第十二章电能 能量守恒定律
1.电路中的能量转化
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(多选)用一个额定电压为220 V的电热水器煮沸一壶水需要t s,如果不考虑电热水器的电热损失和电热丝电阻受温度的影响,那么( )
A.当线路电压为110 V时,煮沸一壶水需要2t s
B.当线路电压为110 V时,煮沸一壶水需要4t s
C.当线路电压为55 V时,煮沸一壶水需要4t s
D.当线路电压为55 V时,煮沸一壶水需要16t s
解析由公式Q=t,煮沸一壶水所需的热量为Q=t。当电压变为原来的时,所需热量没变,因此时间要变为原来的4倍,即4t s,选项B正确。当电压变为原来的时,时间要变为原来的16倍,即16t s,选项D正确。
答案BD
2.额定电压、额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯,各自在额定电压下正常工作了相同的时间。比较它们产生的热量,结果是( )
A.电风扇最多 B.电烙铁最多
C.日光灯最多 D.一样多
解析在三种用电器中,只有电烙铁是纯电阻用电器,将电能全部转化为内能,故选项B正确。
答案B
3.
(多选)如图所示,电阻R1=20 Ω,电动机线圈的电阻R2=10 Ω。当开关断开时,电流表的示数是0.5 A,当开关闭合后,电动机转动起来,电路两端的电压不变,电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是( )
A.I=1.5 A B.I<1.5 A C.P=15 W D.P<15 W
解析电路两端的电压为U=I1R1=0.5 A×20 Ω=10 V。电动机是非纯电阻用电器,UI2>R2,所以I2<=1 A。电流表的示数I=I1+I2<1.5 A,A错误,B正确。电路总功率为P=U(I1+I2)<15 W,C错误,D正确。
答案BD
4.额定电压都是110 V、额定功率PA=100 W、PB=40 W的灯泡两盏,若接在电压为220 V的电路上,使两盏灯泡均能正常发光,且消耗功率最小的电路是( )
解析判断灯泡能否正常发光,就要判断电压是否是额定电压,或电流是否是额定电流,对灯泡有P=UI=,可知RA对于A电路,由于RAUA,且有UB>110 V,B灯被烧毁,UA<110 V,A灯不能正常发光。
对于B电路,由于RB>RA,A灯又并联滑动变阻器,并联电阻小于RB,所以UB>U并,B灯烧毁。
对于C电路,B灯与滑动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,若滑动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电路中滑动变阻器功率为(IA-IB)×110 V,而D电路中滑动变阻器功率为(IA+IB)×110 V,所以C电路消耗电功率最小。
答案C
5.
电阻R和电动机M串联接到电路中,如图所示,已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等,闭合开关后,电动机正常工作,设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2,经过时间t,电流通过电阻R做功为W1,产生热量Q1,电流通过电动机做功为W2,产生热量为Q2,则( )
A.U1C.W1=W2,Q1>Q2 D.W1解析设开关闭合后,电路中电流为I,对于电阻R,由欧姆定律得U1=IR,对于电动机,有U2>IR,则U1答案A
6.
电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器,它们一般具有加热和保温功能,其工作原理大致相同,某种电热式用电器的简化电路图如图所示,主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S,问:
(1)当开关S闭合和断开时,用电器分别处于什么状态?
(2)用电器由照明电路供电,U=220 V,设加热时用电器的功率为400 W,保温时用电器的功率为40 W,则R1和R2分别为多大?
解析(1)由于是纯电阻电路,当S闭合时,R2短路,用电器消耗的电功率P1=;当S断开时,用电器消耗的电功率P2=,故S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态。
(2)S闭合时,由P1=得R1= Ω=121 Ω;
S断开时,由P2=得R2=-R1= Ω=1 089 Ω。
答案(1)S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态
(2)121 Ω 1 089 Ω
7.
如图所示,电路两端电压U保持不变。
(1)若电阻R1、R2、R3消耗的电功率一样大,则电阻之比R1∶R2∶R3= 。?
