九上第四章电能概念和练习.docx
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九上第四章电能概念和练习
第四章电能
【概念与规律】
一、电能的获得和转化
1．发电机：
是一种把机械能转化为电能的装置。
发电机的原理：
根据电磁感应原理设计制造的。
在外力带动下，让发电机的转子在磁场中连续做切割磁感线运动，由于电磁感应，发电机的转子线圈中就能产生感应电流。
2．安培力：
通电导体在磁场中受到的作用力。
安培力的大小：
既跟磁场强弱、电流大小以及在磁场中的导体长度都成正比，还与磁场方向和电流方向的夹角大小有关。
（当夹角为0゜时,安培力为0，当夹角为90゜时,安培力最大。
）
安培力的方向：
与磁场方向、电流方向有关，可用左手定则来判断。
3．直流电动机（DCelectricmotor）：
使用直流电源供电，把电能转化为机械能的装置。
直流电动机的原理：
直流电动机是利用通电线圈在磁场中受力而转动的原理设计制造的。
换向器作用：
每当线圈转到平衡位置时，切断通入线圈的电流，线圈利用惯性转过平衡位置后，立即改变通入线圈的电流方向，使线圈向同一个方向连续转动。
直流电动机的特点：
结构简单（主要部件：
电枢线圈——转子，换向器、电刷、产生磁场的定子），起动快（只要用开关接通电源），倒转、变速方便（利用倒顺开关改变电流方向就能改变转动方向，改变通入的电流大小就能改变转动速度，切断电源，就停止转动）。
4．电流热效应及其应用：
电流的热效应：
电流通过导体时，导体会发热的现象叫做电流的热效应。
这是电能转化为内能的过程。
电流热效应的应用：
照明用的白炽灯、炼钢用的高温电炉、家用的电烤箱、电饭煲、电热毯、电熨斗、电热水器、电热取暖器等各种电热设备。
5．电流的化学效应：
电流的化学效应：
当电流通过导电溶液时，在两个电极会发生化学反应，这种现象叫做电流的化学效应，又叫做电解。
电流的化学效应中，存在着电能和化学能的转化。
电流化学效应的应用：
蓄电池的充电，电解炼铜、炼铝，电镀等。
二、电能的量度
1.电功：
电功的概念：
电流所做的功，简称电功。
电流做功的过程就是电能和其他形式能的转化过程，电流做了多少功，就有多少电能发生了转化。
电功就是用来量度转化的电能的多少。
电功的计算：
电流在某段电路上做的功等于该电路两端的电压、电路中的电流和通电时间的乘积。
公式为W=UIt
公式中，电压U的单位是伏（V），电流强度I的单位是安（A），时间t的单位是秒（s），电功W的单位是焦（J）。
焦（J）这个单位很小，在工业生产和家庭用电中常用“千瓦时”（KW•h）作为单位，俗称“度”，1度=1千瓦时（KW•h）=1000瓦（W）×3600（s）=3.6×106焦（J）
2．电功率（electricpower）：
意义：
用来描述电流做功的快慢，即表示电能转化的快慢。
定义：
电流在单位时间内所做的功，叫做电功。
计算公式：
P=UI
公式中，电压U的单位是伏（V），电流强度I的单位是安（A），电功率P的单位是瓦（W）。
常用的电功率单位还有千瓦（KW），兆瓦（MW）。
1兆瓦（MW）=103千瓦（KW）=106瓦（W）。
3．用电器的额定功率（ratedpower）：
额定电压：
用电器能够正常工作的电压。
额定功率：
用电器在额定电压下工作时消耗的电功率，叫做额定功率。
当用电器两端的实际电压高于或低于额定电压时，则用电器的实际功率也将高于或低于其额定功率。
4．电能表：
用来测量在一段时间里电流所做的功，它能累计记录在一段时间内该电路中电流所做的功，即用来测量所转化的电能的多少。
电能表上月初和月底显示的两次读数之差，就是这个月该家庭电路所消
耗的电能。
所用的单位是千瓦时（KWh），俗称“度”。
