阶段提升课
知识体系·思维导图
考点整合·素养提升
考点 电功、电热、电功率、热功率(难度☆☆☆☆)
角度1电功、电热
纯电阻电路与非纯电阻电路的比较
纯电阻电路
非纯电阻电路
实例
白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等
工作中的电动机、电解槽、日光灯等
能量转化
电路中消耗的电能全部转化为内能W=Q
电路中消耗的电能除转化为内能外,还转化为其他形式的能W>Q
电功的计算
W=UIt=I2Rt=t
W=UIt
电热的计算
Q=UIt=I2Rt=t
Q=I2Rt
角度2电功率、热功率
意义
公式
联系
电功率
单位时间内电流所做的功
P=UI
对纯电阻电路,电功率等于热功率,P电=P热=UI=I2R;对非纯电阻电路,电功率大于热功率,P电>P热
热功率
单位时间内导体产生的热量
P=I2R
1.(2020·中山高二检测)一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压220
V的交流电源上(其内电阻可忽略不计),均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0
A,通过洗衣机电动机的电流是0.50
A,则下列说法中正确的是( )
A.电饭煲的电阻为44
Ω,洗衣机电动机线圈的电阻为440
Ω
B.电饭煲消耗的电功率为1
555
W,洗衣机电动机消耗的电功率为155.5
W
C.1
min内电饭煲消耗的电能为6.6×104
J,洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103
J
D.电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
【解析】选C。电饭煲与洗衣机都与电源并联,电源两端电压相等,均为220
V,由欧姆定律可求得电饭煲的电阻为R1===44
Ω,但洗衣机不是纯电阻用电器,由R2==440
Ω求得的电阻是错误的,所以A项错误;它们消耗的电功率分别为P1=UI1=1
100
W,P2=UI2=110
W,所以B项错误;电饭煲和洗衣机在1
min内产生的电能分别为Q1=P1t=6.6×104
J,Q2=P2t=6.6×103
J,所以C项正确;因洗衣机的内阻未知,无法比较二者的发热功率,所以D项错误。
2.如图所示电路中,A为电解槽,N为电炉子,恒定电压U=12
V,电解槽内阻rA=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,求:
(1)电炉子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。
【解析】(1)电炉子为纯电阻元件,由欧姆定律I1=,得:R===2
Ω,
其发热功率为:PR=UI1=72
W。
(2)电解槽为非纯电阻元件,发热功率为:
P热=rA=32
W。
总功率为:P总=UI2=48
W。
故电能转化为化学能的功率为:
P化=P总-P热=16
W。
答案:(1)2
Ω 72
W (2)16
W
考点 电源的功率和效率问题(难度☆☆☆☆)
1.电源的功率及效率问题:
电源总功率
任意电路:P总=EI=P出+P内
纯电阻电路:P总=I2(R+r)=
电源内部消耗的功率
P内=I2r=P总-P出
电源的输出功率
任意电路:P出=UI=P总-P内
纯电阻电路:P出=I2R=
电源的效率
任意电路:η=×100%=×100%
纯电阻电路:η=×100%
2.纯电阻电路中电源的输出功率P出与外电阻R的关系:
(1)表达式:P出=I2R==。
(2)关系图像
①
如图所示图像可知:随着外电阻的增大,输出功率先增大后减小,即:
{a.当Rb.当R>r时:R↑→P出↓}
②当R=r时,输出功率最大,为Pm=。
注意:解决最大功率问题的两点注意
(1)解决最大功率问题时,要弄清是定值电阻还是可变电阻的最大功率,定值电阻的最大功率用P=I2R=分析,可变电阻的最大功率用等效电源法求解。
(2)电源输出功率最大时,效率不是最大,只有50%。
1.硅光电池是一种太阳能电池,具有低碳环保的优点,如图所示,图线a是该电池在某光照强度下路端电压U和电流I的关系图像,图线b是某纯电阻电器的U-I图像。则在该光照强度下,把该电池和该电器组成一个电路时,电池的( )
A.内阻为12.5
Ω
B.输出功率为12.5
W
C.内耗功率为0.22
W
D.效率为50%
【解析】选C。由闭合电路欧姆定律得U=E-Ir,当I=0时,E=U,由a与纵轴的交点读出电动势为E=3.6
V。根据两图线交点处的状态可知,将它们组成闭合回路时路端电压为U=2.5
V,电流为I=0.2
A。则电池的内阻为r==
Ω=5.5
Ω,故A错误;电池的输出功率为:P出=UI=2.5×0.2
W=0.5
W,故B错误;内耗功率为P内=I2r=0.22
W,故C正确;电池的输出效率为:η=×100%=×100%=×100%≈69.4%,故D错误。
2.在如图所示的电路中,两平行正对金属板A、B水平放置,两板间的距离d=4.0
cm。电源电动势E=400
V,内电阻r=20
Ω,电阻R1=1
980
Ω。闭合开关S,待电路稳定后,将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0=1.0
m/s竖直向上射入两板间,小球恰好能到达A板。若小球所带电荷量q=1.0×10-7
C,质量m=2.0×10-4
kg,不考虑空气阻力,忽略射入小球对电路的影响,取g=10
