待机功率(W)
1
4
2
3
电吹风额定电压
220 V
电吹风额定功率
热风时：990 W
冷风时：110 W
自重
40 kg
额定电压
48 V
载重
75 kg
额定电流
12 A
最大行驶速度
20 km/h
额定输出功率
350 W