15.4 探究焦耳定律 练习题（含解析）

15.4　探究焦耳定律 　　　　　　　　　　 　　　　 　　　
题组1　电流的热效应及其影响因素
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 (　　)
A.电风扇 B.电冰箱 C.电视机 D.电水壶
2.将一台“220 V　100 W”的电风扇、一个“220 V　100 W”的充电器、一只“220 V　100 W”的电烙铁分别接到220 V的电源上,在相同的时间内,电流通过它们产生的热量最多的是(　　)
A.电烙铁 B.充电器
C.电风扇 D.一样多
3.关于电功和电热,下列说法正确的是 (　　)
A.电流所做的电功一定等于电热
B.电流所做的电功一定大于电热
C.电流所做的电功一定小于电热
D.在纯电阻电路中,电功等于电热
4.如图1所示,在A、B两个容器内装有质量和温度都相同的水,已知R1=2R2,通电后(　　)
A.A中的水先沸腾
B.B中的水先沸腾
C.两容器中的水同时沸腾
D.无法确定

图1 图2
5.如图2所示,两个密闭容器中接入电热丝R1、R2,右边容器上方接入电热丝R3,在通电时间相同的情况下,观察两个U形管中液面高度的变化。本实验是根据　　　　(选填“气体”或“液体”)的热胀冷缩来反映电流产生的热量多少的,已知R1=10 Ω,R3=6 Ω,为了研究电流产生的热量与电流的关系,则R2=　　　　Ω。若将R3和R2并联接入右边密闭容器中,则可研究电流产生的热量与　　　　的关系。?
6.如图3所示是探究“电流产生的热量与电流、电阻关系”的实验装置:(甲、乙、丙三个容器内三根玻璃管中液面相平)
图3
(1)电流产生的热量不易直接测量,在该实验中是通过观察玻璃管中液面的　　　　来比较甲、乙、丙容器内液体温度变化的。?
(2)在通电时间相同的情况下,通过对比观察　　　　容器内玻璃管中液面变化情况来探究电流产生的热量Q与电阻R的关系,得出的结论是:? 　。?
(3)在通电时间相同的情况下,通过对比观察　　　　容器内玻璃管中液面变化情况来探究电流产生的热量Q与电流I的关系,得出的结论是:? 　。?
题后反思
(1)电流通过导体,导体会发热的现象,叫做电流的热效应。该过程中电能转化为内能。
(2)探究影响电流热效应的因素时应用了控制变量法和转换法。
题组2　焦耳定律的实际应用　　　　　　　
7.小朋友在玩电动玩具车时,如果用手将其按住,不让车轮转动,很容易烧坏电动机,这是因为电动机线圈的电阻　　　　(选填“很大”或“很小”),此时通过电动机线圈的电流会　　　　(选填“很大”或“很小”),根据　　　　知,短时间内会在线圈中产生大量的热,从而将线圈烧坏。?
8.额定电压为220 V的家用电暖器正常工作时,通过内部电热丝的电流为5 A,则电热丝正常工作时的电阻为　　　　Ω,工作10 min产生的热量为　　　　J。电热丝通电后变得很烫,而连接的导线却不怎么热,这是由于导线的电阻远　　　　(选填“大于”或“小于”)电热丝的电阻。?
9.小明家购买了一个电饭煲,在使用时闻到橡胶的焦煳味,用手摸其电源线发现很热,而其他用电器仍正常工作,发生这一现象的原因可能是 (　　)
A.电压太高 B.导线太粗 C.导线太短 D.导线太细
10.新的国家标准对延长线插座配用电缆的导线横截面积要求进行了修改,额定电流为16 A的延长线插座,导线最小标称横截面积由1 mm2提升到1.5 mm2。增大导线横截面积的目的是(　　)
A.增大导线的电阻
B.减小通过导线的电流
C.增大导线两端的电压
D.减小导线发热的功率
11.小明家在不远处施工,临时用导线将电水壶和电水龙头(打开几秒钟就能流出热水)接入家中电能表[3000 r/(kW·h)],如图4所示。电水壶的规格为“220 V　1210 W”,电水龙头的规格为“220 V　2420 W”,当电路中单独使用电水壶烧水时,电能表的转盘转动110 r用时120 s。当电路中单独使用电水龙头洗漱时,用了180 s。导线、电水壶和电水龙头的电阻不随温度变化。求:
(1)电水壶和电水龙头的电阻。
(2)导线的电阻。
(3)在洗漱时,导线上产生的热量。
图4
题后反思
电能输送中电功率的相关问题:
(1)电能输送的主要损耗是输电导线的发热功率损耗。
(2)减小输电导线中的电流,可减小发热功率损耗,为此可采用高压输电。
(3)减小导线的电阻,也可以减小发热功率损耗,为此可使用电阻率小、横截面积大的导线作为输电线的材料。
题组3　电功与电热的计算　　　　　　　
12.如图5所示的电路中,电源电压U=9 V,电阻R1=20 Ω,R2=10 Ω,则通电1 min该电路产生的热量为　　　　J。?
