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电功和电功率的比较
第3节 电功与电热
知识 清单破
知识点 1 电功和电功率
项目 电功 电功率
概念 电场力对定向移动的自由电
荷所做的功 单位时间内电流所做的功
公式 W=qU=UIt P= =UI
单位 焦耳,简称焦,符号J 瓦特,简称瓦,符号W
物理 意义 描述电能转化为其他形式能
的多少 描述电流做功的快慢
1.内容:电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比,与导体的电阻及通电时间成正比。
2.公式:Q=I2Rt。
3.适用条件:适用于任何电路。
知识点 2 焦耳定律
1.电流热效应的应用
如电热水器、电饭锅、电刻笔、电阻焊等都是利用电流的热效应工作的。
2.电流热效应的危害
(1)插头和插座之间接触不良会迸出火花。
(2)在输电线路中由于电热,降低了电能的传输效率。
(3)电线中由于电流过大或散热不好会烧坏电线的绝缘层,引起漏电、触电。
知识点 1 身边的电热
1.电功W=UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功。 ( )
2.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。 ( )
3.电饭锅、电烙铁和电风扇都是利用电流的热效应工作的。 ( )
4.用电器电功率越大,接在电路中电流做的功越多。 ( )
5.由能量守恒可知,在某一电路中,电功永远等于电路中产生的热量。 ( )
知识辨析 判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ” 。
√
√
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。
提示
情境探究
如图所示,电风扇和电熨斗都是通过电流做功进行工作的电器。
疑难 情境破
疑难 电功、电热及两种电路的比较
问题1 电风扇工作时,主要将电能转化为什么能
提示 机械能
问题2 电熨斗工作时,主要将电能转化为什么能
提示 内能
问题3 有的电路电能全部转化为内能,如白炽电灯、电炉、电热毯等。有的电路中含有电动
机、电解槽等,只有部分电能转化为内能。这两类电路各有什么特点
提示 电能全部转化为内能的电路叫纯电阻电路。欧姆定律I= 适用。
电功=电热:W=UIt=I2Rt=Q
电功率=热功率:P =P热=UI= I2R=
只有部分电能转化为内能的电路叫非纯电阻电路。欧姆定律不适用:I<
电功>电热:电功W=UIt;电热Q= I2Rt
电功率>热功率:电功率P=UI;热功率P热= I2R
讲解分析
纯电阻电路和非纯电阻电路的比较
纯电阻电路 非纯电阻电路
电路特点 电路中只有纯电阻用电器 电路中有非纯电阻用电器
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,由UIt=I2Rt+W其他知,
U>IR或I<
能量转化形式 电流做功全部转化为内能: W=Q=UIt=I2Rt= t 电流做功转化为内能和其他形式的能:电功W=UIt,电热Q=I2Rt,W=Q+W其他
元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯 电动机、电解槽
典例 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【1】,电流表和电压表的示数分别为0.5 A和1.0 V;重新调节R使电动机恢复正常
运转时【2】,电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V。求这台电动机正常运转时的输出
功率和电动机线圈的电阻。
信息提取 【1】电动机停止转动,电路为纯电阻电路。
【2】电动机正常运转,电路为非纯电阻电路。
思路分析 无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路,电功均为W=UIt,电功率均为P电=UI,电热均
为Q=I2Rt,热功率均为P热=I2R【3】。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,利用“电功=电热+其他能量”【4】寻找等量关系求解。非纯电阻
