2017-2018學(xué)年高中物理第二章恒定電流5焦耳定律學(xué)案新人教版選修

1、5焦耳定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.理解電功、電功率的概念，并能利用公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.2.弄清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系.3.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點(diǎn)和區(qū)別.一、電功和電功率導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，已知電路兩端的電勢(shì)差為U，電路中的電流為I，在t時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某截面的電荷量是多少？把這些電荷從左端移到右端，靜電力做功是多少？圖1答案ItIUt知識(shí)梳理1.電功(1)電功是指電路中靜電力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程.(2)電功的計(jì)算公式：WIUt.單位：焦耳，符號(hào)為J.常用的單位：千瓦時(shí)(kWh)，也稱“度”，1 kWh3.6106 J.2.電功率(1

2、)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功.(2)公式：Peq f(W,t)UI.(3)單位：瓦，符號(hào)：W.(4)意義：表示電流做功的快慢.即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)電流做功的實(shí)質(zhì)是靜電力對(duì)電荷做功.()(2)電功率越大，表示電流做功越多.()(3)某導(dǎo)體兩端電壓為10 V，當(dāng)通過(guò)2 C的電荷時(shí)，電流做功的功率為20 W.()二、焦耳定律導(dǎo)學(xué)探究(1)某一電路中只含有某一電阻元件，即白熾燈、電動(dòng)機(jī)、電爐、電容器、電熨斗、電飯鍋、電解槽其中的一種，分析哪些屬于純電阻電路，哪些屬于非純電阻電路.(2)純電阻電路中，消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？對(duì)于含電動(dòng)機(jī)的電路，消耗的電能轉(zhuǎn)化為什么形式的能？答案(1

3、)純電阻電路有：白熾燈、電爐、電熨斗、電飯鍋；非純電阻電路有：電動(dòng)機(jī)、電容器、電解槽(2)內(nèi)能內(nèi)能和機(jī)械能知識(shí)梳理1.焦耳定律(1)內(nèi)容：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比.(2)表達(dá)式：QI2Rt.2.熱功率(1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量稱為熱功率.(2)表達(dá)式：PI2R.3.純電阻電路與非純電阻電路(1)純電阻電路：電流通過(guò)純電阻電路做功時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能.(2)非純電阻電路：含有電動(dòng)機(jī)或電解槽的電路稱為非純電阻電路.在非純電阻電路中，電流做的功將電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能.(3)電功和電熱的計(jì)算公式比較純電阻電路非純電阻電

4、路電功和電功率WUItI2Rteq f(U2,R)tP電UII2Req f(U2,R)WUItP電UI電熱和熱功率QI2RtUIteq f(U2,R)tP熱I2RUIeq f(U2,R)QI2RtP熱I2R電功和電熱關(guān)系WQWQE其他Q電功率和熱功率關(guān)系P電P熱P電P熱P其他P熱歐姆定律是否適用Ieq f(U,R)，適用UIR，不適用即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)電功一定等于電熱.()(2)電動(dòng)機(jī)消耗了電能，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一部分轉(zhuǎn)化為線圈內(nèi)阻上的電熱.()(3)電熱QI2Rt可以用來(lái)計(jì)算所有含有電阻的電路中產(chǎn)生的焦耳熱.()(4)電功WUIt可以用來(lái)計(jì)算所有電路中電流所做的功.()一

5、、電功、電熱電功率、熱功率公式的比較例1(多選)下列關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說(shuō)法中正確的是()A.電功率越大，電流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多B.WUIt適用于任何電路，而WI2Rteq f(U2,R)t只適用于純電阻電路C.在非純電阻電路中，UII2RD.焦耳熱QI2Rt適用于任何電路答案BCD解析電功率公式Peq f(W,t)，表示電功率越大，電流做功越快.對(duì)于一段電路，有PIU，Ieq f(P,U)，焦耳熱Q(eq f(P,U)2Rt，可見(jiàn)Q與P、U、t、R都有關(guān)，所以P越大，Q不一定越大，A錯(cuò).WUIt是電功的定義式，適用于任何電路，而Ieq f(U,R)只適用于純電阻電路