m/s2。求:
(1)A、B两金属板间的电压的大小U;
(2)滑动变阻器消耗的电功率P;
(3)电源的效率η。
【解析】(1)小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中,在电场力和重力作用下做匀减速直线运动,设A、B两极板间电压为U,根据动能定理有:
-qU-mgd=0-m,
解得:U
=
200
V。
(2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R,根据闭合电路欧姆定律可知,电路中的电流
I=,而U=IR,
解得:R
=
2×103
Ω
滑动变阻器消耗的电功率P==20
W。
(3)电源的效率η===99.5%。
答案:(1)200
V (2)20
W (3)99.5%
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-第一节 电路中的能量
新
课
程
标
准
学
业
质
量
目
标
1.理解电功、电功率及焦耳定律。2.能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。
合格性考试
1.对电功、电功率的概念有初步的了解;能够用焦耳定律解释一些自然现象,并将其应用在生活中。2.会区分纯电阻电路和非纯电阻电路,并在生活中找到相应的例子。3.了解科学技术与社会环境的关系,具有节约能源的意识,培养自觉保护环境的行为习惯。
选择性考试
1.深入理解电功和电功率的概念;知道焦耳定律的物理意义;了解纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量转化;从能量转化和能量守恒的角度理解电功和电热的区别。2.能从能量转化角度推导焦耳定律;关注焦耳定律在生产、生活中的应用。
必备知识·自主学习
一、电功和电功率
现代生活中随处都可以见到各种用电器,如电灯、电风扇等。那么你知道这些用电器中的能量是通过什么途径转化的吗?
提示:通过电流做功来实现,即导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。
1.电功:
(1)实质:导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。
(2)公式:W=UIt。
(3)国际单位:焦,符号为J。
(4)意义:电功是电能转化为其他形式的能的量度,即电功是多少就有多少电能转化为其他形式的能。
2.电功率:
(1)含义:单位时间内电流所做的功。
(2)公式:P==UI。
(3)单位:瓦,符号:W。
(4)物理意义:表示电流做功的快慢。
(5)决定用电器电功率大小的因素有③④。
①电功;②通电时间;③电压;④电流;⑤电阻。
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.热功率:
(1)定义:单位时间内的发热量称为热功率。
(2)表达式:P=I2R。
(3)物理意义:表示电流发热快慢的物理量。
(4)计算电路中某电阻(满足欧姆定律)的热功率时,可以用到的公式是①②③④⑤。
①P=UI;②P=I2R;③P=;④P=;⑤P=。
三、闭合电路中的能量
1.电源提供的电功率为EI。
2.外电路上消耗的电功率为U外I。
3.内电路上消耗的电功率为U内I。
4.闭合电路中的功率关系:EI=U外I+U内I。
(1)电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程。
(√)
(2)电功率越大,表示电流做功越多。
(×)
(3)电功与能量的单位都是焦耳,电功就是电能。
(×)
(4)电动机消耗的电能,一部分转化为机械能,一部分转化为线圈内阻上的电热。
(√)
(5)电功W=UIt只能用来计算纯电阻电路中电流所做的功。
(×)
(6)焦耳定律的表达式为Q=I2Rt,此式适用于任何电路。
(√)
关键能力·合作学习
知识点一 电功、电热与焦耳定律的理解
1.电功与电功率:
电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。静电力对自由电荷做功的过程,就是电荷的电势能转化为其他形式的能的过程。
(1)电功的计算公式:W=UIt=Pt。
(2)电功的单位:在国际单位制中电功的单位是焦耳,常用单位还有“度”,1度=1千瓦时=3.6×106焦耳。
(3)额定功率与实际功率:
额定功率:用电器在额定电压下工作的功率;
实际功率:用电器在实际电压下工作的功率。
为了用电器不被烧毁,实际功率不能大于额定功率。
2.焦耳定律:
(1)推导:设导体的电阻为R,通过的电流为I,由欧姆定律可知,导体两端的电压U=IR,又因为Q=W=UIt,可得,Q=I2Rt。
(2)注意:焦耳定律是实验规律,这里的推导过程只是为了方便大家理解。
(3)在推导过程中用到Q=W,即电热等于电功,但其实在非纯电阻电路中,焦耳定律依然成立。
【典例】(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】选B、D。由公式Q=t,煮沸一壶水所需的热量为Q=t
J。当电压变为原来的时,煮沸一壶水所需热量没变,因此时间要变为原来的4倍,即4t
s,故A项错误,B项正确;当电压变为原来的时,时间要变为原来的16倍,即16t
s,故C项错误,D项正确。
1.(2020·中山高二检测)通过电阻R的电流为I时,在t时间内产生的热量为Q,
若电阻为R,
电流为2I,
则在时间内产生的热量为
( )
A.4Q B.2Q C. D.
