第二章 电路
第五节 电功率
A级 抓基础
1.关于电功和焦耳热,下列说法错误的是( )
A.在纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt
B.在非纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt
C.在非纯电阻电路中,计算焦耳热用公式Q=I2Rt
D.在纯电阻电路中,计算焦耳热可用公式Q=UIt
解析:在非纯电阻电路中,电功大于电热,计算电功只可用公式W=UIt.
答案:B
2.如图所示电路中,r是电源的内阻,R1和R2是外电路中的电阻,如果用Pr、P1和P2分别表示电阻r、R1和R2上所消耗的功率,当R1=R2=r时,Pr∶P1∶P2等于( )
A.1∶1∶1 B.2∶1∶1
C.1∶4∶4 D.4∶1∶1
解析:设干路电流为I,流过R1和R2的电流分别为I1和I2.由题,R1和R2并联,电压相等,电阻也相等,则电流相等,故I1=I2=0.5I;根据公式P=I2R,三个电阻相等,功率之比等于电流平方之比,即Pr∶P1∶P2=4∶1∶1.故选D.
答案:D
3.如图所示,直线A为电源的U-I图线,直线B为电阻R的U-I图线,用该电源和电阻组成闭合电路时,电源的输出功率和电路的总功率分别是( )
A.4 W,8 W B.2 W,4 W
C.4 W,6 W D.2 W,3 W
解析:从图可知,此时电路的电流是2 A,路端电压是 2 V,由此可得:P出=IU=4 W,P总=IE=6 W.
答案:C
4.电动势为E,内阻为r的电源与固定电阻R0、可变电阻R串联,如图所示,设R0=r,Rab=2r,当变阻器的滑片自a端向b端滑动时,下列各物理量中随之减小的是( )
A.电源的输出功率
B.变阻器消耗的功率
C.固定电阻R0上消耗的功率
D.电池内电阻上消耗的功率
解析:当外电阻等于电源的内阻时,电源的输出功率最大,滑动片自a端向b端滑动时,变阻器接入电路的电阻减小,由于R0=r,Rab=2r,则得知,电源的输出功率增大,故A不符合题意;将R0看成电源的内阻,则有R0+r=2r,而Rab=2r,利用推论可知,变阻器消耗的功率减小,故B符合题意;电路中电流增大,固定电阻R0上和电源的内阻上消耗功率增大,故C、D均不符合题意.
答案:B
5.(多选)不考虑温度对电阻的影响,对一个“220 V 40 W”的灯泡,下列说法正确的是( )
A.接在110 V的电路中时的功率为20 W
B.接在110 V的电路中时的功率为10 W
C.接在440 V的电路中时的功率为160 W
D.接在220 V的电路中时的功率为40 W
答案:BD
6.如图所示的电路中,输入电压U恒为12 V,灯泡L标有“6 V 12 W”字样,电动机线圈的电阻RM=0.50 Ω.若灯泡恰能正常发光,以下说法中不正确的是( )
A.电动机的输入功率是12 W
B.电动机的输出功率是12 W
C.电动机的热功率是2.0 W
D.整个电路消耗的电功率是24 W
答案:B
7.一般地说,用电器的工作电压并不一定等于额定电压,家庭里通常不备电压表,但可以借助电能表测出用电器的实际工作电压,现在电路中只接入一个电热水壶,壶的铭牌和电能表的铭牌分别如图(a)和(b)所示.测得电能表的转盘转过125转的时间为121秒,求此时加在电热水壶上的实际电压(电热水壶中的电阻不随电流的变化而变化).
解析:设电热水壶的电阻为R,
由题图(a)知R== Ω= Ω,
由题图(b)知电能表转1转消耗的电能为: J=1 200 J,
设电热水壶的实际电压为U,则t=125×1 200 J,解得U=220 V.
