高中物理 第二章 恒定電流 第5節(jié) 焦耳定律學(xué)案 新人教版選修3-1

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1、 5　焦耳定律 答案：（1）恒定電場(chǎng)?。?）靜電力?。?）UIt　（4）焦耳?。?）千瓦時(shí)?。?）單位時(shí)間　（7）IU?。?）瓦?。?）內(nèi)能　（10）電流?。?1）電阻　（12）通電時(shí)間　（13）I2Rt?。?4）單位時(shí)間?。?5）I2R　（16）瓦 1．電功 （1）定義：電路中電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，簡(jiǎn)稱電功，通常也說(shuō)成是電流的功。用W表示。 （2）實(shí)質(zhì)：是能量守恒定律在電路中的體現(xiàn)。即電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量守恒，即有多少電能減少，就有多少其他形式的能增加。 （3）公式：W＝qU＝UIt，即電流在一段電路上所做的功，等

2、于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I和通電時(shí)間t三者的乘積。 （4）單位：國(guó)際單位是焦耳，簡(jiǎn)稱焦，符號(hào)是J。常用的單位是千瓦·時(shí)，亦稱為“度”。符號(hào)是“kW·h”，1 kW·h＝1 000 W×3 600 s＝3.6×106 J。 談重點(diǎn)?、匐姽＝qU＝UIt，適用于任何電路。②在純電阻電路中，由于I＝U/R，所以W＝I2R·t＝·t。 【例1】一根電阻絲，通過(guò)2 C的電荷量所消耗的電能是8 J。若在相同的時(shí)間內(nèi)通過(guò)4 C的電荷量，該電阻絲上所加電壓和消耗的電能分別是（　　） A．4 V,16 J B．8 V,16 J C．4 V,32 J D．8 V

3、,32 J 解析：利用W＝qU可求出電壓U1，再由I＝＝可以求出U2，然后利用W＝qU求W2 設(shè)電阻絲電阻為R，開(kāi)始所加電壓U1，則W1＝q1U1 即8＝2U1，故U1＝4 V 設(shè)后來(lái)所加電壓為U2，產(chǎn)生的熱量為W2，則 I2＝＝① 又I1＝＝② 由①②得U2＝U1＝×4 V＝8 V W2＝q2U2＝4×8 J＝32 J。 答案：D 2．電功率 （1）定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功叫做電功率。用P表示電功率。 （2）定義式：P＝W/t＝IU。 （3）單位：瓦（W）、千瓦（kW）。 （4）意義：電功率是描述電流做功快慢的物理量。 談重點(diǎn)?。?）電功率P＝W/t＝IU，

4、適用于任何電路。 （2）在純電阻電路中，P＝I2R＝U2/R。 （3）電流做功快，但做功不一定多；電流做功慢，但做功不一定少。 （5）串聯(lián)、并聯(lián)電阻的功率分配 ①串聯(lián)電路：＝，＝（由P＝I2R可得），電阻越大，功率越大。 ②并聯(lián)電路：＝，＝（由P＝可得），電阻越大，功率越小。 （6）額定功率和實(shí)際功率 ①額定功率：用電器正常工作時(shí)所消耗的功率叫額定功率。當(dāng)用電器兩端電壓達(dá)到額定電壓U額時(shí)，電流達(dá)到額定電流I額，電功率也達(dá)到額定功率P額，且P額＝U額I額，對(duì)于純電阻用電器，P額＝IR＝。 ②實(shí)際功率：用電器實(shí)際工作時(shí)所消耗的功率叫實(shí)際功率，實(shí)際功率不能長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)額定功率。 破疑

5、點(diǎn)?。?）不能認(rèn)為額定功率大的燈泡一定比額定功率小的燈泡亮，燈泡的明亮程度是由其實(shí)際消耗的功率決定的，與額定功率無(wú)關(guān)。 （2）加給用電器的電壓不應(yīng)超過(guò)額定電壓，否則就可能使用電器損壞，因此，在使用電器時(shí)，一定要先檢查用電電壓是否符合額定電壓，保證用電安全。 【例2】（廣州高二檢測(cè)）額定電壓都是110 V，額定功率PA＝100 W，PB＝40 W的電燈兩盞，若接在電壓是220 V的電路上，使兩盞電燈均能正常發(fā)光，且電路中消耗功率最小的電路是（　?。? 解析：判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，對(duì)燈泡有P＝UI＝，可知RA＜RB，對(duì)于A電路，由于RA＜R