6、，B對(duì).在非純電阻電路中，電流做的功焦耳熱其他形式的能，所以WQ，即UII2R，C對(duì).QI2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路，D對(duì).1.WUIt是電功的計(jì)算式，P電UI是電功率的計(jì)算式，適用于任何電路.QI2Rt是電熱的計(jì)算式，可以計(jì)算任何電路中電流I通過(guò)電阻R時(shí)在t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，P熱I2R是熱功率的計(jì)算式，可以計(jì)算任何電路的熱功率.2.只有在純電阻電路中才有WQ，P電P熱而在非純電阻電路中WQ，P電P熱.3.在純電阻電路中，由UItI2Rt得Ieq f(U,R)，即歐姆定律成立；在非純電阻電路中UItI2Rt知UIR，即歐姆定律不成立.二、純電阻電路中的功率分配及計(jì)算例2額定電壓都是

7、110 V、額定功率PA100 W、PB40 W的燈泡兩盞，若接在電壓為220 V的電路上，使兩盞燈泡均能正常發(fā)光，且消耗功率最小的電路是()答案C解析判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，對(duì)燈泡有PUIeq f(U2,R)，可知RARB.對(duì)于A電路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110 V，B燈被燒毀，UA110 V，A燈不能正常發(fā)光.對(duì)于B電路，由于RBRA，A燈又并聯(lián)滑動(dòng)變阻器，并聯(lián)電阻小于RB，所以UBU并，B燈燒毀.對(duì)于C電路，B燈與滑動(dòng)變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UAUB110 V，兩燈可以正常發(fā)光.對(duì)于D電路，若滑動(dòng)變阻器的有效電阻

8、等于A、B的并聯(lián)電阻，則UAUB110 V，兩燈可以正常發(fā)光.比較C、D兩個(gè)電路，由于C電路中滑動(dòng)變阻器功率為(IAIB)110 V，而D電路中滑動(dòng)變阻器功率為(IAIB)110 V，所以C電路消耗電功率最小.1.串聯(lián)、并聯(lián)電阻的功率分配(1)串聯(lián)電路：eq f(P1,P2)eq f(R1,R2)，eq f(Pn,P)eq f(Rn,R)(由PI2R可得)，電阻越大，功率越大.(2)并聯(lián)電路：eq f(P1,P2)eq f(R2,R1)，eq f(Pn,P)eq f(R,Rn)(由Peq f(U2,R)可得)，電阻越大，功率越小.2.計(jì)算純電阻電路的功率時(shí)，可以用PUI，也可以用PI2R或Pe

9、q f(U2,R).做題時(shí)要根據(jù)題目靈活選用.針對(duì)訓(xùn)練1(多選)有三個(gè)電阻的阻值及額定功率分別為R110 、P110 W，R220 、P280 W，R35 、P320 W，它們組成的電路如圖2甲、乙、丙所示，關(guān)于各圖的說(shuō)法正確的是()圖2A.圖甲兩端允許加的最大電壓為60 VB.圖乙干路允許流過(guò)的最大電流為3.5 AC.圖丙兩端允許加的最大電壓為17.5 VD.以上說(shuō)法均不正確答案BC解析R110 、P110 W，故I1eq r(f(P1,R1)1 A，U1I1R110 V；同樣R220 、P280 W，故I22 A，U2I2R240 V；R35 、P320 W，故I32 A，U3I3R310

10、 V；圖甲中三個(gè)電阻串聯(lián)，取最小額定電流，故最大電流為1 A，故最大電壓為：UI(R1R2R3)1(10205) V35 V，故A錯(cuò)誤；圖乙中三個(gè)電阻并聯(lián)，取最小額定電壓，最大電壓為10 V，I20.5 A，故最大電流為：II1I2I33.5 A，故B正確；圖丙中R1與R2并聯(lián)，取最小額定電壓，故最大電壓為10 V，故最大電流為：I1I21.5 A；并聯(lián)部分與電阻R3串聯(lián)，取最小額定電流，故最大電流為1.5 A，故電阻R3兩端的電壓為1.5 A5 7.5 V，所以丙圖兩端允許加的最大電壓為：10 V7.5 V17.5 V，故C正確.三、非純電阻電路功率的分析及計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率和效率(1)電動(dòng)機(jī)