【解析】选B。通过电阻R的电流为I,根据焦耳定律得出在时间t内产生的热量Q=I2Rt。通过电阻R的电流为I时,在t时间内产生的热量为Q,则Q=I2Rt;若在时间内,通过电阻R的电流为2I,根据焦耳定律:Q′=(2I)2·R·t=2I2Rt=2Q,故A、C、D错误,B正确;故选B。
2.如图为一种服务型机器人,其额定功率为48
W,额定工作电压为24
V,机器人的锂电池容量为20
A·h。则机器人
( )
A.额定工作电流为20
A
B.充满电后最长工作时间为2
h
C.电池充满电后总电量为7.2×104
C
D.以额定电流工作时每分钟消耗能量为1
440
J
【解析】选C。由P=UI知额定电流I==2
A,故A项错误;充满电后,锂电池容量为20
A·h,最长工作时间t==10
h,故B项错误;电池充满电后总电量q=It=20×3
600
C=7.2×104
C,故C项正确;以额定电流工作时每分钟消耗能量W=UIt=2
880
J,故D项错误。
【加固训练】
改革开放以来,人们的生活水平和生活质量有了较大的改善,电冰箱、空调、电视机等家用电器得到了普遍使用。根据图中铭牌上提供的信息,判断在12小时内正常使用的电冰箱与连续运转的电风扇消耗电能的情况是
( )
A.电冰箱比电风扇消耗电能多
B.电风扇比电冰箱消耗电能多
C.电风扇与电冰箱消耗电能一样多
D.电冰箱比电风扇消耗电能可能多,也可能少
【解析】选B。依据电冰箱铭牌可知,电冰箱在12
h内消耗电能0.25
kW·h,而电风扇在12
h内消耗电能W=Pt=0.78
kW·h,B项正确。
知识点二 纯电阻电路和非纯电阻电路
1.纯电阻电路:电流通过纯电阻电路做功时,电能全部转化为导体的内能。
2.非纯电阻电路:含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中,电流做功将电能除了部分转化为内能外,还转化为机械能或化学能等其他形式的能。
3.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
举例
白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅
电动机、电解槽
能量转化情况
电功和电热的关系
W=Q即IUt=I2Rt
W=Q+E其他UIt=I2Rt+E其他
电功率和热功率的关系
P=P热,即IU=I2R
P=P热+P其他即IU=I2R+P其他
欧姆定律是否成立
U=IR,I=,成立
U>IR,I<,不成立
4.说明:
(1)W=UIt、P电=UI适用于任何电路计算电功和电功率。
(2)Q=I2Rt、P热=I2R适用于任意电路计算电热和热功率。
(3)只有纯电阻电路满足W=Q,P电=P热;非纯电阻电路W>Q,P电>P热。
【典例】取一个玩具小电机,其内阻R=1.0
Ω,把它接在如图所示的电路中。
(1)先夹住电机轴,闭合电键,小电机不转。调整滑动变阻器的阻值,使电压表的示数为0.50
V,记下电流表的示数,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。
(2)再松开夹子,使小电机转动,调整滑动变阻器的阻值,使电压表的示数为2.0
V(此电压为小电机的额定电压),电流表的示数为0.4
A,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。
【解析】(1)小电机不转时,电机是一个纯电阻元件,
电机的内阻与滑动变阻器串联,U=0.50
V,
由欧姆定律I===0.50
A
则P电=UI=0.50×0.50
W=0.25
W
P热=I2R=0.502×1.0
W=0.25
W
P电=P热
(2)小电机转动时,
电机是非纯电阻元件,U=2.0
V,I=0.40
A,
P电=UI=2.0×0.40
W=0.80
W
P热=I2R=0.402×1.0
W=0.16
W
P电>P热
答案:(1)0.25
W,0.25
W 电功率等于热功率
(2)0.80
W,0.16
W 电功率大于热功率
1.一电动机线圈电阻为R,在它两端加上电压U,电动机正常工作,测得通过它的电流为I,电动机的机械功率是
( )
A.I2R B. C.UI-I2R D.UI
【解析】选C。电动机为非纯电阻元件,电动机的电功率P=UI,热功率P热=I2R,所以机械功率是P机=P-P热=UI-I2R,故C项正确。
2.在如图所示的电路中,输入电压U恒为8
V,灯泡L标有“3
V 6
W”字样,电动机线圈的电阻RM=0.5
Ω,若灯泡恰能正常发光,整个电路消耗的电功率是______W。?