(2)若电阻R1=R2=R3,则它们在相同时间内产生的热量之比Q1∶Q2∶Q3= 。?
解析(1)根据题意,由混联电路的特点可知I1=I2+I3,且I2=I3,再由P=I2R可得R1∶R2∶R3=1∶4∶4。
(2)根据题意,由混联电路的特点可知I1=I2+I3,且I2=I3,再由Q=I2Rt,可得Q1∶Q2∶Q3=4∶1∶1。
答案(1)1∶4∶4 (2)4∶1∶1
能力提升
1.把六个相同的小灯泡接成如图甲、乙所示的电路,调节变阻器使灯泡正常发光,甲、乙两电路所消耗的功率分别用P甲和P乙表示,则下列结论正确的是( )
A.P甲=P乙 B.P甲=3P乙
C.P乙=3P甲 D.P乙>3P甲
解析设每个灯泡正常工作时的电流为I,则题图甲中电路的总电流为3I,P甲=12 V×3I,题图乙中电路的总电流为I,P乙=12 V×I,故有P甲=3P乙,B正确。
答案B
2.
如图所示的电路中,电源电压为60 V,内阻不计,电阻R=2 Ω,电动机的内阻R0=1.6 Ω,电压表的示数为50 V,电动机正常工作,求电动机的输出功率。
解析电动机正常工作时,电动机两端的电压U0=50 V,此时通过电路中的电流I==5 A,电动机的输出功率P出=U0I-I2R0=50 V×5 A-(5 A)2×1.6 Ω=210 W。
答案210 W
3.电饭煲的电路图如图所示,S1是一个限温开关,手动闭合,当此开关的温度达到居里点(103 ℃)时会自动断开;S2是一个自动温控开关,当温度低于60 ℃时会自动闭合,温度高于80 ℃时会自动断开,红灯是加热状态时的指示灯,它在保温状态下是不亮的,黄灯是保温状态下的指示灯。限流电阻R1=R2=500 Ω,加热电阻丝R3=50 Ω,两灯的电阻不计。
(1)根据电路分析,叙述电饭煲煮饭的全过程(包括加热和保温的过程)。
(2)简要回答,如果不闭合开关S1,电饭煲能将饭煮熟吗?
(3)计算加热和保温两种状态下,电饭煲的消耗功率之比。
解析(1)电饭煲盛上食物后,接上电源,S2自动闭合,同时把手动开关S1关闭,这时黄灯短路红灯亮,电饭煲处于加热状态。
加热到80 ℃时,S2自动断开,S1仍闭合待电饭煲中水烧干后,温度升高到103 ℃时,开关S1自动断开,这时饭已煮熟,黄灯亮,电饭煲处于保温状态。
由于电饭煲散热,待温度下降至60 ℃时,S2自动闭合,电饭煲重新处于加热状态,待温度上升到80 ℃时,又自动断开,电饭煲再次处于保温状态。
(2)不能,因为如果不闭合S1,则只能将食物加热至80 ℃。
(3)设电饭煲处于加热状态时,功率为P1,P1= W=1 064.8 W
设电饭煲处于保温状态时消耗的功率为P2,则
P2= W≈88.7 W
所以P1∶P2≈12∶1。
答案见解析
(共25张PPT)
1.电路中的能量转化
必备知识
自我检测
一、电功和电功率
1.电流做功的实质
导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。电流做功把电能转化为其他形式的能。
2.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U、电路中的电流I、通电的时间t三者的乘积。
(2)公式:W=Uq=UIt。
(3)国际单位：焦耳,符号：J。
3.电功率
(1)物理意义:表示电流做功快慢的物理量。
(2)定义:电流在一段电路中做功的功率等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积。
(4)单位:瓦特,符号W。
必备知识
自我检测
二、焦耳定律
1.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。
2.电热功率
(1)定义:电流在单位时间内的发热量通常称为电热功率。
(2)表达式P热=I2R。
三、电路中的能量转化
以电动机为例,设电动机消耗的功率为P电,电动机对外做功,输出的功率为P机,另外,电动机工作时自身也有能量损失,对应的功率为P损,它们之间满足P电=P机+P损。设电动机两端的电压为U,通过电动机线圈的电流为I,电动机线圈的电阻为R,P电=UI,P损=P热=I2R,P机=UI-I2R。
必备知识
自我检测
1.正误判断。
(1)电功与电能的单位都是焦耳,电功就是电能。 ( )
解析:电功是过程量,电能是状态量,两者只是单位相同,有本质的区别,电能的变化要依靠电流做功来实现,电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。
答案:×
(2)电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多。 ( )
