2024教科版高中物理必修第三册同步练习（有解析）--2.8 焦耳定律　电路中的能量转化

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2024教科版高中物理必修第三册同步
第二章　电路及其应用
8　焦耳定律　电路中的能量转化
基础过关练
题组一　电功、电功率
1.(2022江苏淮安涟水一中月考)LED灯可将电能高效转化为光能,在日常生活中得到普遍应用。某LED灯的额定电压为5.0 V,额定功率为3.0 W,其照明亮度与25 W的白炽灯相当。该LED灯在额定电压下工作时的电流为 (　　)
A.0.25 A　　　　B.0.60 A　　　　
C.1.7 A　　　　D.3.0 A
2.(2022四川凉山宁南中学月考)如图所示为两个电阻的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 (　　)
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
3.(2022四川南充高级中学月考)如图所示为一台冬天房里取暖用的暖风机,其内部电路可简化为加热电阻丝与电动机串联,电动机带动风叶转动,将加热后的热空气吹出。设电动机的线圈电阻为R1,电阻丝的电阻为R2,将暖风机接到电压为U的电源上,正常工作时,电路中的电流为I,电动机、电阻丝、暖风机消耗的电功率分别为P1、P2、P,则下列关系式正确的是 (　　)
A.P1=I2R1　　　　B.P2>I2R2
C.P=UI　　　　D.P=I2(R1+R2)
4.(2022四川泸州期末)如图所示的电路中,R1、R2、R3均为定值电阻。其中R1=5 Ω,额定功率P1=5 W;R2=5 Ω,额定功率P2=20 W;R3=4 Ω,额定功率P3=49 W,则A、B之间允许消耗的最大功率为 (　　)
A.35 W　　　　B.50 W　　　　C.59 W　　　　D.74 W
题组二　焦耳定律　热功率
5.一个阻值为1 Ω的电阻,通过它的电流为2 A,则下列说法正确的是 (　　)
A.1 s内通过该电阻横截面的电荷量为1 C
B.该电阻1 s内产生的热量为2 J
C.该电阻1 s内产生的热量为4 J
D.该电阻的热功率为2 W
6.(2022四川遂宁第二中学期中)两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B并联在电路中,A的长度为L,直径为d;B的长度为2L,直径为2d,那么通电后在相同的时间内产生的热量之比为(　　)
A.QA∶QB=1∶2
B.QA∶QB=2∶1
C.QA∶QB=1∶1
D.QA∶QB=4∶1
7.(2022四川南充东辰学校月考)某家用电热壶有“加热”和“保温”两个挡位,其简化电路如图所示,R1、R2是电热丝,R1=1 050 Ω,R2=50 Ω。开关S接“1”时,电热壶为　　　　挡位;开关S接“2”时,通电5 min,电流通过R2产生的热量为　　　　 J。
题组三　电路中的能量转化
8.(2022四川南充期末)如图所示是某同学对电动牙刷的微型电动机进行研究的实验电路,其操作如下:闭合开关S,调节滑动变阻器R的阻值,当理想电压表的示数为0.3 V时,电动机不转动,此时理想电流表示数为60 mA;重新调节R使电动机正常运转,此时电压表和电流表的示数分别为2.4 V和100 mA,则这台电动机正常运转时的输出功率为 (　　)
A.0.24 W　　　　B.0.05 W　　　　
C.0.018 W　　　　D.0.19 W
9.(2022北京海淀期中)现有一台排风扇,如图所示,排风扇电动机的线圈电阻为 0.2 Ω,当它两端电压为110 V时,通过的电流为5 A,则这台排风扇 (　　)
A.每分钟消耗的电能是33 000 J
B.每分钟产生的热量为300 J
C.输出功率是545 W
D.工作效率是82.5%
