16.4 科学探究：电流的热效应 同步测试（含解析）

第四节　科学探究:电流的热效应
一、选择题
1.下列四种用电器,其中主要是利用电流热效应来工作的是(　　)
答案　D　电风扇工作时主要将电能转化为机械能;电冰箱工作时主要将电能转化为电动机的机械能;电视机工作时主要将电能转化为声能和光能;电水壶工作时将电能转化为内能,是利用电流的热效应工作的。
2.如图是探究电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关的实验装置。两个透明容器中密封着等量的空气,U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。下列说法正确的是(　　)
A.该实验装置是为了研究电流产生的热量与电阻的关系
B.通电一段时间后,左侧U形管中液面的高度差比右侧的大
C.该实验装置是利用U形管中液体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量的多少的
D.将左边容器中的电阻丝换成 10 Ω的电阻丝后,就可以探究电流产生的热量与电阻的关系
答案　B　两个透明容器中的电阻大小相同,在同一电路中可知通电时间相同,因右边的电阻并联一个电阻可知两容器中的电阻通过的电流不同,故研究电流产生的热量与电流的关系, A错误;因通过左侧容器中电阻的电流大于通过右侧容器中电阻的电流,故在相同条件下,左侧电阻产生的热量大于右侧电阻产生的热量,即左侧空气温度较高,可知通电一段时间后,左侧U形管中液面的高度差比右侧的大,B正确;该实验装置是利用透明容器中气体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量的多少的,C错误;若将左边容器中的电阻丝换成10 Ω的电阻丝后,由于有两个不同的物理量,将无法进行任何实验,D错误。
3.将规格都是“220 V　100 W”的一台电风扇、一台电视机和一把电烙铁分别接入家庭电路中,通电时间相同,下列说法正确的是(　　)
A.三个用电器产生的热量一样多
B.电风扇产生的热量最多
C.电视机产生的热量最多
D.电烙铁产生的热量最多
答案　D　U=220 V,三种用电器的实际功率P=P额=100 W;由W=Pt知三种用电器消耗的电能相同;电视机将一部分电能转化为光能,电风扇中的电动机将大部分电能转化为机械能,电烙铁将电能全部转化为内能。所以产生热量最多的是电烙铁。
4. 电炉中的电阻丝通电一段时间后变得很烫,而连接电炉的导线却不怎么热,主要是因为(　　)
A.通过导线的电流小于通过电阻丝的电流
B.导线的绝缘皮隔热
C.导线散热比电阻丝快
D.导线的电阻远小于电阻丝的电阻,导线上产生的热量很少
答案　D　电阻丝跟导线串联,通过它们的电流I和通电时间t相等, A错误;因为Q=I2Rt,R电阻丝>R导线,所以产生的热量:Q电阻丝>Q导线,即相同时间内导线产生的热量小于电阻丝产生的热量,而与散热快慢、隔热效果无关。
5.通过一根电阻丝的电流为2 A,通电1 min产生了2.64×104 J的热量,它的电阻是(　　)
A.66 Ω B.6 600 Ω C.110 Ω D.220 Ω
答案　C　由Q=I2Rt,得电阻丝的阻值R===110 Ω。
6.下列关于如图所示实验的说法中错误的是(　　)
A.该实验研究的是电流的热效应
B.实验中采用了控制变量法
C.观察实验现象可知:在其他条件相同时,电阻越大产生的热量越少
D.实验中是通过观察温度计示数的高低来判断电流通过导体时产生热量的多少
答案　C　由实验装置可知,该实验研究电流产生的热量与什么因素有关,探究的是电流的热效应, A正确。电流产生的热量,与电阻的大小、电流的大小和通电时间有关。研究其中一个因素对电流产生热量多少的影响,而保持其他两个因素不变,这种方法是控制变量法,B正确。由Q=I2Rt,观察实验现象可知:在其他条件相同时,电阻越大产生的热量越多,C错误。实验中是通过观察温度计示数的高低来判断电流通过导体时产生热量的多少,这种方法叫转换法,D正确。
7.两个电阻R1=20 Ω和R2=30 Ω串联在电路中,经过一段时间它们产生的热量之比为(　　)
A.1∶1 B.3∶2 C.2∶3 D.4∶9
答案　C　因为=,两个电阻串联时,电流相等,通电时间相等,所以===2∶3。
8.一阻值为60 Ω的电热丝接在电源上,通过它的电流为2 A,通电1 min产生的热量为(　　)
A.1.2×102 J B.3.6×103 J C.7.2×103 J D.1.44×104 J
答案　D　Q=I2Rt=(2 A)2×60 Ω×60 s=1.44×104 J。
9. 电炉通电后,电炉丝热得发红,而与电炉丝相连的导线却不怎么热,对于这种现象,它们各自进行了解释,其中观点正确的是(　　)
A.导线说:因为我的电阻小
B.电炉丝说:因为我的电阻小
C.导线说:因为通过我的电流小
D.电炉丝说:因为通过我的电流大
答案　A　电炉接入电路时,导线与电炉丝是串联的,在通电时间和电流相同时,导线电阻远小于电炉丝电阻,由焦耳定律Q=I2Rt可知,电流通过电炉丝产生的热量远大于通过导线产生的热量,故电炉通电后电炉丝热得发红,而与电炉丝连接的导线却不怎么热。
二、填空题
10.英国物理学家焦耳做了大量实验,得出了焦耳定律:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成　　　比,跟　　　　　成正比。?
答案　正　通电时间
解析　电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比,这个规律叫做焦耳定律。
11.如图所示,是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻间关系”的实验装置,两阻值分别为R和2R,合上开关后,通过它们的　　相同;若两瓶中盛有质量、初温均相同的同种液体,经过相同时间后　　(填“左 ”或“右”)瓶里液体的温度更高。?