解析:电功率公式为P=UI,功率越大,表示电流做功越快。但是电流做功的快慢只表示电能转化的快慢,转变成什么能与用电器有关,转化的多少还与时间有关。
答案:×
必备知识
自我检测
(3)电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。 ( )
解析:功是能量转化的量度,电流做多少功就有多少电能转化为其他形式的能量。
答案:√
(4)电功率越大,表示电流做功越多。 ( )
解析:电功率表示电流做功的快慢,电功率大,表示电流做功快,但做功不一定多。
答案:×
(5)W=UIt适用于任何电路求电功。 ( )
答案:√
(6)Q=I2Rt适用于任何电路求热量。 ( )
答案:√
必备知识
自我检测
2.R1和R2分别标有“2 Ω 1.0 A”和“4 Ω 0.5 A”,将它们串联后接入电路中,如图所示,则此电路中允许消耗的最大功率为( )
A.1.5 W B.3.0 W C.5.0 W D.6.0 W
解析:把R1和R2串联后,由于R2的最大电流较小,故串联后的最大电流为0.5 A,串联后的总电阻为6 Ω,所以电路的最大功率为P=I2R=0.52×6 W=1.5 W,A正确。
答案:A
必备知识
自我检测
3.(多选)一只电炉的电阻丝电阻和一台电动机线圈电阻相同,都为R,设通过的电流相同,则(在相同时间内)下列说法正确的是( )
A.电炉和电动机产生的电热相等
B.电动机消耗功率大于电炉消耗功率
C.电炉两端电压小于电动机两端电压
D.电炉和电动机两端电压相等
解析:因为电热Q=I2Rt,所以当电流I、电阻R都相等时,在相同时间内产生电热也相等;电炉两端的电压U=IR,但电动机两端的电压除了发热还要工作,即U=IR+U',所以电炉两端电压小于电动机两端电压,由P=UI可知电动机消耗功率大于电炉消耗功率。
答案:ABC
探究一
探究二
随堂检测
电功和电功率
情景导引
如图所示,已知电路两端的电势差为U,电路中的电流为I,在t时间内通过导体某截面的电荷量是多少?把这些电荷从左端移到右端,电场力做功是多少?
要点提示:由电流的定义式可得通过某截面的电荷量q=It,根据静电力做功的公式W=qU,可得W=IUt。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.对电功的理解
(1)从力的角度看,电流做功的实质是静电力对自由电荷做功。
(2)从能的角度看,电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程,电功的大小量度了电能的减少量,标志着电能转化为其他形式的能的多少。
(3)电功W=UIt=qU对任何电路都适用。
2.对电功率的理解
(1)电功率P= =UI对任何电路都适用。
(2)额定功率和实际功率
①额定功率:用电器正常工作所消耗的功率。
②实际功率:用电器在实际电压下电流做功的功率。为了使用电器不被烧毁,要求实际功率不能大于其额定功率。
探究一
探究二
随堂检测
3.串、并联电路中的功率关系
画龙点睛 串联电路中大电阻功率大,并联电路中小电阻功率大,无论串联与并联,总功率都是各个电阻消耗的电功率之和。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例1一根电阻丝,通过2 C的电荷量所消耗的电能是8 J。若在相同的时间内通过4 C的电荷量,该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是( )
A.4 V,16 J B.8 V,16 J
C.4 V,32 J D.8 V,32 J
解析:设电阻丝电阻为R,开始所加电压为U1,则W1=q1U1,故U1=4 V。
设后来所加电压为U2,产生的热量为W2,则
答案:D
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1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的电路上时的功率为20 W
B.接在110 V的电路上时的功率为10 W
C.接在440 V的电路上时的功率为160 W
D.接在220 V的电路上时的功率为80 W
答案:B
探究一
探究二
随堂检测
焦耳定律
情景导引
(1)某一电路中只含有某一元件,即白炽灯、电动机、电炉、电容器、电熨斗、电饭锅、电解槽其中的一种,分析哪些属于纯电阻电路,哪些属于非纯电阻电路。
(2)纯电阻电路中,消耗的电能转化为什么形式的能?对于电动机的电路,消耗的电能转化为什么形式的能?