10.(2022四川成都阶段检测)在如图所示的电路中,电源电动势为E=6 V,内阻为r=1 Ω,定值电阻R的阻值为3 Ω,电动机M的线圈阻值为0.5 Ω。闭合开关S后,理想电压表的示数为4 V。下列说法正确的是 (　　)
A.通过定值电阻R的电流为 A
B.电源的输出功率为 W
C.电动机M的输出功率为2 W
D.电动机M的线圈在1分钟内产生的热量为7.5 J
11.(2022四川广安二中期中)如图所示,电解槽与电阻R并联后接到电源上,电源的电动势E=120 V,内阻r=1 Ω,电阻R=19 Ω,电解槽电阻r'=0.5 Ω。S闭合时电阻R消耗的功率为475 W,求:
(1)此时通过电阻R的电流;
(2)电解槽中电能转化为化学能的功率。
能力提升练
题组一　部分电路功率的分析与计算
1.(2022四川江油中学阶段检测)有四盏如图所示的电灯连接在电路中,L1和L2都标有“220 V,60 W”字样,L3和L4都标有“220 V,25 W”字样,把电路接通后,四个灯都能发光。最暗的是(　　)
A.L3　　　　B.L2　　　　C.L1　　　　D.L4
2.(2022黑龙江大庆铁人中学月考)在如图所示的电路中,定值电阻R的阻值为10 Ω,电动机的线圈阻值为2 Ω,a、b端加有44 V的恒定电压,电压表(不计其电阻对电路的影响)的示数为24 V,由此可知 (　　)
A.通过电动机的电流为12 A
B.通过电动机的电流为2 A
C.电动机消耗的总功率为48 W
D.电动机输出的功率为8 W
3.(2022四川绵阳期中)如图所示为电动机提升重物的装置,电动机两端电压为5 V时,卡住电动机,电路中电流为5 A,正常工作时电路中的电流为1 A,物体A重20 N。忽略一切摩擦,求正常工作的情况下:
(1)电动机线圈电阻消耗的热功率为多少;
(2)电动机的输出功率是多少;
(3)电动机匀速提升重物的速度;
(4)电动机工作一小时损失的电能是多少。
题组二　闭合电路功率的分析与计算
4.(2022四川广安二中期中)用充电宝为一手机电池充电,其等效电路如图所示,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r,则时间t内 (　　)
A.手机电池产生的焦耳热为UIt
B.手机电池储存的化学能为UIt-I2rt
C.充电宝产生的热功率为I2r
D.充电宝输出的电功率为UI+I2r
5.(2022四川乐山期末)在电学实验中,电流表的内阻几乎为零,但实验室中有一种小量程电流表,其内阻不为零,在处理这种电流表时,可将其看成是一个无内阻的电流表A和一个电阻RA串联(如图中虚线框内所示)。现在我们要测量一只这种电流表的内阻RA的阻值,电路设计如图所示,电源输出电压U不变,当S1闭合、S2断开时,电流表示数I1=0.15 A,R1消耗的电功率为P1;当S1断开、S2闭合时,电流表示数为0.1 A,RA消耗的电功率为0.1 W,R2消耗的电功率为P2;且P1∶P2=9∶8,则下列说法正确的是 (　　)
A.R1=10 Ω　　　　B.RA=20 Ω
C.P1=0.3 W　　　　D.U=3 V
6.(2022四川泸州龙马高中期中)在如图所示电路中,电源电动势为12 V,内阻为2 Ω,指示灯L的阻值为16 Ω,电动机M的线圈电阻为2 Ω。当开关S闭合时,指示灯L的电功率为4 W。电流表为理想电表,那么下列说法中正确的是 (　　)
A.流过电动机M的电流为4 A
B.流过电流表的电流为4.5 A
C.电动机M的电功率为12 W
D.电源的输出功率为24 W
7.(2022四川资阳期末)如图所示,电源电动势E=3 V,小灯泡L标有“2 V,0.4 W”。开关S接1,当变阻器调到R=4 Ω时,小灯泡L正常发光;现将开关S接2,小灯泡L和电动机M均正常工作。下列判断正确的是 (　　)
A.电源内阻为10 Ω
B.电源效率约为93.3%
C.电动机的正常工作电压为1 V
D.电动机的内阻为4 Ω