答案:220 V
B级 提能力
8.(多选)如图所示是某直流电路中电压随电流变化的图象,其中a、b分别表示路端电压、负载电阻上电压随电流变化的情况,下列说法正确的是( )
A.阴影部分的面积表示电源输出功率
B.阴影部分的面积表示电源的内阻上消耗的功率
C.当满足α=β时,电源效率最高
D.当满足α=β时,电源输出功率最大
解析:两条图线的交点为电源连入电阻后的工作电压,即路端电压;电流为工作电流,即干路电流.据此分析所给选项,阴影部分的面积为路端电压与电流的乘积,为电源的输出功率.故A正确,B错误.当满足α=β时,内外阻值相等,输出功率最大,但电源的效率为50%,不是最高.故C错误,D正确.
答案:AD
9.如图所示,直线A为某电源的U-I图线,曲线B为某小灯泡L1的U-I图线的一部分,用该电源和小灯泡L1组成闭合电路时,灯泡L1恰好能正常发光,则下列说法中正确的是( )
A.此电源的内阻为 Ω
B.灯泡L1的额定功率为6 W
C.把灯泡L1换成“3 V 20 W”的灯泡L2,电源的输出功率将变小
D.由于小灯泡L1的U-I图线是一条曲线,所以灯泡发光过程,欧姆定律不适用
解析:由题图读出:电源的电动势E=4 V,内阻r== Ω=0.5 Ω,故A错误;两图线的交点表示小灯泡L1与电源连接时的工作状态,此时灯泡的电压U=3 V,电流I=2 A,功率为P=UI=6 W,由于小灯泡L1正常发光,则灯泡L1的额定电压为3 V,功率为6 W,故B正确;灯泡L1的电阻R1== Ω=1.5 Ω,“3 V 20 W”的灯泡L2的电阻为R2== Ω=0.45 Ω,可知灯泡L2的电阻更接近电源的内阻,根据推论:电源的内外电阻相等时电源的输出功率最大,把灯泡L1换成“3 V 20 W”的灯泡L2,电源的输出功率将变大,故C错误;灯泡是纯电阻,欧姆定律仍适用,故D错误.
答案:B
10.一个电源电动势为30 V,内电阻不计,与一个“6 V 12 W”的电灯、一个绕线电阻为2 Ω的电动机M串联接入电路.已知电路中电灯正常发光,则电动机输出的机械功率( )
A.40 W B.44 W
C.48 W D.60 W
解析:先根据电灯的额定电压和额定功率求出额定电流,再求出电动机的输入电压;求出电动机消耗的总功率和绕线电阻的电热功率;最后求出电动机输出的机械功率.
通过电灯的电流:I== A=2 A,
电动机的电压:U电=E-U灯=30 A-6 A=24 V,
电动机消耗的总功率:P电=U电I=24×2 W=48 W,
绕线电阻的电热功率:P热=I2R=22×2 W=8 W,
电动机输出的机械功率P机=P电-P热=40 W.
答案:A
11.用一电热器煮水,已知它的额定电压220 V,电阻44 Ω,不考虑温度对电阻的影响,电热器的效率为50%.将质量为5.5 kg、初温是20 ℃的水煮沸,需要多少时间?消耗多少度电[水的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃)]?
解析:电热器是纯电阻电路,电路中电流做功全部转化为电热,所以t时间内产生的热量:Q=I2Rt=,
将水煮沸即将水加热到100 ℃,需吸热Q1=cmΔt,
由能量守恒定律得:Q1=Q×η,代入数据得:
50%×=4.2×103×5.5×(100℃-20℃),
求得:t=3.36×103 s=56 min.
消耗电能:Q==2202×3.36× J=1.027 kW·h.
即Q=1.027度.
答案:56 min 1.027度
电功率练习
一、单项选择题
1.对于纯电阻用电器,下列说法中正确的是( ).
A.如果额定功率相同,额定电流大的用电器的电阻大
B.如果额定功率相同,额定电流大的用电器的电阻小
C.如果额定电压相同,额定电流大的用电器的电阻大
D.如果额定电流相同,额定功率大的用电器的电阻小
2.标有“220 V 40 W”的电灯、电扇、电烙铁都正常工作5 min,它们产生的热量( ).