【解析】灯泡正常发光,则电路的电流
I==
A=2
A
整个电路消耗的功率
P总=UI=8
V×2
A=16
W
答案:16
【加固训练】
电动自行车因轻便、价格相对低廉、污染和噪声小而受到市民喜爱。某国产品牌电动自行车的铭牌如下,则此车所配电机的内阻为
( )
规格
后轮驱动直流永磁电机
车型:20″电动自行车
电机输出功率175
W
电源输出电压≥36
V
额定工作电压/电流36
V/5
A
整车质量40
kg
额定转速240
r/min
A.7.2
Ω B.0.2
Ω C.7.0
Ω D.7.4
Ω
【解析】选B。由额定电压和额定电流可知电动自行车的输入功率为:P1=36×5
W=180
W,由此可知电机的发热功率为P2=180
W-175
W=5
W,根据公式:P2=I2r得:r=0.2
Ω。
知识点三 闭合电路的功率问题
1.闭合电路中的几类功率:
功率名称
通用表达式
纯电阻表达式
电源总功率
P总=EI
P总=I2(R+r)
内部消耗功率
P内=I2r
P内=I2r
电源输出功率
P外=U外I
P外=I2R
三者关系
P总=P外+P内
2.纯电阻电路中电源的输出功率:
P出=UI=I2R==。
电源输出功率随外电阻变化关系如图所示:
(1)当R=r时,电源的输出功率最大,Pm=。
(2)当R>r时,随着R增大,P出减小。
(3)当R(4)同一个输出功率P(除最大功率外)都对应两个不同的外电阻R1和R2。
3.电源的效率:
(1)定义:输出功率占电路消耗的总功率的比值,表达式为η===。
(2)若外电路为纯电阻电路,则:
η=====。
可见,外电路电阻越大,电源效率越高。
(1)手电筒中的电池用久了,虽然电池的电动势没减小多少,但小灯泡却不怎么亮了,为什么?
提示:电池用久了,电动势基本不变,但内阻却明显增大,根据I=,电路中的电流变小,由P=I2R可知小灯泡功率减小,因此小灯泡变暗。
(2)试从能量角度分析为什么“不能直接将导线连接电源两端”。
提示:由闭合电路欧姆定律知,当外电路断路时,电流I=,通常电源的内阻非常小,则电流非常大,电源内部产生的大量的电热Q内=I2rt,可以在短时间内烧毁电源。
【典例】如图所示电路中,定值电阻R2=r(r为电源内阻),滑动变阻器的最大阻值为R1且R1>R2+r。在滑动变阻器的滑片P由左端a向右滑动的过程中,以下说法正确的是
( )
A.电源的输出功率变小
B.R2消耗的功率先变大后变小
C.滑动变阻器消耗的功率先变大后变小
D.以上说法都不对
【解析】选C。滑片向右移动,滑动变阻器接入电路部分电阻变小,电路中的电流变大,电源内阻和电阻R2都是定值电阻,所以消耗的功率变大,故B项错误;在滑动的过程中内阻始终小于外电阻,所以电源的输出功率增大,故A项错误;考虑滑动变阻器上的功率消耗时可以把R2看成电源的一部分,当滑动变阻器的阻值等于2r时,消耗的功率最大,当滑动变阻器阻值小于2r时,消耗的功率变小,故C项正确。