11、的輸入功率指電動(dòng)機(jī)消耗的總功率：P入U(xiǎn)I.(2)電動(dòng)機(jī)的熱功率是線圈上電阻的發(fā)熱功率，P熱I2r.(3)電動(dòng)機(jī)的輸出功率是指電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率，P出IUI2r.(4)電動(dòng)機(jī)的效率：eq f(P出,P入)eq f(IUI2r,IU).例3規(guī)格為“220 V36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 ，求：(1)接上220 V的電壓后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率；(2)如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求電動(dòng)機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率.答案(1)35 W1 W(2)1 210 W1 210 W解析(1)排氣扇在 220 V的電壓下正常工作時(shí)的電流為Ieq f(P,U)eq f(36

12、,220) A0.16 A發(fā)熱功率為P熱I2R(0.16)240 W1 W轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率為P機(jī)PP熱(361) W35 W.(2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)成為純電阻電路，電流做功全部轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)中電流為Ieq f(U,R)eq f(220,40) A5.5 A電動(dòng)機(jī)消耗的功率即電功率等于發(fā)熱功率：P電P熱UI2205.5 W1 210 W.1.純電阻電路中，WUItI2Rteq f(U2,R)tPUII2Req f(U2,R).電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)機(jī)械功率輸出，屬純電阻電路.2.非純電阻電路中，WUItQI2Rt，PUIP熱I2R.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，向外輸出機(jī)械功率，屬非純電阻電路.

13、3.電動(dòng)機(jī)的效率等于輸出的機(jī)械功率與總消耗的電功率之比，即eq f(P出,P入)100%.針對(duì)訓(xùn)練2如圖3所示，有一內(nèi)電阻為4.4 的電解槽和一盞標(biāo)有“110 V60 W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220 V的直流電路兩端，燈泡正常發(fā)光，則()圖3A.電解槽消耗的電功率為120 WB.電解槽的發(fā)熱功率為60 WC.電解槽消耗的電功率為60 WD.電路消耗的總功率為60 W答案C解析燈泡能正常發(fā)光，說(shuō)明電解槽和燈泡均分得110 V電壓，且干路電流II燈eq f(6,11) A，則電解槽消耗的電功率PP燈60 W，A錯(cuò)，C對(duì)；電解槽的發(fā)熱功率P熱I2R內(nèi)1.3 W，B錯(cuò)誤；整個(gè)電路消耗的總功率P總22

14、0eq f(6,11) W120 W，D錯(cuò).1.下表為某電熱水壺銘牌上的一部分內(nèi)容，根據(jù)表中的信息，可計(jì)算出電熱水壺在額定電壓下以額定功率工作時(shí)的電流約為()型號(hào)DF938額定功率900 W額定電壓220 V額定容量1.2 LA.6.8 A B.4.1 AC.1.2 A D.0.24 A答案B解析由銘牌讀出電熱水壺額定功率為P900 W，額定電壓為U220 V；由PUI得，電熱水壺的額定電流為：Ieq f(P,U)eq f(900,220) A4.1 A.2.(多選)如圖4所示，把四個(gè)相同的燈泡接成甲、乙兩種電路后，燈泡都正常發(fā)光，且兩個(gè)電路的總功率相等.則下列對(duì)這兩個(gè)電路中的U甲、U乙、R甲

15、、R乙之間的關(guān)系的說(shuō)法正確的是()圖4A.U甲2U乙 B.U甲2U乙C.R甲4R乙 D.R甲2R乙答案BC解析設(shè)燈泡的電阻為R，正常發(fā)光時(shí)電流為I，電壓為U，由于兩個(gè)電路的總功率相等，PU甲IU乙2I，得U甲2U乙；又由U甲2UIR甲，U乙U2IR乙，得R甲4R乙，故正確答案為B、C.3.電阻R1、R2的IU圖象如圖5所示，則下列說(shuō)法正確的是()圖5A.R1R231B.將R1與R2串聯(lián)后接于電源上，則電壓比U1U213C.將R1與R2并聯(lián)后接于電源上，則電流比I1I213D.將R1與R2并聯(lián)后接于電源上，則功率比P1P213答案B解析由圖象可知，當(dāng)I1 A時(shí)，U11 V，U23 V，所以R1e