A.一样多 B.电灯最多
C.电扇最多 D.电烙铁最多
二、双项选择题
3.把标有“220 V,100 W”的A灯泡和“220 V,200 W”的B灯泡串联后接入220 V的电路中,如果导线电阻忽略不计,不考虑温度对电阻的影响,则有( ).
A.A、B两灯泡的电阻之比为RA∶RB=1∶2
B.A、B两灯泡在串联电路中的电压之比为UA∶UB=2∶1
C.A、B两灯泡在串联电路中消耗的功率之比为PA∶PB=2∶1
D.A、B两灯泡在串联电路中相同时间内产生的热量之比为QA∶QB=1∶2
4.如图所示,电源电动势为E,内电阻为r,R1、R2为定值电阻,R3为滑动变阻器.当R3的滑片P向右移动时,下列说法中正确的是( ).
A.R1的功率必然减小
B.R2的功率必然减小
C.R2的功率必然增大
D.电源消耗的功率必然减小
5.如图所示,电阻R=20 Ω,电动机的线圈电阻R′=10 Ω.当开关断开时,电流表的示数是I,电路消耗的电功率为P,当开关合上后,电动机正常工作.若保持电路两端的电压U不变,电流表的示数I′和电路消耗的电功率P′应是( ).
A.I′=3I B.I′<3I
C.P′=3P D.P′<3P
三、非选择题
6.如图所示,电源的电动势为50 V,电源内阻为1.0 Ω,定值电阻R=14 Ω,M为直流电动机,电枢电阻R′=2 Ω,闭合开关,电动机正常运转时,电压表读数为35 V,求在100 s时间内电源做的功和电动机上转化为机械能的部分是多少?
7.如图所示,R1=8 Ω,电源的电动势E=8 V,内阻r=2 Ω.R2为变阻器,问:
(1)要使变阻器获得的电功率最大,则R2的值应是多大?这时R2的功率多大?
(2)要使R1得到最大的电功率,R2的取值多大?R1的最大功率多大?这时电源的效率是多少?
8.如图所示,电解槽A与电炉丝R并联后接到电源上,电源电动势E=120 V,内阻r=1 Ω,电炉丝电阻R=19 Ω,电解槽电阻r′=0.5 Ω.已知K1、K2都闭合时电炉消耗的功率为475 W(电炉电阻可看做不变).试求:
(1)此时流过电解槽的电流大小;
(2)此时电解槽中电能转化成化学能的功率.
参考答案
1.答案:B 解析:由公式P=I2R、、知,、,由此确定,选项B正确.
2.答案:D 解析:三个用电器的电功率相同,5 min内消耗的电能相同,而电烙铁的电能全部转化成了电热,故选D.
3.答案:BC 解析:由得:,
所以RA:RB=PB:PA=200:100=2:1故A错;
串联后:UA:UB=RA:RB=2:1PA:PB=RA:RB=2:1故B、C对;
QA:QB=RA:RB=2:1所以D错.
4.答案:BD 解析:P向右移动时,R3增大,因此外电路的总电阻R增大.由知,I减小,由U=E-Ir知路端电压U增大,所以由部分电路欧姆定律知,R1支路的I1增大,R2支路的I2减小,因而可得P1增大,P2减小,P内减小.
5.答案:BD 解析:设电动机正常工作时电流为I0,由于,则U>I0R′,变形为,则电路中总电流I′=I+I0<3I,电路消耗电功率P′=UI′<3UI=3P.
6.答案:5.0×103 J 3.3×103 J
解析:由题设条件知,电源内电阻r和定值电阻R上的电压之和为E-U,所以电路中的电流
在100 s内电源做的功为:W=EIt=50×1×100 J=5.0×103 J
在100 s内电动机消耗的电能为:E1=UIt=35×1×100 J=3.5×103 J
在100 s内电动机电枢上产生的内能为:E′=I2R′t=12×2×100 J=200 J
在100 s内电动机上转化为机械能的部分:ΔE=E1-E′=3.5×103 J-200 J=3.3×103 J.
7.答案:(1)10 Ω 1.6 W
(2)0 5.12 W 80%
解析:(1)把R1看成是电源内阻的一部分,这样内阻就是R1+r,利用电源输出功率最大的条件,可以求出.