(多选)如图所示,直线A为电源a的路端电压与电流的关系图线;直线B为电源b的路端电压与电流的关系图线;直线C为一个电阻R两端电压与电流的关系图线。将这个电阻分别接到a、b两电源上,那么
( )
A.R接到b电源上时电源的效率高
B.R接到b电源上时电源的输出功率较大
C.R接到a电源上时电源的输出功率较大,但电源效率较低
D.R接到a电源上时电阻的发热功率较大,电源效率也较高
【解析】选A、C。由图像可知,电源a给电阻R供电时,R两端的电压大,通过R的电流大。由P出=IU知,R接到a电源上,电源的输出功率大。因为电源的效率η===,而ra>rb,所以电源a的效率低,选项A、C正确。
【加固训练】
如图所示,直线OAC为某一直流电源的总功率随电流I变化的图线,曲线OBC表示同一直流电源内部的热功率随电流I变化的图线。若A、B点的横坐标均为1
A,那么AB线段表示的功率为
( )
A.1
W B.6
W C.2
W D.2.5
W
【解析】选C。由图像不难看出,在C点,电源的总功率等于电源内部的热功率,所以电源的电动势为E=3
V,短路电流为I=3
A,所以电源的内阻为r==1
Ω。图像上AB段所表示的功率为PAB=P总-I2r=
(1
×
3-12×1)
W=2
W。故正确选项为C。
【拓展例题】考查内容:闭合电路中功率极值问题
【典例】如图所示,电路中E=3
V,r=0.5
Ω,R0=1.5
Ω,滑动变阻器的最大阻值R=10
Ω。
(1)在滑动变阻器的阻值R为多大时,滑动变阻器上消耗的功率最大?最大为多大?
(2)在滑动变阻器的阻值R为多大时,定值电阻R0上消耗的功率最大?最大为多大?
【解析】(1)把R0归入电源内电阻,则滑动变阻器上消耗的功率,也就是电源的输出功率。
即当R=r+R0=2
Ω时,R消耗功率最大为:
Pm==
W=
W。
(2)定值电阻R0上消耗的功率可以表示为:P=I2R0,因为R0不变,当电流最大时功率最大,此时应有电路中电阻最小,即当R=0时,R0上消耗的功率最大。
Pm′=R0=×1.5
W=
W。
答案:(1)2
Ω
W (2)0
W
情境·模型·素养
扫地机器人是智能家用电器的一种,正逐渐进入我们的生活,如图所示是一款集自动清扫技术和人工智能设计于一体的地面清扫机器人,已知其质量为3
kg,它与地面的有效接触面积为0.01
m2。
探究:若该机器人工作时功率为75
W,在10
s内沿直线匀速清扫的距离为5
m。(g取10
N/kg)扫地机器人在工作时,将什么能转化为什么能?机器人做的功是多少?
【解析】扫地机器人在工作时,将电能转化为机械能。
机器人在10
s内所做的功:
W=Pt=75
W×10
s=750
J。
答案:见解析
家电待机耗电问题常常被市民所忽视。据有关部门测量,电视机待机一天的耗电量在0.2度左右。据统计潍坊市的常住人口900多万人,以家庭300万户,用电器平均每天待机20小时计,参考表中数据。
家庭常用电器
电视机
洗衣机
空调
电脑
户均数量/台
1
1
2
1
电器待机功耗/(W/台)
10
2
3
10
探究:试估算每年潍坊市家庭用电器待机耗电总量约为多少?