6、B，所以UB＞UA，且有UB＞110 V，B燈被燒毀，UA＜110 V不能正常發(fā)光，A錯(cuò)誤。 對(duì)于B電路，由于RB＞RA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UB＞U并，B燈燒毀。 對(duì)于C電路，B燈與變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光。 對(duì)于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光。 比較C、D兩個(gè)電路， 由于C電路中變阻器功率為（IA－IB）×110 V，而D電路中變阻器功率為（IA＋I(xiàn)B）×110 V，所以C電路消耗電功率最小。 答案：C 3．焦耳定律 注意：電熱是電能轉(zhuǎn)化為

7、內(nèi)能的量度。只要電路中有電阻元件，電流通過(guò)電路時(shí)必產(chǎn)生電熱，焦耳定律是一切電路中計(jì)算電熱的普適公式。 【例3】用一個(gè)額定電壓為220 V的電熱水器煮沸一壺水需要t s，如果不考慮電熱水器的電熱損失和電熱絲電阻受溫度的影響，那么（　?。? A．當(dāng)線路電壓為110 V時(shí)，煮沸一壺水需要2t s B．當(dāng)線路電壓為110 V時(shí)，煮沸一壺水需要4t s C．當(dāng)線路電壓為55 V時(shí)，煮沸一壺水需要4t s D．當(dāng)線路電壓為55 V時(shí)，煮沸一壺水需要16t s 解析：由公式Q＝t，煮沸一壺水所需的熱量為Q＝t J。當(dāng)電壓變?yōu)樵瓉?lái)的時(shí)，所需熱量沒(méi)變，因此時(shí)間要變?yōu)樵瓉?lái)的4倍，即4t s，選項(xiàng)B正確。

8、當(dāng)電壓變?yōu)樵瓉?lái)的時(shí)，時(shí)間要變?yōu)樵瓉?lái)的16倍，即16t s，選項(xiàng)D正確。 答案：BD 4．熱功率 （1）定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量叫熱功率。 （2）表達(dá)式：熱功率即電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率P＝＝I2R。 （3）單位：瓦特，符號(hào)W。 （4）實(shí)質(zhì)：電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率。 【例4】如圖所示，把四個(gè)電阻的I－U關(guān)系圖線（伏安特性曲線）按相同標(biāo)度畫(huà)在同一個(gè)直角坐標(biāo)系上，現(xiàn)將這四個(gè)電阻并聯(lián)使用，熱損耗功率最大的是（　?。? A．R1 B．R2 C．R3 D．R4 解析：四個(gè)電阻并聯(lián)使用，電壓相等，熱損耗功率可由P＝進(jìn)行比較。而從I－U關(guān)系圖線知，直線斜率的倒數(shù)才是電阻的大

9、小，于是R1最小，R4最大。由P＝知，R1消耗的熱功率P1最大，R4消耗的熱功率P4最小。 答案：A 5．純電阻電路與非純電阻電路的區(qū)別 電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的量度，電熱是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量度。 【例5】規(guī)格為“220 V 36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 Ω，求： （1）接上220 V的電壓后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率； （2）如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率。 解析：（1）排氣扇在220 V的電壓下正常工作時(shí)的電流為 I＝＝A＝0.16 A 發(fā)熱功率為 P熱＝I2R＝（0.16）2×40 W＝1 W 轉(zhuǎn)化

10、為機(jī)械能的功率為 P機(jī)＝P－P熱＝（36－1）W＝35 W。 （2）扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)成為純電阻電路，電流做功全部轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)中電流為I′＝＝ A＝5.5 A 電動(dòng)機(jī)消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率： P電′＝P熱′＝UI′＝220×5.5 W＝1 210 W。 答案：（1）35 W　1 W?。?）1 210 W　1 210 W 析規(guī)律　排氣扇中有電動(dòng)機(jī)，解答有關(guān)電動(dòng)機(jī)問(wèn)題時(shí)注意： （1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)可以看成純電阻電路，P＝UI＝I2R＝均成立。 （2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，是非純電阻電路 P電＝UI＞P熱＝I2R，U≠IR而有U＞IR。 （3）輸入功率指

