高中物理人教版 (新课标)选修35 焦耳定律学案及答案

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5　焦耳定律学 习 目 标知 识 脉 络1.理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质．(重点)2．理解电功和电热的区别，会区分纯电阻电路和非纯电阻电路．(难点)3．理解电功率和热功率．(重点)4．会从能量守恒角度理解焦耳定律．(难点) 电 功 和 电 功 率1．电功(1)定义：电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压、电路中的电流、通电时间三者的乘积．(2)公式：W＝IUt.(3)单位：国际单位是焦耳，符号是J.(4)意义：描述电能转化为其他形式能的多少．2．电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功．(2)公式：P＝IU.(3)单位：瓦特，符号是W.(4)意义：描述电能转化为其他能的快慢或者是电流做功的快慢1．电功与电能的单位相同，电功就是电能．(×)2．电功率越大，电功越大．(×)3．1千瓦时＝3.6×106 J．(√)用电器额定功率越大，接在电路中电流做的功越多，这样说法对吗？【提示】　不对，电流做功一方面与电功率有关，另一方面还与通电时间有关，只有电功率与时间乘积大时，电流做功才多．将额定电压均为1.5 V，额定功率分别为0.3 W和0.5 W的小灯泡A、B串联起来接在电压为U的电源上，两灯泡均发光．探讨1：A、B两灯泡的电压能否同时达到额定电压？【提示】　不能．探讨2：A、B两灯泡中，哪个灯泡更亮一些？【提示】　由R＝可知，RA＞RB，两灯泡串联时，由P＝I2R可知，PA＞PB，故A灯更亮一些．1．串联电阻的功率分配(1)分配规律：各电阻上的电功率与电阻成正比，即＝，＝.证明：串联电阻各部分电流相同，由P＝I2R知P1＝I2R1，P2＝I2R2，Pn＝I2Rn，P总＝I2R总，则＝，＝.(2)总功率：电阻消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和．证明：P总＝IU总＝I(U1＋U2＋…＋Un)＝IU1＋IU2＋…＋IUn＝P1＋P2＋…＋Pn2．并联电阻的功率分配(1)分配规律：各支路电阻上的电功率与电阻成反比，即＝，＝.证明：并联电阻各部分电压相同，由P＝知P1＝，P2＝，Pn＝，P总＝，则＝，＝.(2)总功率：电路消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和，即P总＝P1＋P2＋…＋Pn.证明：P总＝IU＝(I1＋I2＋…＋In)U＝I1U＋I2U＋…＋InU＝P1＋P2＋…Pn.3．额定功率和实际功率的比较 额定功率实际功率区别用电器上标着的功率，即用电器正常工作时的功率．额定功率的大小是由用电器本身的因素决定的，与外加因素无关用电器实际工作时消耗的电功率．为了使用电器不被烧坏，要求其实际功率不能大于额定功率计算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，对于纯电阻用电器P额＝IR＝用电器两端的实际电压为U实，实际电流为I实，则P实＝I实U实，对于纯电阻用电器，P实＝IR＝联系用电器两端所加电压为额定电压时，用电器的实际功率等于额定功率注意无论用电器是否在额定电压下工作，通常认为用电器的电阻是恒定不变的，这是利用用电器的额定值计算实际功率的一个关键和桥梁1．如图2­5­1所示，把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中，甲电路两端的电压为8 V，乙电路两端的电压为16 V．调节变阻器R1和R2使两灯都正常发光，此时变阻器消耗的功率分别为P1和P2，两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，则下列关系中正确的是(　　) 【导学号：34522026】图2­5­1A．P甲<P乙 B．P甲>P乙C．P1>P2 D．P1＝P2【解析】　由灯都正常发光可知，R1中电流是R2中电流二倍，R1两端电压是R2两端电压的二分之一，两变阻器消耗的功率相等，两电路中消耗的总功率相等，选项D正确，A、B、C错误．【答案】　D2．额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W的电灯两盏，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(　　)A　　　　　　　　BC　　　　　　　　D【解析】　对灯泡有P＝UI＝，可知：RA<RB，对于A电路，由于RA<RB，所以UB>UA，且有UB>110 V，B灯被烧毁，UA<110 V不能正常发光，A错误．对于B电路，由于RB>RA，A灯又并联变阻器，并联电阻更小于RB，所以UB>U并，B灯被烧毁．对于C电路，B灯与变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光．