当R2=R1+r=8 Ω+2 Ω=10 Ω时,R2有最大的功率:
.
(2)因为R1是定值电阻,所以流过R1的电流越大,R1的功率就越大,因为R1与R2是串联,当R2=0时,电路中有最大电流:
所以R1有最大功率:
P1=I2R1=0.82×8 W=5.12 W
这时电源的效率为:
.
8.答案:(1)20 A (2)1 700 W
解析:(1)电炉中电流
路端电压为:U=IRR=5×19 V=95 V
干路电流为:
通过电解槽的电流为:IA=I-IR=20 A.
(2)电解槽消耗的电功率:PA=IAU=20×95 W=1 900 W
电解槽内阻损耗热功率:P热==202×0.5 W=200 W
电解槽转化成化学能的功率:P化=PA-P热=1 700 W.
课时分层作业(十二) 电功率
[基础达标练]
(15分钟 50分)
一、选择题(本题共7小题,每小题6分)
1.(多选)关于电功和焦耳热,下列说法正确的是( )
A.在纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt
B.在非纯电阻电路中,计算电功可用公式W=I2Rt
C.在非纯电阻电路中,计算焦耳热用Q=UIt
D.在纯电阻电路中,计算焦耳热可以用Q=UIt
AD [电功的计算式W=UIt适用于任何形式的电路,焦耳热计算式Q=I2Rt也是普遍适用的,但是只有在纯电阻电路中,电功W才等于焦耳热Q.]
2.通过电阻R的电流为I时,在时间t内产生的热量为Q,若电阻为2R,电流为,则在时间t内产生的热量为( )
A.4Q B.2Q
C.Q D.Q
C [根据焦耳定律知Q=I2Rt,Q′=()2·2Rt,故Q′=Q,C正确.]
3.有一只电风扇,标有“220 V 50 W”,电动机线圈的电阻为0.4 Ω,把它接入220 V的电路中,以下几种计算时间t内产生热量的方法,正确的是( )
A.Q= B.Q=Pt
C.Q=()2Rt D.以上三种方法均正确
C [对纯电阻电路电热的计算可用Q=UIt=I2Rt=,而电风扇工作时不能看成纯电阻电路,故电热计算要用Q=I2Rt计算,而电流计算I=用于任何电路,所以C项正确.]
4.(多选)一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同,都通过相同的电流,在相同的时间内( )
A.电炉放热大于电动机放热
B.电炉两端电压小于电动机两端电压
C.电炉两端电压等于电动机两端电压
D.电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率
BD [由焦耳定律Q=I2Rt知A错误,电动机为非纯电阻电路两端电压U>IR,电炉为纯电阻电路,两端电压U=IR.故B正确,C错误,由P=UI得D正确.]
5.(多选)一个直流电动机内阻为R,所加电压为U,电流为I,当它工作时,下述说法中正确的是( )
A.电动机的输出功率为
B.电动机的发热功率为I2R
C.电动机的输出功率为IU-I2R
D.电动机的功率可写作IU=I2R=
BC [IU表示电动机的总功率,I2R表示电动机工作时的发热功率,(IU-I2R)表示电动机的输出功率即机械功率.故B、C正确,A、D错误.]
6.如图2-5-6所示,有一内电阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端,灯泡正常发光,则( )
图2-5-6
A.电解槽消耗的电功率为120 W
B.电解槽的发热功率为60 W
C.电解槽消耗的电功率为60 W
D.电路消耗的总功率为60 W
C [灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110 V电压,且干路电流I=I灯==A,则电解槽消耗的功率P=P灯=IU=60 W,C正确,A错误;电解槽的发热功率P热=I2R内=1.3 W,B错误;整个电路消耗的总功率P总=220× W=120 W,D错误.]
7.如图2-5-7所示电路中,当滑动变阻器的触头向上滑动时,则( )
图2-5-7
A.电源的功率变小
B.电容器储存的电荷量变大
C.电源内部消耗的功率变大
D.电阻R消耗的电功率变小
C [由闭合电路欧姆定律可知,当滑动触头向上滑动时,R总变小,I总增大,U端减小,而R1分压U1增大,所以电容器上的电压减小,电源功率P总=I总E增大,A错误;Q=CU减小,B错误;电源内部消耗功率P内=Ir增大,C正确;电阻R1消耗的功率增大,R上消耗的功率无法确定,D错误.]