电路在一定条件下可当成纯电阻电路处理。如电动机卡住不转或电压不足不转时即纯电阻
电路。
解析 当电流表和电压表的示数分别为0.5 A和1.0 V时,电动机停止工作,只有电动机线圈的
电阻消耗电能,其阻值r= = Ω=2 Ω(由【1】得到)
当电动机正常工作时,电流表、电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V,
则电动机的总功率P总=U2I2=15.0×2.0 W=30.0 W(由【2】【3】得到)
线圈电阻的热功率P热= r=2.02×2 W=8.0 W(由【2】【3】得到)
所以电动机的输出功率P出=P总-P热=30.0 W-8.0 W=22.0 W(由【4】得到)
答案 22.0 W 2 Ω
导师点睛 (1)在非纯电阻电路中, t既不能表示电功,也不能表示电热,因为欧姆定律不再
成立。
(2)不要认为有电动机的电路一定是非纯电阻电路,当电动机不转动时,仍为纯电阻电路,欧姆
定律仍适用,电能全部转化为内能;当电动机转动时为非纯电阻电路,U>IR,欧姆定律不再适
用,大部分电能转化为机械能。第3章 恒定电流
第3节 电功与电热
基础过关练
题组一 电功和电功率
1.(多选)关于三个公式P=UI、P=I2R、P=的适用范围,以下说法正确的是 ( )
A.第一个公式普遍适用于求电功率,后两式普遍适用于求电热功率
B.在纯电阻电路中,三个公式既可适用于求电功率,又可适用于求电热功率
C.在非纯电阻电路中,第一个公式可用于求电功率,第二个公式可用于求电热功率
D.由U=IR可知,三个公式没有任何区别,它们表达相同的意义,既是电功率,也是电热功率
2.国家航天局消息,“嫦娥四号”着陆器于 2019 年 7 月 26 日 19 时 12分成功完成唤醒设置,进入第8月昼工作期。“嫦娥四号”的电子仪器及各种动作的控制都是靠太阳能电池供电的。由于光照而产生电动势的现象称为光伏效应,在正常照射下,太阳能电池的光电转换效率可达23%。单片单晶硅太阳能电池可产生0.6 V的电动势,可获得0.1 A的电流,则每秒照射到单片单晶硅太阳能电池上太阳光的能量大约是 ( )
A.0.48 J B.0.12 J
C.0.26 J D.0.52 J
3.某款手机部分说明书如下。
手机类型 智能折叠手机、5G
屏幕分辨率 2 480×2 200
电池容量 4 600 mAh
标准电压(电动势) 5 V
电池类型 不可拆卸电池
待机时间 24 d
工作时间 20 h
关于该手机的说法正确的是 ( )
A.该电池的容量为4.6 C
B.该手机工作时的电流为0.23 A
C.该电池储存的电能为8.28×106 J
D.该电池通过静电力做功将其他形式的能转化为电能
4.北京市国民体质监测中心曾经调查显示,由于长时间低头看书、看手机时坐姿不正等原因造成我国青少年探颈、驼背比例高达46.1%。如图是某矫正器的铭牌信息,已知当剩余电池容量为总容量的20%时,智能感应式矫正器将停止工作。若该智能感应式矫正器工作时一直处于额定工作状态,使用前电池容量为零,则下列说法正确的是 ( )
商品名称 智能感应式矫正器
内置电池 500 mAh/3.7 V
充电输入 DC 5V/0.2 A
工作电压 DC 3.7 V
额定功率 0.4 W
充电接口 USB
整机净重 85 g
A.理论上该矫正器充满电可以连续工作约4.6小时
B.第一次充满电的时间和可正常工作的时间之比约为
C.电池容量的单位 mAh是能量单位
D.该矫正器充满电所储存的能量约为6.7×103 J
5.物理爱好者小张想根据自己所学的物理知识估算喷泉广场上一眼喷泉的电机输出功率。通过测量,他得知该喷泉喷口的出水截面积为S=20 cm2,喷口朝向与地面夹角为 60°,喷出的水柱能到达的最高点距喷口的高度约为h=15 m。已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度取g=10 m/s2。据此,小张估算此喷泉的电机输出功率为 ( )
A.4 kW B.8 kW
C.12 kW D.16 kW
题组二 电功和电热
6.某学习小组在研究微型电动机的性能时,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,理想电流表和理想电压表的示数分别为1 A和1 V,重新调节R,使电动机恢复正常运转时,理想电流表和理想电压表的示数分别为2.0 A和12.0 V。则有关这台电动机正常运转时的说法正确的是( )