对于D电路，若变阻器的有效电阻等于A、B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，由于C电路中变阻器功率为(IA－IB)×110，而D电路中变阻器功率为(IA＋IB)×110，所以C电路消耗电功率最小．【答案】　C求解功率的三个技巧(1)在纯电阻电路中，比较用电器的电功率时，要根据已知条件灵活选用公式，如用电器电流相同时，用P＝I2R比较；若电压相同时，用P＝比较；若电阻相同时，可根据I或U的关系比较．(2)求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要明确是正比还是反比关系．(3)当求解用电器的功率时，要明确求解的是什么功率．实际功率与额定功率不一定相等．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.3．热功率1．电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热．(×)2．根据I＝可导出P＝，该公式用于任何用电器．(×)3．电流通过电解槽时，电功大于电热．(√)标有“220 V　40 W”的白炽灯泡和“220 V　40 W”的电动机，把它们并联后接到220 V的照明电路中，二者都能正常工作，它们在相同的时间内产生的电热相同吗？【提示】　不同，“220 V　40 W”白炽灯通电时将电能全部转化为内能，而“220 V　40 W”的电动机，通电后消耗的电能一部转化为内能另一部分转化为机械能．如图2­5­2所示，电压U恒为12 V，灯泡L上标有“6 V　12 W”，电动机线圈的电阻RM＝0.50 Ω.图2­5­2探讨1：灯泡L上流过的电流是否可以用IL＝求解？为什么？【提示】　不可以，因为有电动机工作的电路不是纯电阻的电路．探讨2：若灯泡恰好正常发光，则电动机消耗的功率和发热功率各多大？【提示】　P＝IMUM＝(U－UL)＝12 W.P热＝IRM＝()2·RM＝2 W.1．纯电阻电路和非纯电阻电路 纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件电路中除电阻外，还包括能把电能转化为其他形式能的用电器电流、电压、电阻三者的关系遵循欧姆定律I＝不遵循欧姆定律，U>IR或I<能量转化形式电流做功，电能全部转化为内能电流做功，电能转化为内能和其他形式的能量元件举例电阻、电炉丝、白炽灯电动机、电解槽2.电功与电热的比较 纯电阻电路非纯电阻电路能量转化电功W＝UIt＝I2Rt＝tW＝UIt电热Q＝UIt＝I2Rt＝tQ＝I2Rt关系W＝QW＞Q3.电功率与电热功率的比较 纯电阻电路非纯电阻电路电功率P电＝UI＝I2R＝P电＝UI热功率P热＝UI＝I2R＝P热＝I2R关系P电＝P热P电＞P热3．下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中错误的是(　　)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＝t只适用于纯电阻电路C．在非纯电阻电路中，UI>I2RD．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路【解析】　电功率公式为P＝，功率越大，表示电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝，焦耳热Q＝()2Rt，可见Q与P、U、t都有关．所以，P越大，Q不一定越大，A错；W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝只适用于纯电阻电路，B正确；在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C正确；Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热，D正确．【答案】　A 4．(多选)如图2­5­3所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图，其中电动机内电阻r＝1 Ω，电路中另一电阻R＝9 Ω，直流电压U＝180 V，理想电压表示数UV＝135 V，电动机正以v＝1 m/s匀速竖直向上提升某重物，g取10 m/s2，下列判断正确的是(　　)图2­5­3A．通过电动机的电流是18 AB．输入电动机的电功率是675 WC．电机的输出功率是25 WD．重物的质量是65 kg【解析】　通过R的电流为：I＝＝A＝5 A，故A错误；电动机的输入功率为：P1＝UVI＝135×5 W＝675 W，故B正确；电动机内电阻的发热功率为：P2＝I2r＝52×1 W＝25 W，输出的机械功率为：P3＝P1－P2＝(675－25)W＝650 W，故C错误；P3＝Fv＝mgv，解得：m＝＝65 kg，故D正确．【答案】　BD电功、电热的计算方法(1)判断电路中的用电器是纯电阻用电器还是非纯电阻用电器．(2)分析各用电器之间的连接方式，对纯电阻电路，计算时可以利用串联电路的分压特点或并联电路的分流特点．(3)由所求问题选取合适的公式，在非纯电阻电路中计算电功只能用W＝UIt，计算电热只能用Q＝I2Rt.欧姆定律的变形式在纯电阻电路中才能通用．(4)对于含电动机的电路，电动机转动时是非纯电阻用电器，电动机不转动时是纯电阻用电器．