答案　电流　右
解析　两电阻丝串联,通过的电流相等,由Q=I2Rt知,通电时间一定时,电阻丝阻值越大,产生的热量越多,温度计的示数越高;而右瓶中电阻丝的阻值是左瓶中电阻丝阻值的2倍,因此右瓶中温度计的示数高一些。
12.电饭煲是利用电流的热效应原理工作的。如图所示三个同样的烧瓶装有相同质量的煤油,甲、乙两烧瓶可用来探究电热与　　　　的关系。若通过电阻R1的电流为2 A,则1分钟内电阻R1产生的热量为　　　　J。?
答案　电流大小　2 400
解析　乙和丙并联后,再与甲串联,则甲和乙通过的电流一定不相等,而甲、乙的电阻相等,根据控制变量法的思想,这是为了探究电阻和通电时间相同时,电热与电流的关系;若通过电阻R1的电流为2 A,则1分钟内电阻R1产生的热量为:Q=I2R1t=(2 A)2×10 Ω×60 s=2400 J。
13.1820年,丹麦物理学家　　　　在课堂上做实验时发现了电流的磁效应,电流也具有热效应,20年后,1840年,英国物理学家焦耳最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和　　　　的关系,家用电风扇工作时,电动机同时也要发热,一台标明“220 V　44 W”的电风扇正常工作10分钟,电流产生的热量为 　　　　J(已知电动机线圈电阻为2 Ω)。?
答案　奥斯特　通电时间　48
解析　奥斯特发现了电流的磁效应;焦耳最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系,得出Q=I2Rt;因为P=UI,所以通过电风扇的电流I===0.2 A;电动机线圈产生的热量Q=I2Rt=(0.2 A)2×2 Ω×10×60 s=48 J。
14.如图甲所示,两个透明容器中封闭着等量的空气,将两个容器中的电阻丝R1和R2串联接到电源两端,将容器外部的电阻丝R3和R2并联。
(1)图甲的装置是探究电流通过导体产生的热量与　　　　的关系,电阻丝R3的作用是使通过电阻丝R1和R2的电流　　　　。?
(2)如图乙所示,某小组在实验中观察到左侧U形管中液面很快出现高度差,右侧U形管中液面高度差为零,原因是电阻丝　　　　断路。?
答案　(1)电流　不同　(2)R2
解析　(1)图甲的装置,其中一个容器的外部,将一个完全相同的电阻和这个容器内的电阻并联,再接入原电路,使通过左边容器中电阻的电流与通过右边容器中电阻的电流不同,可以探究电流产生的热量与通过导体的电流大小的关系;(2)乙图中,电阻丝R2与R3并联后再与电阻丝R1串联,在做图乙的实验时,观察到左侧U形管中液面很快出现高度差,右侧U形管中液面高度差为零,说明电阻丝R1能够产生热量,电阻丝R2没有产生热量,原因是电阻丝R2断路。
三、计算题
15. 如图所示的电路中,定值电阻R1=150 Ω、R2=300 Ω。闭合开关S后,电流表A2的示数为5 mA。求:
(1)电阻R1两端的电压为多少;
(2)电流表A1的示数为多少;
(3)电路工作5 min,R1产生的焦耳热是多少。
答案　(1)1.5 V　(2)15 mA　(3)4.5 J
解析　由电路图可知,R1与R2并联,电流表A1测干路电流,电流表A2测R2支路的电流。
(1)因并联电路中各支路两端的电压相等,电阻R1两端的电压:U1=U2=I2R2=5×10-3 A×300 Ω=1.5 V;
(2)通过R1的电流I1===0.01 A=10 mA,电流表A1的示数I=I1+I2=10 mA+5 mA=15 mA;
(3)电路工作5 min,R1产生的焦耳热Q1=R1t=(0.01 A)2×150 Ω×5×60 s=4.5 J。
16.有一种造型可爱的迷你小风扇,这种小风扇使用的电动机的额定电压为3 V,正常工作时通过线圈的电流为0.5 A,线圈电阻约为1 Ω,当这种迷你小风扇正常工作10分钟时,求:
(1)小风扇消耗的电能;
(2)电动机产生的热量;
(3)若电动机被卡住时电动机的线圈不能转动,此时电动机线圈可以看成一个定值电阻,它消耗的电能全部用来产生热量,请计算电动机被卡住10分钟内产生的热量,并说明电动机被卡住时为什么容易被烧坏。
答案　(1)900 J　(2)150 J　(3)线圈卡住无法转动,电能无法转化为机械能,消耗的电能全部转化为内能,因此产生大量的热,温度迅速升高,会损坏电动机。
解析　(1)小风扇的电动机的额定电压为3 V,正常工作时通过线圈的电流为0.5 A,正常工作10分钟,小风扇消耗的电能W=UIt=3 V×0.5 A×10×60 s=900 J;
(2)正常工作时通过线圈的电流为0.5 A,线圈电阻约为1 Ω,这种迷你小风扇正常工作10分钟电动机产生的热量Q'=I2Rt=(0.5 A)2×1 Ω×10×60 s=150 J。
(3)若电动机被卡住时电动机的线圈不能转动,此时电动机线圈可以看成一个定值电阻,I'===3 A。电动机被卡住10分钟内产生的热量Q'=I'2Rt=(3 A)2×1 Ω×10×60 s=5400 J。根据计算,电动机不转时产生的热量比正常时大很多倍,因为电动机不转时,电能全部转化为内能,而不能转化为机械能,因为产生的热量更多,所以电动机更容易被烧坏。