8.(2022四川达州期末)无人机在人们生活中扮演着重要角色,为人们的生产生活带来诸多便利。一个摄影爱好者利用无人机在空中航拍,某时刻,无人机的电动机出现故障完全“卡死”(此时电动机视为纯电阻),通过短暂调整后无人机电动机恢复正常。无人机的内部简化电路如图所示,电源电压为E=12 V,内阻r=0.5 Ω,定值电阻R1=1.5 Ω,电动机的线圈电阻R0=1 Ω,电动机正常工作的电流为I0=2 A。(电流表为理想电流表,导线和开关电阻不计)求:
(1)电动机“卡死”状态下,电流表的示数I;
(2)电动机正常工作时两端电压U。
9.(2022四川成都阶段检测)如图所示电路,R3=12 Ω,当开关S闭合,滑动变阻器R1调到6 Ω时,电源的总功率为P=63 W,输出功率为P出=54 W,电源的内电阻为r=1 Ω。求电源电动势E和流过滑动变阻器R1的电流I1。
答案与分层梯度式解析
8　焦耳定律　电路中的能量转化
基础过关练
1.B 2.A 3.C 4.A 5.C 6.A
8.D 9.ABC 10.D
1.B　已知LED灯的额定电压为5.0 V,额定功率为3.0 W,则LED灯在额定电压下工作时的电流I= A=0.60 A,B正确。
2.A　根据R=,结合U-I图像可知R1∶R2=6∶3=2∶1;两电阻串联接入电路时,通过它们的电流相等,根据P=I2R可得P1∶P2=R1∶R2=2∶1;两电阻并联接入电路时,它们两端的电压相等,根据P=可得P1'∶P2'=R2∶R1=1∶2,故A正确。
3.C　电动机为非纯电阻用电器,电动机消耗的电功率P1>I2R1,A错误;电阻丝是纯电阻,消耗的电功率为P2=I2R2,B错误;暖风机消耗的电功率P是总功率,大小为P=UI,C正确;因为电动机是非纯电阻用电器,所以暖风机消耗的电功率P>I2(R1+R2),D错误。
4.A　由P=I2R可得R1的额定电流为I1==1 A,R2、R3的额定电流分别为I2=2 A,I3= A;根据并联电路规律可知两支路的电流之比为,所以要保证电路安全,只能是允许通过R1的电流达到最大值,即为I1=1 A,P1=5 W,R2的实际功率为P2'=R2=5 W,并联电路两端的电压为U=I1(R1+R2)=10 V,R3的实际功率为P3'==25 W,则A、B之间允许消耗的最大功率为P=P1+P2'+P3'=35 W,故A正确。
导师点睛　电路中功率计算的两点注意
(1)串联电路中,功率与电阻成正比;并联电路中,功率与电阻成反比。
(2)无论是串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。
5.C　根据电流定义式I=知,1 s内通过该电阻横截面的电荷量为q=It=2 C,A错误;该电阻1 s内产生的热量为Q=I2Rt=4 J,B错误,C正确;热功率P热=I2R=4 W,D错误。
6.A　由题意可知,A、B两根电阻丝的长度之比为1∶2,直径之比为1∶2,则横截面积之比为1∶4,根据电阻定律R=ρ知,它们的电阻之比为2∶1;两电阻丝并联在电路中,两端的电压相等,根据Q=t可知相同的时间内产生的热量之比为1∶2,A正确。
7.答案　加热　600
解析　对于纯电阻电路,当电压一定时,总电阻越小,热功率越大,所以当开关接“1”时,电热壶为加热挡位;当开关接“2”时,R1和R2串联,有I= A=0.2 A,所以通电5 min,R2产生的热量为Q=I2R2t=0.22×50×5×60 J=600 J。
8.D　当理想电压表的示数为0.3 V时,电动机不转动,电动机看作纯电阻,根据R= Ω=5 Ω;电动机正常运转时,消耗的总功率P=U'I'=0.24 W,发热功率为P热=I'2R=0.05 W,故输出功率为P出=P-P热=0.19 W,D正确。
9.ABC　排风扇的电功率P=UI=110×5 W=550 W,每分钟消耗的电能E=Pt=550×60 J=33 000 J,选项A正确;每分钟产生的热量为Q=I2rt=52×0.2×60 J=300 J,选项B正确;排风扇的输出功率P出=UI-I2r=545 W,选项C正确;排风扇的工作效率是η=×100%=99%,选项D错误。