【解析】一户人家家电待机总功率为:P=10
W+2
W+2×3
W+10
W=28
W;一户人家因待机一天消耗的电能为:E0=28×20×3
600
J=2.016×106
J;则每年潍坊市家庭用电器待机耗电总量为:E=300×104×365×E0;代入数据并转换为度为单位可得:E=6.132×108度,故每年潍坊市家庭用电器待机耗电总量约为6×108度。
答案:6×108度
课堂检测·素养达标
1.下列为几种用电器铭牌上的标称值,当用电器均正常工作时,电流最大的是( )
A.“6
V 10
W”
B.“6
V 6
W”
C.“110
V 60
W”
D.“220
V 60
W”
【解析】选A。由P=UI可知,A中电流为:IA=
A=
A;
由P=UI可知,B中电流为:IB=
A=1
A;由P=UI可知,C中电流为:IC=
A=
A;由P=UI可知,D中电流为:ID=
A=
A,故选A。
2.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】选C。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灯又与滑动变阻器并联,并联电阻小于RB,所以UB>U并,B灯被烧毁,A灯不能正常发光。
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。
3.小型直流电动机(其线圈内阻为r=1
Ω)与规格为“4
V 4
W”的小灯泡并联,再与阻值为R=5
Ω的电阻串联,然后接至U=12
V的电源上,如图所示,小灯泡恰好正常发光,电动机正常工作,求:
(1)通过电动机的电流;
(2)电动机的输出功率P出;
(3)电动机的效率。
【解析】(1)流经灯泡的电流IL==
A=1
A;
流经电阻R的电流
IR==
A=1.6
A;
流经电动机的电流I=IR-IL=0.6
A。
(2)电动机消耗的总功率
P=ULI=4×0.6
W=2.4
W;
电动机的热功率
P热=I2r=(0.6)2×1
W=0.36
W
电动机输出功率
P出=P-P热=2.4
W-0.36
W=2.04
W。
(3)电动机的效率:
η=×100%=×100%=85%。
答案:(1)0.6
A (2)2.04
W (3)85%
【加固训练】
如图所示,某同学设计了一个转向灯电路,其中L为指示灯,L1、L2分别为左、右转向灯,S为单刀双掷开关,E为电源。当S置于位置1时,以下判断正确的是( )
A.L1的功率大于L与L2的功率之和
B.L2的功率大于L与L1的功率之和
C.L1比L2亮,L1的功率等于额定功率
D.L2比L1亮,L2的功率等于额定功率
【解析】选A。当S置于位置1时,L与L2串联后与L1并联。由于电源存在内阻,因而L1两端电压必然小于6
V,因而L1的功率小于额定功率,同理L2的功率小于额定功率;L和L2的电阻之和大于L1的电阻,因而L1的功率大于L与L2功率之和。故选A。
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-第二节
能源的利用方式
第三节
能量的转化与守恒
第四节
能源与环境
新
课
程
标
准
学
业
质
量
目
标
1.了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式,初步了解核裂变与核聚变。2.知道不同形式的能量可互相转化,在转化过程中能量总量保持不变,能量转化是有方向性的。3.了解可再生能源和不可再生能源的分类,认识能源的过度开发和利用对环境的影响。4.认识环境污染的危害,了解科学、技术、社会、环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为。
合格性考试
1.知道能量的多种形式;能区分可再生能源和不可再生能源;理解能量守恒定律。2.通过对生活中能量转化的实例分析,理解能量守恒定律的确切含义。3.能主动关心能源和可持续发展问题;能认识能源的过度开发和利用对环境的影响。
选择性考试
1.知道能量转化是有方向性的。2.通过大量的实例,总结能量在转移、转化过程中总量不变,并探究能量转化的方向性。3.感知我们周围能源的耗散,树立节能意识。
必备知识·自主学习
一、能源的利用方式
1.化石能源包括:石油、煤炭、天然气等。
2.新能源包括:水能、风能、太阳能、核能等。此外,还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。
二、能量的转化与守恒
1.各种各样的能量:
能量形式
含义
示例
机械能
机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量,可以表现为动能,也可以表现为势能
行驶的汽车、被拉开的弓、声音等
内能
物质中分子的动能和势能总和
自然界的一切物质
电能
电能是与电有关的能量
工作中的发电机、电池等
电磁能
电磁场所具有的能量
无线电波、可见光、紫外线、红外线等
核能
通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量
原子弹、氢弹等
化学能
发生化学变化时释放出来的能量
石油、煤、天然气等
2.能量的转化和转移:
(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。
(2)能量的存在形式多种多样,而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中,可利用的效率不断下降。
3.能量守恒:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体;在转化和转移的过程中其总量不变。
4.能量转化(转移)的方向性:
在自然界的一切自发过程中,能量的转化(转移)都是有方向性的,但都不违反能量守恒定律。
三、能源与环境
1.可再生能源和不可再生能源:
(1)煤、石油、天然气等在短期内不可以再次得到,一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源,称为不可再生能源。
(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源,称为可再生能源。
2.能源与环境:
能源开发对环境的影响
(1)对大气环境的影响。
(2)对生态环境的影响。
(3)对居住环境的影响。
3.环境保护的三个主要方面:
(1)防治生产和生活的污染。
(2)防止建设和开发的破坏。
(3)保护自然环境。
关键能力·合作学习
知识点一 能量守恒定律的应用
1.能量的形式:
(1)含义:一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能量,又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功,因此这些物体都具有能量,流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。
(2)能量的转化与能量的转移:各种不同形式的能量可以相互转化,而且在转化过程中总量保持不变,也就是说当某个物体的能量减少时,一定存在其他物体的能量增加。
(3)功是能量转化的量度:不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是各种形式的能量转化的过程,且做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化(或转移)的量度。
2.能量守恒定律的表达式:
(1)E初=E终。
(2)ΔE增=ΔE减。
3.自然界中的宏观现象具有方向性:
(1)能量耗散:燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。
(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。
(3)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的高品质降级为不大可用的低品质形式。
(1)如图是小型汽油机模型,汽油机在工作过程中能量是怎样转化的?