　图5
13.将R1、R2分别连接成如图6所示的甲、乙两种电路,R1=2R2,电源电压均为U,图甲电路中R1、R2在相同时间内产生的热量分别为Q甲1、Q甲2,则Q甲1∶Q甲2=　　　　,图乙电路中R1、R2在相同时间内产生的热量分别为Q乙1、Q乙2,则Q乙1∶Q乙2=　　　　。?
图6
14. 两只定值电阻R1和R2的I-U图像如图7所示。当把这两只电阻并联接在3 V电源上时,通过干路的电流是　　　　A,在相同时间内,产生的热量更多的是　　　　(选填“R1”或“R2”)。?

图7 图8
15.小军用玩具电动车的小电动机做趣味实验。他将一个电压恒为3 V的电源按如图8所示接在电动机两端,闭合开关后,电动机稳定匀速转动了10 s,此时电流表的示数为0.6 A,关于本实验,以下说法正确的是 (　　)
A.电动机在匀速转动过程中的电阻为5 Ω
B.电动机在匀速转动过程中的功率为1.8 W
C.电动机在匀速转动的10 s内产生18 J的热量
D.电动机在匀速转动过程中电能全部转化为机械能
16.小强家买了一个自动电热水壶,其铭牌如下表,小强装了1 L的水,加热6 min后把水烧开,水壶自动断电。已知大气压为标准大气压,家庭电路电压为220 V,电热水壶的电阻不变,水的初温为20 ℃,c水=4.2×103 J/(kg·℃),ρ水=1.0×103 kg/m3。求:
(1)这壶水吸收的热量。
(2)电热水壶的热效率。
(3)在用电高峰期,电路中的实际电压降为198 V时,电热水壶的实际功率。
自动电热水壶
型号
×××
电源
220 V　50 Hz
额定功率
1100 W
容量
1 L
17.小明的妈妈为他的奶奶买了一个电热足浴盆(如图9所示),其内部由加热系统和按摩系统两部分组成。加热系统的加热电阻的额定电压为220 V,额定功率为605 W。问:
(1)小明帮奶奶泡脚时,向足浴盆中加入6 kg初温为20 ℃的水,加热系统的加热电阻正常工作16 min将水加热到40 ℃,此加热过程中水吸收的热量是多少?消耗的电能是多少?[c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
(2)加热系统加热时的效率是多少?(精确到0.1%)
(3)当小明家的实际电压是200 V时,加热电阻工作的实际功率是多少?(加热电阻阻值不随温度变化而变化)
(4)足浴盆按摩系统中的电动机工作电压是12 V(按摩系统将交流电压转换为12 V),工作电流为4 A,其电阻为0.5 Ω,电动机工作中因发热损失的功率是多少?
图9
题后反思
(1)在纯电阻电路中,电能全部转化为内能,即W=Q。
(2)在非纯电阻电路中,只有一部分电能转化为内能,消耗的电能大于产生的热量,即W>Q,计算产生的热量时只能用Q=I2Rt。
【能力提升】
18.[2019·安徽] 如图10所示电路中,U=12 V,R1=6 Ω,R2=3 Ω,R3=4 Ω。当S2断开、S1闭合时,电阻R1消耗的电功率为　　　　W;当S1、S2都闭合时,6 s内电流通过R2产生的热量是　　　　J。?