A.电动机的输出功率为4 W
B.电动机的输出功率为24 W
C.电动机的内电阻为6 Ω
D.电动机的内电阻为1 Ω
7.如图所示,A为电解槽,N为电炉,恒定电压U=12 V,电解槽内阻r=2 Ω,当S1闭合、S2断开时,电流表的示数为6 A;当S2闭合、S1断开时,电流表的示数为4 A(电流表内阻不计),求:
(1)电炉的电阻及发热功率各多大
(2)在电解槽工作时,电能转化为化学能的功率为多少
8.如图所示为电动机提升重物的装置,电动机线圈电阻为r=1 Ω,电动机两端电压为5 V,电路中的电流为1 A,物体A重20 N,不计摩擦力,问:
(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少
(2)电动机的输入功率和输出功率各是多少
(3)10 s内,可以把重物A匀速提升多高
(4)这台电动机的机械效率是多少
答案与分层梯度式解析
第3章 恒定电流
第3节 电功与电热
基础过关练
1.BC 2.C 3.B 4.D 5.B 6.D
1.BC 首先要明确,欧姆定律只适用于纯电阻电路,因此三个公式在纯电阻电路中是等效的,但在非纯电阻电路中它们互不相同。其次,P=UI表示电功率,而P=I2R表示电热功率。因此,在纯电阻电路中,UIt=I2Rt,消耗的电能全部转化为内能;而在非纯电阻电路中,UIt>I2Rt,即消耗的电能只有部分转化为内能。故选项B、C正确。
2.C 太阳能电池每秒产生的电能为W=UIt=0.6×0.1×1 J=0.06 J,则每秒照射到单片单晶硅太阳能电池上太阳光的能量大约是W'==≈0.26 J,故选C。
3.B 电池容量是指电池的存储电荷量,或电池能输出的总电荷量的多少,根据电荷量与电流关系得q=4 600×10-3×3 600 C=1.656×104 C,A错误;该手机工作时的电流为I== A=0.23 A,B正确;电池储存的电能W=UIt=5×4 600×10-3×3 600 J=8.28×104 J,C错误;该电池是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能,D错误。故选B。
4.D 该矫正器正常工作状态时的电流为I== A= A,理论上该矫正器充满电可以连续工作的时间为t== h=3.7 h,A错误;第一次充满电的时间t'== h=2.5 h,则第一次充满电的时间和可正常工作的时间之比约为=,B错误;电池容量的单位mAh是电荷量单位,C错误;该矫正器充满电所储存的能量约为E=UIt=3.7×500×10-3×3 600 J≈6.7×103 J,D正确。故选D。
5.B 由斜抛运动知识可知(v0 sin 60°)2=2gh,解得v0=20 m/s;设在Δt时间内从喷口喷出的水的质量为Δm,则Δm=Sv0Δtρ,则此喷泉的电机输出功率为P= =Sρ,代入数据解得P=8 kW,故选B。
6.D 当电动机停止转动时,可将电动机视为纯电阻元件,根据题意,结合欧姆定律可得,电动机的内电阻为r===1 Ω,故C错误,D正确;当电动机正常工作时,其总功率为P=U2I2=12×2 W=24 W,电动机的输出功率为P输出=P-r=24 W-22×1 W=20 W,故A、B错误。故选D。
导师点睛 电动机正常工作时,其总功率等于输出功率与内电阻消耗功率之和,当电动机不转动时,其相当于纯电阻元件。
7.答案 (1)2 Ω 72 W (2)16 W
解析 (1)电炉为纯电阻用电器,由欧姆定律I=,得R== Ω=2 Ω,其发热功率为PR=UI1=12×6 W=72 W。
(2)电解槽为非纯电阻用电器,电能转化为内能和化学能,其中P热=r=42×2 W=32 W,P总=UI2=12×4 W=48 W,P化=P总-P热=16 W。
8.答案 (1)1 W (2)5 W 4 W (3)2 m (4)80%
解析 (1)根据焦耳定律,热功率为:P热=I2r=12×1 W=1 W
(2)输入功率为:P入=IU=1×5 W=5 W
输出功率为:P出=P入-P热=5 W-1 W=4 W
(3)电动机的输出功率用来提升重物,在10 s内,有
P出t=Gh
h== m=2 m
(4)机械效率为:η=×100%=×100%=80%。
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