提示:汽油燃烧时化学能转化为内能,汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗?
提示:不能,因为内燃机工作时总有内能损失,不可能全部转化为机械能。
【典例】如图a、b是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)。当落潮时,开闸放水发电(见图b)。设海湾水库面积为5.0×108
m2,平均潮差为3.0
m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103
kg/m3,g取10
N/kg)
( )
A.2.6×104
kW B.5.2×104
kW
C.2.6×105
kW
D.5.2×105
kW
【解析】选B。利用潮汐发电,就是水的重力势能转化为电能,水能转化电能的效率是10%,一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加:W水=GΔh=mgΔh=ρ水VgΔh=ρ水ShgΔh,Δh为水的重心下降的高度,即:Δh=
m,则水的势能可转变为电能:W电=W水×10%=1.0×103
kg/m3×5.0×108
m2×3.0
m×10
N/kg×1.5
m×0.1=2.25×1012
J。每天两次涨潮,则该发电站一天能发电4.5×1012
J,所以每天的平均功率为P==5.2×104
kW,故B项正确。
如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中的制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是
( )
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律
【解析】选B。由热力学第二定律可知,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,除非有外界的影响或帮助,电冰箱把热量从低温物体传到高温物体,需要压缩机的帮助并消耗了电能,B正确,A、D错误。热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化或内能转移的规律,是能量的转化和守恒定律的具体表现,适用于所有的热学过程,故C错误。故选B。
【加固训练】
1.市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下,小电扇快速转动,能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况是
( )
A.太阳能→电能→机械能 B.太阳能→机械能→电能
C.电能→太阳能→机械能
D.机械能→太阳能→电能
【解析】选A。电池板中太阳能转化为电能,小电动机中电能转化为机械能,故A项正确。
2.风力是清洁能源,我国的风力发电技术已经走在世界的前列。某公司独立研发并制造的SL5
000
风力发电机,单机设计功率为5
000
kW,叶片长度为64
m,已知空气的密度为1.29
kg/m3,如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%,则该风力发电机正常工作时,风速值应接近
( )
A.8
m/s B.10
m/s
C.15
m/s
D.20
m/s
【解析】选C。以叶片长l=64
m为半径的圆面积S=πl2,在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x=vt,该柱形体积内风的动能为Ek=ρSxv2=ρπl2vtv2=ρπl2v3t,功率公式P=,则该风力发电机发出的电功率P的数学表达式为P=ηρπl2v3,代入数据得v≈14.4
m/s,故C项正确。
知识点二 能源的分类与应用
1.地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能:
2.能源的分类:
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按是否可再生
可再生能源
可循环使用、不断补充
水能、风能、潮汐能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气
按对环境污染情况
清洁能源
对环境基本没有污染
太阳能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
煤、石油、天然气
3.能源和环境污染:
(1)温室效应:石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量,由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用,且像暖房的玻璃一样,只准太阳光的热辐射进来,不让室内长波热辐射出去,使地球气温上升,这种效应叫温室效应。
(2)酸雨:酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油,以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高,形成“酸雨”,腐蚀建筑物、酸化土壤。
(3)光化学烟雾:内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应,产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射,产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒,能引起人的多种疾病。
(4)常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物。
在能量守恒定律提出之后,人们认识到能量不可能凭空产生,但也不会消失,于是有人设计了这样一种装置:该装置可以从海水或者空气中收集热能,并将这些内能作为驱动电动机的动力,从而实现永动的目的。这种设备可以做出来吗?