图10
19.实验桌上有两个完全相同的烧瓶,烧瓶内装有质量相等的煤油、型号相同的温度计和阻值不等且不变的电阻丝,如图11所示。另外,还有满足实验要求的电源和开关各一个、电流表和停表各一块、导线若干。请利用上述实验器材,设计一个实验证明:保持电流值不变,在相同时间内,电流通过电阻丝产生的热量多少与电阻大小有关。实验中可用煤油升高的温度Δt的大小表示电流通过电阻丝产生热量的多少。请画出实验电路图,写出实验步骤,设计实验数据记录表格。
图11
　　　　　　　　　　 　　　　 　　
答案
1.D　2.A　3.D　4.B
5.气体　10　电阻　
[解析] 单位时间内电流通过导体时产生的热量越多,空气的温度升高得越多,内外的气压差越大,U形管中液面的高度差越大,故该实验利用气体的热胀冷缩来反映电阻丝放出热量的多少;研究电流产生的热量与电流的关系,应控制通电时间相同,两个密闭容器中电阻相等,故R2=R1=10 Ω;R3和R2并联后总电阻:R并=R3R2R3+R2=6Ω×10 Ω6 Ω+10 Ω=3.75 Ω,将R3和R2并联接入右边密闭容器中,左右两个密闭容器中电阻不同,通电时间相同,电流相同,故可研究电流产生的热量与电阻的关系。
6.(1)高度
(2)甲、乙　在电流、通电时间相同的情况下,电阻越大,电流产生的热量越多
(3)乙、丙　在电阻、通电时间相同的情况下,电流越大,电流产生的热量越多
7.很小　很大　焦耳定律(Q=I2Rt)
8.44　6.6×105　小于
9.D　10.D
11.(1)根据公式P=U2R可知,电水壶的电阻:R壶=U壶2P壶=(220V)21210 W=40 Ω。
电水龙头的电阻:R龙头=U龙头2P龙头=(220V)22420 W=20 Ω。
(2)当电路中单独使用电水壶烧水时,消耗的电能:W=1103000 kW·h=11300 kW·h,
此时电路的总功率:
P=Wt=11300 kW·h1203600h=1.1 kW=1100 W,
此时电水壶和导线的总电阻:
R总=U2P=(220V)21100 W=44 Ω,
由于导线与电水壶串联接入电路中,则导线的电阻:
R线=R总-R壶=44 Ω-40 Ω=4 Ω。
(3)电水龙头和导线的总电阻:
R总'=R线+R龙头=4 Ω+20 Ω=24 Ω,
导线中的电流:
I=UR总'=220V24 Ω=556 A,
导线上产生的热量:Q=I2R线t'=556 A2×4 Ω×180 s=60500 J。
12.162　[解析] 由电路图可知,电路为R1、R2串联的纯电阻电路,总电阻R总=R1+R2=20 Ω+10 Ω=30 Ω,通电1 min产生的热量:Q=U2R总t=(9V)230 Ω×60 s=162 J。
13.2∶1　1∶2
14.0.45　R1
15.B　[解析] 电动机转动时是非纯电阻电路,不能运用欧姆定律计算,A错误;电动机匀速转动过程中消耗的电功率P=UI=3 V×0.6 A=1.8 W,B正确;电动机匀速转动时消耗的电能W=Pt=1.8 W×10 s=18 J,由于电动机工作时,将电能转化为内能和机械能,所以匀速转动的10 s内产生的热量小于18 J,C、D错误。
16.(1)水的质量:
m=ρ水V=1.0×103 kg/m3×1×10-3m3=1 kg;
水升高到100 ℃吸收的热量:
Q吸=c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃-20 ℃)=3.36×105 J。
(2)由P=Wt得,电热水壶在6 min内消耗的电能:
W=Pt=1100 W×6×60 s=3.96×105 J;
电热水壶的热效率:
η=Q吸W×100%=3.36×105 J3.96×105 J×100%≈84.8%。
(3)由P=UI=U2R得,电热水壶的电阻:
R=U2P=(220V)21100W=44 Ω;
当电压为198 V时,实际功率:
P'=U实2R=(198V)244Ω=891 W。
17.(1)水吸收的热量:
Q吸=c水 m(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×6 kg×(40 ℃-20 ℃)=5.04×105 J。
加热时间t'=16 min=960 s,消耗的电能:
W=P额t'=605 W×960 s=5.808×105 J。
(2)加热系统加热时的效率:
η=Q吸W×100%=5.04×105J5.808×105J×100%=86.8%。
(3)由P=U2R得,加热电阻的阻值:R=U额2P额=(220V)2605 W=80 Ω;
当小明家的实际电压是200 V时,加热电阻工作的实际功率:P实=U实2R=(200V)280 Ω=500 W。
(4)电动机工作中因发热损失的功率:P损=I2R'=(4 A)2×0.5 Ω=8 W。
18.8.64　32　[解析] (1)当S2断开、S1闭合时,电阻R1和R3串联,
电路中的电流:I=UR1+R3=12V6 Ω+4 Ω=1.2 A,
电阻R1消耗的电功率:P=I2R1=(1.2 A)2×6 Ω=8.64 W。
(2)当S1、S2都闭合时,电阻R1和R2先并联,再和R3串联,
R1和R2并联的总电阻:R=R1R2R1+R2=6Ω×3 Ω6 Ω+3 Ω=2 Ω,
干路电流:I'=UR+R3=12V2Ω+4 Ω=2 A,
则电阻R2两端的电压:U2=I'R=2 A×2 Ω=4 V,
6 s内电流通过R2产生的热量:Q=U22R2t=(4V)23 Ω×6 s=32 J。
19.(1)实验电路图如图所示:
(2)实验步骤:
①按电路图连接电路,观察并记录装置甲、乙中温度计的示数t0。
②闭合开关S,每经过相同时间(如1 min),观察并记录装置甲、乙中温度计的示数,记录几次数据后断开开关S。
③煤油升高的温度Δt=t-t0,通过比较Δt的大小,比较电流通过电阻丝产生热量的多少。
(3)实验数据记录表:
温度
t0
t1
t2
t3
t4
甲(R1)
乙(R2)