二、非选择题(1小题,共8分)
8.(8分)如图2-5-8所示的电路中,电源电动势E=6.0 V,内阻r=0.6 Ω,电阻R2=0.5 Ω,当开关S断开时;电流表的示数为1.5 A,电压表的示数为3.0 V,试求:
图2-5-8
(1)电阻R1和R3的阻值;
(2)当S闭合后,电压表的示数以及R2上消耗的电功率.
【解析】 (1)R3== Ω=2.0 Ω
由E=I3(R1+R3+r)
代入数据有6.0=1.5(R1+2.0+0.6)
解得R1=1.4 Ω
(2)S闭合后,
R总=R1+r+=2.4 Ω
电压表的示数U=×
=×0.4 V=1.0 V
R2上消耗的功率P2== W=2.0 W.
【答案】 (1)1.4 Ω 2.0 Ω (2)1.0 V 2.0 W
[能力提升练]
(25分钟 50分)
一、选择题(共4小题,每小题6分)
1.某一电源的路端电压与电流的关系和电阻R1、R2的电压与电流的关系如图2-5-9所示.用此电源和电阻R1、R2组成电路,R1、R2可以同时接入电路,也可以单独接入电路.在所有可能的各种接法中,下列说法中正确的是( )
图2-5-9
A.将R1、R2并联后接到电源两端,电源输出功率最大,电源效率最低
B.将R1、R2并联后接到电源两端,电源输出功率最小,电源效率最高
C.将R1、R2串联后接到电源两端,电源输出功率最小,电源效率最低
D.将R1、R2串联后接到电源两端,电源输出功率最大,电源效率最高
A [由图象得到:电源的电动势为E=8 V,内阻为r= Ω,由电阻的伏安特性曲线求出R1=4 Ω、R2=2 Ω,当电源的内外电阻相等时,电源的输出功率最大,R1、R2并联电阻为 Ω,所以将R1、R2并联后接到电源两端时,输出功率最大,电源效率η=,当电路电流最小时,电源效率最高,当电流最大时,电源效率最低,所以将R1、R2串联后接到电源两端,电阻最大,电流最小,效率最高,将R1、R2并联后接到电源两端,电阻最小,电流最大,电源效率最低,故A正确.故选A.]
2.(多选)在如图2-5-10所示的电路中,定值电阻的阻值为10 Ω,电动机M的线圈电阻值为2 Ω,a、b两端加有44 V的恒定电压,理想电压表的示数为24 V,由此可知( )
图2-5-10
A.通过电动机的电流为12 A
B.电动机消耗的功率为48 W
C.电动机线圈在1分钟内产生的热量为480 J
D.电动机输出的功率为8 W
BC [通过电动机的电流与通过定值电阻的电流相同为I== A=2 A,故A错误;电动机消耗的功率为P=U1I=24×2 W=48 W,故B正确;电动机线圈在1分钟内产生的热量Q=I2rt=22×2×60 J=480 J,故C正确;电动机的热功率P热=I2r=22×2 W=8 W,电动机的输出功率P出=P-P热=48 W-8 W=40 W,故D错误.]
3.在如图2-5-11甲所示的电路中,电源电动势为3.0 V,内阻不计,L1、L2、L3为3个相同规格的小灯泡,这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示.当开关闭合后,下列判断错误的是( )
甲 乙
图2-5-11
A.灯泡L1的电阻为12 Ω
B.通过灯泡L1的电流为通过灯泡L2电流的2倍
C.灯泡L1消耗的电功率为0.75 W
D.灯泡L2消耗的电功率为0.30 W
B [由于电源电动势为3.0 V,内阻不计,所以当开关闭合后,达到稳定状态时,加在小灯泡L1两端的电压应为3.0 V,由小灯泡的伏安特性曲线可以看出当电压为3.0 V时,流过小灯泡L1的电流为I1=0.25 A,由此求得,灯泡L1的电阻为12 Ω,所以A选项正确.由P=UI可以求得灯泡L1消耗的电功率为0.75 W,所以C选项正确.L2与L3串联,L2两端的电压为1.5 V,由I-U图象可知,I2=0.2 A,则L2消耗的电功率P2=U2I2=0.3 W,故D正确,由以上分析可知I1<2I2,故B错.]