提示:不能。因为能量的转化具有方向性,热量一旦释放出去,就不会再自动聚集起来供人类重新使用了。
【典例】(多选)(2020·珠海高二检测)2017年5月,我国首次海域“可燃冰”试采成功。
可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源,1
m3可燃冰可转化为164
m3的天然气和0.8
m3的水,下列关于可燃冰说法正确的是
( )
A.“可燃冰”是不可再生能源
B.“可燃冰”属于可再生能源
C.1
m3可燃冰比0.8
m3的水质量小
D.相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后,可燃冰释放的热量多
【解析】选A、D。可燃冰是一次能源,属于不可再生能源,故A正确,B错误;1
m3可燃冰可转化为164
m3的天然气和0.8
m3的水;故C错误,D正确。故选A、D。
目前,共享单车作为绿色出行的交通工具,成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁,车锁内集成了GPS模块与联网模块等,这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能:甲车靠小型发电机——踩动单车时,线圈在磁场中转动,产生电能,如图1所示;乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能,如图2所示。这两种共享单车获取电能时,都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化,下列说法中正确的是
( )
A.都是把机械能转化为电能
B.都是把光能转化为电能
C.甲车把机械能转化为电能,乙车把光能转化为电能
D.甲车把光能转化为电能,乙车把机械能转化为电能
【解析】选C。甲车靠小型发电机——踩动单车时,线圈在磁场中转动,产生电能,故是将机械能转化为电能;乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能,故是光能转化为电能,故C项正确。
【拓展例题】考查内容:能源与环境污染
【典例】(多选)CO2气体有个“怪脾气”,它几乎不吸收太阳的短波辐射,大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升;另外,它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用,阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放,使整个地球就像一个大温室一样,因此,大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升,使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加,以下措施中可行且有效的是
( )
A.禁止使用煤、石油和天然气
B.开发使用核能、太阳能
C.将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D.植树造林
【解析】选B、D。可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用,减少CO2的排放;植树造林可以吸收空气中的CO2,所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效,但并不可行。
情境·模型·素养
氢气是一种清洁能源,它燃烧后只生成水,对环境无污染,某同学设想了一个利用氢能的方案,如图是它的示意图,请你判断这一方案的可行性,并说明理由。
探究:
判断:________(选填“可行”或“不可行”)?
理由:______________________________________________________。?
【解析】由题图可知,该方案是利用电解水的方法来制取氢气,再利用氢气燃烧来发电,该过程没有外界能量进入,但却能源源不断地输出能量,违背了能量守恒定律。实际上工业制氢气确实通过电解水,然而电解水过程中需要消耗大量的电能,通过氢气燃烧发的电远远不足以电解产生等量的氢气,导致能够制备的氢气越来越少,并使发电过程逐渐停止。
答案:不可行 违反了能量守恒定律
课堂检测·素养达标
1.煤、石油、天然气和生物能作为能源的共同特点是
( )
A.都为可再生能源,取之不尽,用之不竭
B.都为不可再生能源,用一点,少一点
C.都为来自太阳辐射的能量
D.都为污染环境的能源
【解析】选C。煤、石油、天然气是不可再生能源,对环境污染严重,生物能是可再生能源,对环境无污染或污染少,但它们都来自太阳辐射,故C项正确。
2.有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度。他的办法是:关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转,且不考虑房间内外热量的传递,则开机后,室内的温度将
( )
A.逐渐有所升高
B.保持不变
C.开机时降低,停机时又升高
D.开机时升高,停机时降低
【解析】选A。冰箱工作,会产生热量,即消耗电能,产生了内能,且房间与外界没有能量交换,所以房内温度会升高,故A项正确。
3.下列说法中正确的是
( )
A.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了
B.理想的发动机因为没有摩擦,也没有漏气,它的效率可以达到100%
C.热量只能自发地从高温物体传给低温物体,而不能自发地从低温物体传给高温物体
D.根据能量守恒定律,能量是用不完的,所以根本不需要节约能源
【解析】选C。石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能,机械能并没有消失,故A错误;理想发动机,即使没有摩擦,也没有漏气等能量损失,也有散热器的热量损失与排气管排出的废热,其效率不可能达到100%,故B错误;热量只能自发地从高温物体传给低温物体,而不能自发地从低温物体传给高温物体,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,故C正确;能量虽然不会减少,但是高品质的能源会越用越少,所以要节约能源,故D错误。
4.图示中的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3
m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106
J。如果每天等效日照时间约为6
h,光电池一天产生的电能可供30
W的路灯工作8
h。光电池的光电转换效率约为
( )
A.4.8% B.9.6%
C.16%
D.44%
【解析】选C。每天(6
h)太阳能电池板吸收的太阳能:W总=0.3×3×106×6
J=5.4×106
J,
路灯正常工作,P=P额=30
W,
正常工作8
h消耗的电能:
W=Pt=30
W×8×3
600
s=8.64×105
J,
利用太阳能的效率:η===16%。故C项正确。
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