11、電動(dòng)機(jī)消耗的總功率。熱功率是線圈上的電阻的發(fā)熱功率。輸出功率是指電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率。三者的關(guān)系：UI＝I2R＋P機(jī)。 6．電功和電熱在生活中的應(yīng)用 電功和電熱在生產(chǎn)、日常生活和科技中的應(yīng)用非常廣泛，例如電視、電腦、電動(dòng)車、空調(diào)等都是利用了電流做功；像電熱水器、電熨斗、電飯鍋、電烘箱、工業(yè)生產(chǎn)中的電冶等則是利用了電流的熱效應(yīng)。解決這類問(wèn)題的關(guān)鍵是理解題目提供的信息，并從中挖掘出解題所需的物理量。 比如在北京奧運(yùn)會(huì)上倡導(dǎo)的“科技奧運(yùn)”，是奧運(yùn)史上首次提出的將科技與奧運(yùn)結(jié)合的新理念，其中混合動(dòng)力電動(dòng)環(huán)保汽車在各奧運(yùn)場(chǎng)館之間組成了“綠色車隊(duì)”為2008年奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館服務(wù)。若某輛以蓄

12、電池為驅(qū)動(dòng)能源的環(huán)保汽車，總質(zhì)量m＝3×103 kg，當(dāng)它在水平路面上以v＝36 km/h的速度勻速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入電流I＝50 A，電壓U＝300 V。在此行駛狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率P電＝IU＝1.5×103 W，若驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠?qū)⑤斎牍β实?0%轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車運(yùn)動(dòng)的機(jī)械功率P機(jī)，則P機(jī)＝0.9P電＝Fv＝fv，所以汽車所受阻力f＝0.9P電/v＝1.35×103 N。 【例6】電動(dòng)自行車是目前較為時(shí)尚的代步工具，某廠生產(chǎn)的一種電動(dòng)自行車，設(shè)計(jì)質(zhì)量（包括人）為80 kg，動(dòng)力電源選用能量存儲(chǔ)為“36 V 10 A·h”（即輸出電壓為36 V，工作電流與工作時(shí)間的乘積為10安培小

13、時(shí)）的蓄電池（不計(jì)內(nèi)阻），電動(dòng)機(jī)的輸入功率有兩擋，分別為P1＝120 W和P2＝180 W，考慮到傳動(dòng)摩擦以及電機(jī)發(fā)熱等各種原因造成損耗，電動(dòng)自行車行駛時(shí)的功率為輸入功率的80%，如果電動(dòng)自行車在平直公路上行駛時(shí)所受阻力與行駛速度和自行車對(duì)地面的壓力都成正比，即Ff＝kmgv，其中k＝5.0×10－3 s·m－1，g取10 m/s2。求： （1）該電動(dòng)自行車分別選用兩擋行駛時(shí)，行駛的最長(zhǎng)時(shí)間分別為多少？ （2）電動(dòng)自行車在平直公路上能到達(dá)的最大速度。 （3）估算選用“高功率擋”時(shí)電動(dòng)自行車在平直公路上的最大行程。 解析：（1）根據(jù)公式P＝IU可得兩擋電流分別為I1＝A，I2＝5 A 再根據(jù)電池容量可得t1＝＝h＝3 h，t2＝h＝2 h。 （2）當(dāng)電動(dòng)自行車以最大功率行駛且勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度最大，有F牽＝kmgvmax，而F牽＝ 聯(lián)立兩式得vmax＝＝m/s＝6 m/s。 （3）忽略電動(dòng)自行車的啟動(dòng)和減速過(guò)程，可認(rèn)為電動(dòng)自行車能以最大速度行駛2 h，即smax＝vmaxt＝6×3 600×2 m＝43.2 km。 答案：（1）3 h　2 h?。?）6 m/s　（3）43.2 km 5