5．家庭电路：
家庭电路的基本组成：
进户线和连接导线电能表，闸刀开关和熔丝盒，插座，灯座和开关。
相线和零线：
家庭电路供电电线有两根，其中一根叫做相线，俗称火线，另一根叫做零线，零线在线网处（或电网的电源端）是接地的。
我国家庭电路相线与零线之间的电压是220V，零线和地之间的电压为零，所以相线与在之间的电压也为220V。
辨别相线和零线可以用测电笔。
熔丝（保险丝）的作用：
当电路中的电流过大，超过一定限度时，因熔丝的熔点低，它首先熔断、切断电路，从而起到保护电路和电能表的作用。
熔丝线径越大，熔断电流越大，熔丝熔断电流的大小一般跟配用的电能表允许通过的最大电流相适应。
6．安全用电
灯与干路的连接：
必须做到相线进开关，零线进灯座，再连通开关和灯座。
二孔插座的连接：
应使右边插孔与相线相连，左边插孔与零线相连。
三孔插座的连接：
除应使右边插孔与相线相连，
左边插孔与零线相连外，上边的插孔应是接地的。
（连
接口诀：
左零右火上接地）
测电笔的使用：
手触笔尾金属体，笔尖金属体接
触被测电线，若氖管发光，则为相线，不发光的为零
线。
防止触电事故的发生：
必须避免人体直接与相线
接触，严禁带电检修电器，不要在输电线附近放风筝，
不要用湿布揩拭电器，不要用湿手操作电气开关，切
不可用手去拉触电者，切不要靠近高压电线。
【启迪与拓展】
例1如图所示的三个模型示意图中，表示直流发电机、交流发电机和直流电动机的分别是哪个？
图A图B图C
分析:
在构造上直流发电机和直流电动机没有多大区别，要区分它们，可根据其工作原理和外电路的情况进行判断。
要区分直流发电机和交流发电机，应看发电机对外输出的电流方向是否改变，可从其构造中是否有换向器来判断。
答：
发电机是根据电磁感应的原理工作的，当线圈在磁场中作切割磁感线运动时，就向外电路输出电流；电动机是根据通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，必须给线圈通电，它才会转动。
椐此判断，可知图中的（A）因为与电源相连，所以是直流电动机；（B）和（C）因为在向外电路输出电流，应是发电机，其中（C）有换向器，是直流发电机，（B）是交流发电机。
例2一个家用电热器，在电压为220V的照明电路上使用，电热器发热体的电阻丝的电阻是484Ω，求这个电热器每分钟能将多少电能转化成热能？
这个电热器的电功率多大？
分析：
电热器做了多少功就有多少电能转化为热能，计算出电流通过电热器做了多少功，就知道有多少电能转化成热能。
计算电功的公式是W＝UIt，但本题只给出了电压U、电阻R和通电时间t，没有给出电流I，所以不能直接用这个公式来计算，须进行公式推导：
。
对电功率，可用公式
来计算，也可直接用
来计算。
解：
每分钟转化成热能的电能
这个电热器的电功率
答：
这个电热器每分钟能将6000J电能转化成热能；这个电热器的电功率为100W。
例3一只家用的灯泡，标有“PZ220—40”的字样，求：
（1）正常发光时，灯泡的电阻；
（2）正常发光时，通过灯泡的电流；（3）1度电可供这个灯泡正常发光几小时？
（4）若实际电压只有200V，则这个灯泡的实际功率为多大？
灯泡发光的情况如何变化？
此时灯泡的额定功率为多大。
分析：
灯泡上“PZ220—40”字样的意思如下：
PZ表示普通照明灯泡，220表示这个灯泡的额定电压是220V，40表示这个灯泡的额定功率是40W。
本题只给出了灯泡的额定电压U额和额定功率P额，却要求出灯泡的电阻R、正常发光时的电流I等多个量。
显然，都没有现成的公式可直接用来计算，为此，都得从现有的公式出发，推导出对应的计算公式。
首先，可由公式P额=U额I额变形得到计算电流的公式：
；