16、q f(U1,I1)1 ，R2eq f(U2,I)3 ，則R1R213，A錯(cuò).R1與R2串聯(lián)時(shí)，U1U2R1R213，B正確.R1與R2并聯(lián)時(shí)，I1I2R2R131，P1P2R2R131，C、D均錯(cuò).4.如圖6所示，A為電解槽，N為電爐子，恒定電壓U12 V，電解槽內(nèi)阻rA2 ，當(dāng)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，電流表的示數(shù)為6 A；當(dāng)S2閉合、S1斷開(kāi)時(shí)，電流表的示數(shù)為4 A，求：(電流表內(nèi)阻不計(jì))圖6(1)電爐子的電阻及發(fā)熱功率各多大？(2)在電解槽工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為多少？答案(1)2 72 W(2)16 W解析(1)電爐子為純電阻元件，由歐姆定律得I1eq f(U,R)，則Req f

17、(U,I1)eq f(12 V,6 A)2 ，其發(fā)熱功率為：PRUI1126 W72 W.(2)電解槽為非純電阻元件，發(fā)熱功率為：P熱Ieq oal(2,2)rA422 W32 W，總功率為：P總UI2124 W48 W，故電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的功率為：P化P總P熱(4832) W16 W.一、選擇題(16題為單選題，78題為多選題)1.關(guān)于電功W和電熱Q的說(shuō)法正確的是()A.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，且WQB.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，但W不一定等于QC.WUIt、QI2Rt均只有在純電阻電路中才成立D.WUIt在任何電路中都成立，QI2Rt只在純電阻電路中才成立答案B解

18、析WUIt是電功的定義式，適用于任何電路，QI2Rt是焦耳熱的定義式，也適用于任何電路，如果是純電阻電路WQ，在非純電阻電路中WQ，B對(duì)，A、C、D錯(cuò).2.額定電壓、額定功率均相同的電風(fēng)扇、電烙鐵和日光燈，各自在額定電壓下正常工作了相同的時(shí)間.比較它們產(chǎn)生的熱量，結(jié)果是()A.電風(fēng)扇最多 B.電烙鐵最多C.日光燈最多 D.一樣多答案B解析在三種用電器中，只有電烙鐵能將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電風(fēng)扇將部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，日光燈將部分電能轉(zhuǎn)化為光能，故B選項(xiàng)正確.3.如圖1所示為某兩個(gè)電阻的UI圖象，則R1R2的值和把兩電阻串聯(lián)后接入電路時(shí)消耗功率之比P1P2及并聯(lián)后接入電路時(shí)消耗功率之比P1P2分

19、別是()圖1A.212112B.211221C.121221D.122112答案A4.兩盞額定功率相同的燈泡A和B，其額定電壓UAUB，則下列說(shuō)法正確的是()A.兩燈正常發(fā)光時(shí)，燈泡的電流IAIBB.兩燈電阻RARBC.將兩燈串聯(lián)后接入電路中發(fā)光時(shí)，則燈泡的功率PAPBD.將兩燈并聯(lián)后接入電路中發(fā)光時(shí)，則燈泡的功率PARB，由PIU可知額定電流IAPB，故C錯(cuò)誤；兩燈并聯(lián)后，由并聯(lián)電路的功率分配關(guān)系可知Peq f(1,R)，所以PAPB，故D正確.5.電阻R和電動(dòng)機(jī)串聯(lián)接到電路中，如圖2所示，已知電阻R跟電動(dòng)機(jī)線圈的電阻值相等，開(kāi)關(guān)接通后，電動(dòng)機(jī)正常工作.設(shè)電阻R和電動(dòng)機(jī)兩端的電壓分別為U1和