要点提示:(1)纯电阻电路有:白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅;非纯电阻电路有:电动机、电解槽、电容器。
(2)内能。内能和机械能。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较
探究一
探究二
随堂检测
2.电功与电热的比较
探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛 不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路,计算电功时都可以用W=UIt,计算电功率都可以用P=UI,计算热量都可以用Q=I2Rt,计算热功率都可以用P=I2R。若用变形式时,就要考虑是不是纯电阻电路。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2规格为“220 V 36 W”的排气扇,线圈电阻为40 Ω,求:
(1)接上220 V的电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率。
(2)如果接上220 V的电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率。
探究一
探究二
随堂检测
发热功率为P热=I2R=(0.16)2×40 W≈1 W。
转化为机械能的功率为P机=P-P热=36 W-1 W=35 W。
(2)扇叶被卡住不能转动后,电动机成为纯电阻用电器,电流做功全部转化为热能,此时电动机中电流为
电动机消耗的功率即电功率等于热功率:P电'=P热'=UI'=220×5.5 W=1 210 W。
答案:(1)35 W 1 W (2)1 210 W 1 210 W
探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛 电动机电路的分析与计算
(1)当电动机正常工作时,要注意分清电功和电热的关系,电动机消耗的电能也就是电流做的功W=UIt,电动机产生的内能必须用Q=I2Rt来求。另外,还要注意能量守恒定律的应用,即W=Q+E(E为其他形式的能)或P电=P机+P热,其中P电=UI,P热=I2R,P机为机械功率。
(2)当电动机被卡住时,非纯电阻电路转变为纯电阻电路,电动机消耗的电能全部转化为电动机产生的内能,W=Q,即UIt=I2Rt。
探究一
探究二
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变式训练2如图所示,有一内阻为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( )
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
答案:C
探究一
探究二
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1.(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是( )
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
C.在非纯电阻电路中,IU>I2R
D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
答案:BCD
探究一
探究二
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2.(多选)日常生活用的电吹风中有电动机和电热丝,电动机带动风叶转动,电热丝给空气加热,得到的热风可将头发吹干。设电动机线圈的电阻为R1,它与电热丝的电阻R2相串联,接到直流电源上,电吹风机两端电压为U,通过的电流为I,消耗的电功率为P,则以下选项正确的是( )
A.IU>P B.IU=P
C.P>I2(R1+R2) D.P=I2(R1+R2)
解析:电吹风机消耗的电功率即消耗的电能的功率为P=UI,大于电阻上的热功率,选项B、C正确。
答案:BC
探究一
探究二
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3.A、B为“220 V 100 W”的两盏相同的灯泡,C、D为“220 V 40 W”的两盏相同灯泡,A、B灯的电阻为 Ω;C、D电阻为 Ω。现将四盏灯泡接成如图所示电路,并将两端接入电路,各灯实际功率分别为PA、PB、PC、PD,则实际功率的大小顺序是 。?
探究一
探究二
随堂检测
答案:484 1 210 PD>PA>PB>PC