10.D　根据闭合电路欧姆定律有I==0.5 A,故A错误;电源的输出功率为P=EI-I2r=2.75 W,故B错误;电动机M的输出功率为P出=UI-I2RM=1.875 W,故C错误;电动机M的线圈在1分钟内产生的热量Q=I2RMt=7.5 J,故D正确。
11.答案　(1)5 A　(2)1 700 W
解析　(1)根据P=I2R可得通过电阻R的电流IR=5 A
(2)路端电压U=IRR=95 V,总电流I==25 A
则电解槽中的电流I1=I-IR=20 A
电解槽中电能转化为化学能的功率为P'=UI1-r'=1 700 W
能力提升练
1.A 2.BC 4.B 5.AD 6.C 7.B
1.A　根据公式P=可得L1和L2的电阻小于L3和L4的电阻,因为通过L2和L3的电流之和等于通过L1的电流,也等于通过L4的电流,所以通过L1的电流大于通过L2的电流,通过L3的电流小于通过L4的电流,根据公式P=I2R可得P1>P2,P4>P3;因为L2和L3并联,所以电压相等,根据公式P=可得P2>P3,因此P1>P2>P3,P4>P3,所以L3最暗。故选A。
2.BC　电动机和定值电阻串联,可得IR=U-UM,代入数据可得I=2 A,A错误,B正确;电动机消耗的总功率为P总=UMI=48 W,C正确;电动机输出功率为P输出=P总-I2r=40 W,D错误。
3.答案　(1)1 W　(2)4 W　(3)0.2 m/s　(4)3 600 J
解析　(1)电动机两端电压为5 V时,卡住电动机,电路中电流为5 A,可知电动机线圈电阻为r= Ω=1 Ω
正常工作时电路中的电流为1 A,则电动机线圈电阻消耗的热功率为P热=I'2r=12×1 W=1 W
(2)电动机正常工作时的电功率为
P电=UI'=5×1 W=5 W
电动机的输出功率为P出=P电-P热=5 W-1 W=4 W
(3)根据P出=mgv
可知物体匀速运动时的速度为v= m/s=0.2 m/s
(4)电动机工作一小时损失的电能为
E损=P热t=1×3 600 J=3 600 J
4.B　手机电池产生的焦耳热为Q=I2rt5.AD　当S1断开、S2闭合时,由P=I2R可求电流表内阻为RA==10 Ω。当S1闭合、S2断开时,由闭合电路欧姆定律及P=UI可得U=I1RA+;当S1断开、S2闭合时,同理可得U=I2RA+,又有P1∶P2=9∶8,联立解得U=3 V,P1=0.225 W,P2=0.2 W;又由P=I2R可得R1==10 Ω,故A、D正确,B、C错误。
6.C　根据PL=,代入数据解得IL=0.5 A,UL=8 V,根据闭合电路欧姆定律可得E=UL+Ir,解得流过电流表的电流为I=2 A,所以流过电动机的电流为IM=I-IL=1.5 A,故A、B错误;电动机的电功率为PM=ULIM=8×1.5 W=12 W,故C正确;电源的输出功率P出=ULI=8×2 W=16 W,故D错误。
7.B　小灯泡的额定电流为I= A=0.2 A,电阻为RL= Ω=10 Ω;当开关S接1时,E=I(RL+R+r),代入数据解得电源的内阻r=1 Ω,A错误;电源的效率为η=×100%=93.3%,B正确;当开关S接2时灯泡正常发光,流过的电流为I=0.2 A,电源内阻分得的电压为U内=Ir=0.2×1 V=0.2 V,故电动机分得的电压为U动=E-UL-U内=(3-2-0.2) V=0.8 V,则电动机的内阻R'< Ω=4 Ω,C、D错误。
8.答案　(1)4 A　(2)8 V
解析　(1)电动机“卡死”状态下可视为纯电阻,由闭合电路的欧姆定律有I==4 A
(2)电动机正常工作时,工作电流为I0=2 A,由能量守恒定律有EI0=(r+R1)+UI0
代入数据解得U=8 V
9.答案　21 V　2 A
解析　由题意可知P内=63 W-54 W=9 W
由P内=I2r解得I=3 A,由P=EI解得E==21 V
又由R并==4 Ω,所以U并=IR并=12 V
则I1==2 A
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