20、U2，經(jīng)過(guò)時(shí)間t，電流通過(guò)電阻R做功為W1，產(chǎn)生熱量為Q1，電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)做功為W2，產(chǎn)生熱量為Q2，則有()圖2A.U1U2，Q1Q2B.U1U2，Q1Q2C.W1W2，Q1Q2D.W1W2，Q1Q2答案A解析電動(dòng)機(jī)是非純電阻，其兩端電壓U2IRU1，B錯(cuò)；電流做的功W1IU1t，W2IU2t，因此，W1W2，C錯(cuò)；產(chǎn)生的熱量由QI2Rt可判斷Q1Q2，A對(duì)，D錯(cuò).6.A、B為“220 V100 W”的兩盞相同的燈泡，C、D為“220 V40 W”的兩盞相同的燈泡.現(xiàn)將四盞燈泡接成如圖3所示的電路，并將兩端接入電路，各燈實(shí)際功率分別為PA、PB、PC、PD.則實(shí)際功率的大小關(guān)系為()圖3A.

21、PAPB，PCPDB.PAPDPBPCC.PDPAPBPCD.PBPCPDPA答案C解析根據(jù)Req f(U2,P)得，RARBRCRD.由電路圖知，UBUC，根據(jù)Peq f(U2,R)知PBPC；因?yàn)镮AID，根據(jù)PI2R知，PDPA.A、D電流大于B、C電流，由PI2R知，PAPB，PDPC，所以PDPAPBPC.7.日常生活用的電吹風(fēng)中有電動(dòng)機(jī)和電熱絲，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，電熱絲給空氣加熱，得到的熱風(fēng)可將頭發(fā)吹干.設(shè)電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為R1，它與電熱絲的電阻R2相串聯(lián)，接到直流電源上，電吹風(fēng)機(jī)兩端電壓為U，通過(guò)的電流為I，消耗的電功率為P，則以下選項(xiàng)正確的是()A.IUP B.IUPC.PI

22、2(R1R2) D.PI2(R1R2)答案BC8.標(biāo)有“6 V6 W”和“6 V3 W”的燈泡L1和L2串聯(lián)接在某電源上，設(shè)燈絲電阻不變，則()A.通過(guò)燈L1、L2的電流之比為21B.燈L1、L2的實(shí)際功率之比為12C.電源電壓為12 V時(shí)，燈L1、L2均正常發(fā)光D.電源電壓為9 V時(shí)，燈L2正常發(fā)光答案BD解析L1和L2串聯(lián)接在電路中，電流相等.L1的電阻R1eq f(Uoal(2,額),P1額)6 ，L2的電阻R2eq f(Uoal(2,額),P2額)12 .電阻之比R1R212，所以分壓關(guān)系U1U212，通過(guò)兩燈的電流相等，所以功率之比：P1P2I2R1I2R2R1R212.當(dāng)電源電壓為

23、12 V時(shí)，可得U14 V，U28 V.電壓均不是額定電壓，都不能正常發(fā)光.當(dāng)電源電壓為9 V時(shí)，U13 V，U26 V，L2正常發(fā)光.所以正確選項(xiàng)應(yīng)是B、D.二、非選擇題9.有一個(gè)小型直流電動(dòng)機(jī)，把它接入電壓為U10.2 V的電路中時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，測(cè)得流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流是I10.4 A；若把電動(dòng)機(jī)接入U(xiǎn)22.0 V的電路中，電動(dòng)機(jī)正常工作，工作電流是I21.0 A，求：(1)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的輸出功率多大？(2)如果在電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子突然被卡住，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率是多大？答案(1)1.5 W(2)8 W解析(1)U10.2 V時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為純電阻，故電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻req

24、f(U1,I1)eq f(0.2,0.4) 0.5 ，U22.0 V時(shí)，電動(dòng)機(jī)正常工作.此時(shí)電動(dòng)機(jī)為非純電阻，則由電功率與熱功率各自的定義式，得P電U2I22.01.0 W2 W.P熱Ieq oal( 2,2)r1.020.5 W0.5 W.所以由能量守恒定律可得電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出P電P熱2 W0.5 W1.5 W.(2)此時(shí)若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子突然被卡住，則電動(dòng)機(jī)又為純電阻，其熱功率P熱eq f(Uoal( 2,2),r) eq f(2.02,0.5) W8 W.10.如圖4所示為電動(dòng)機(jī)提升重物的裝置，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為r1 ，電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為5 V，電路中的電流為1 A，物體A重20 N，不計(jì)摩擦力，求：圖4(