4.(多选)将阻值为4 Ω和10 Ω的两个电阻R1、R2分别接在同一电源上,结果R2上消耗的功率P2比R1上消耗的功率P1大,则( )
A.电源内阻一定大于4 Ω
B.两电阻串联后接此电源,外电路总功率一定大于只接R2时的功率
C.两电阻并联后接此电源,外电路总功率一定小于只接R1时的功率
D.只接R1时电源消耗的功率一定大于只接R2时消耗的功率
ACD [根据电源输出功率随外电阻的变化关系曲线如图所示.
R1与R3消耗的功率相同,且R1R1=4 Ω,A选项正确.R1与R2的并联电阻一定小于R1的电阻,由电源的输出功率曲线可知外电路总功率一定小于只接R1时的功率,C选项正确.若R1与R2串联,其电阻大于R2的电阻,外电路消耗的总功率不一定大于只接R2时的功率,B选项错误.根据公式P=EI=,外电阻越小,电源消耗的功率越大,故只接R1时电源消耗的功率一定大于只接R2时消耗的功率,D选项正确.]
二、非选择题(2小题,共26分)
5.(13分)如图2-5-12所示,M为一线圈电阻rM=1 Ω的电动机,一定值电阻R=4Ω,电源电动势E=9 V.当S闭合时,电压表的示数为U1=8.0 V,当开关S断开时,电压表的示数为U2=4.0 V.求:
图2-5-12
(1)电源内阻r;
(2)开关S断开时电源输出功率;
(3)开关S断开时电动机输出的机械功率.
【解析】 (1)当S闭合时,电压表的示数为U1=8.0 V,根据闭合电路欧姆定律,有E=U1+r,解得r=0.5 Ω;
(2)当开关S断开时,电压表的示数为U2=4.0 V,电流为I2==A=1 A
电源的输出功率:P=UI2=(E-I2r)I2=(9-1×0.5)×1 W=8.5 W;
(3)开关S断开时电动机输出的机械功率:
P出=P-I(R+rM)=8.5 W-12×(4+1)W=3.5 W.
【答案】 (1)0.5 Ω (2)8.5 W (3)3.5 W
6.(13分)一辆电动自行车的铭牌上给出了如下的技术参数表:
规格
后轮驱动直流永磁体电机
车型
26″电动自行车
额定输出功率
120 W
整车质量
30 kg
额定电压
40 V
最大载重
120 kg
额定电流
3.5 A
质量为M=70 kg的人骑此电动自行车沿平直公路行驶,所受阻力f恒为车和人总重的k=0.02倍,g取10 m/s2.求:
(1)此车永磁体电机在额定电压下正常工作的效率;
(2)仅在永磁体电机以额定功率提供动力的情况下,人骑自行车的最大速度;
(3)仅在永磁体电机以额定功率提供动力的情况下,当车速为v1=1.0 m/s,人骑车的最大加速度.
【解析】 (1)由表可知,电动机的额定电压为U0=40 V,
额定电流为I0=3.5 A,
所以电动机正常工作时输入功率为P输入=U0I0=140 W.
又因电动机的输出功率为P输出=120 W,
所以电动机的效率为
η==85.7%.
(2)行驶时所受阻力为f=k(M+m)g,式中m为车的质量.当车达到最大速度vm时,应有P输出=fvm,
所以最大速度vm==6.0 m/s.
(3)当车速度为v1=1.0 m/s时,牵引力F==120 N,设此时车的加速度为a,根据牛顿第二定律F-f=(M+m)a,解得a=1.0 m/s2.
【答案】 (1)85.7% (2)6.0 m/s (3)1.0 m/s2