接着，利用I额可推导出计算电阻的公式：
；
实际功率的公式：
。
求1度电可供灯泡正常发光的时间，可由公式
变形得到：
。
必须注意，灯泡的实际功率会随实际电压的变化而变化，灯泡的额定功率则是灯泡正常发光时的功率，是技术上的一个数值，不随实际电压改变而改变。
解：
（1）灯泡的电阻
（2）正常发光时，通过灯泡的电流
（3）1度电可共这个灯泡正常发光的时间
（4）这个灯泡的实际功率
由于灯泡的实际功率小于额定功率，所以灯泡亮度变暗。
一个灯泡的额定功率不会发生变化，仍然是40W。
例4有两个电阻R1和R2，已知它们在某电路中串联时，R1和R2上消耗的电功率之比为3∶2，若将R1和R2并联起来接入这电路，则R1和R2上的电功率之比为多大？
分析：
本题可先根据串联电路中用电器的电功率之比等于用电器的电阻之比，从而知道R1和R2这两个电阻之比，再用并联电路中用电器的电功率之比等于用电器的电阻之反比的关系来求解。
解：
在串联电路中
在并联电路中
答：
将R1和R2并联起来接入这电路，则R1和R2上的电功率之比为2∶3。
例5在使用电烙铁时，若中间有较长时间搁置待用，烙铁头会因高温氧化而不沾锡，且浪费了电，若在搁置待用时切断电源，要用时再连通电源，则因电烙铁热起来到能熔化锡的温度，需要较长的预热时间，这样做，不但不方便，而且同样浪费电。
通过学习，小明设计了如下的电路，在暂时不需要焊接时将S断开，使电烙铁处于预热状态；需要焊接时将S闭合，电烙铁就能很快达到焊接温度。
已知电烙铁上标有“220V 100W”字样，电灯泡上标有“PZ220—25”字样（不考虑温度对电烙铁和灯泡的电阻的影响）。
若将这个电路接入家庭电路，求S闭合和S断开时，电烙铁的实际功率。
分析：
S闭合时，灯L被短路，电烙铁直接连在电压为220V
的家庭电路上，电烙铁正常工作，此时的实际功率就是额
定功率，无需计算；S断开时，电烙铁与灯L串联，可先分
别求出电烙铁和灯L的电阻，再求出串联电路的电流，然后
用公式P=I2R来计算电烙铁的实际功率。
解：
S闭合时，电烙铁的实际功率
电烙铁的电阻
灯L的电阻
串联电路的电流
S断开时，电烙铁的实际功率
答：
闭合和S断开时，电烙铁的实际功率分别为100W和4W。
例6如图所示电路中，L1为“2.5V1W”的小灯，L2
为“6V1.8W”的小灯，R为未知电阻，若K1闭合K2断开，
则L1能正常发光，若K2闭合K1断开，则L2能正常发光。
求：
（1）电阻R的阻值；
（2）电路两端AB间的电压U
分析：
根据本题的已知条件，无法直接用公式来计算未知
电阻R和电路两端AB间的电压U。
只能根据已知条件找
出已知量和未知量之间的关系，列出方程组来求解。
但
根据已知量和未知量之间的关系常可以列出很多方程组，
为此，应选取较为简单明了、易求解的方程组来解题。
解：
由题意，根据串联电路电流相等得
代入，得
解得：
答：
电阻R为35Ω，电路两端AB间的电压U为16.5V。
说明：
作为拓展思路，可将能列出的方程组尽可能多地列出来。
如根据串联电路的总电压等于分电压之和得
根据
根据
得
除此之外，还可以列出多个方程组，请你尝试。
例7有台用电动机带动的水泵，每秒钟可将60kg的水抽到20m高处，它的机械效率为85%，现有三台电动机，额定功率分别为10kw、15kw和20kw，机械效率都为95%，应选用哪台电动机与水泵配套？
分析：
用电动机来带动机械工作，要根据被带动的机械的功率来选用合适的电动机，应使电动机的额定功率等于或稍大于被带动的机械的总功率。
若选用的电动机的功率太小，就无法使机械正常工作，电动机本身也会损坏；若选用的电动机功率太大，会造成浪费。
本题可先求出水泵的总功率，再求带动水泵的电动机所需的总功率，然后确定配套的电动机。
解：
水泵抽水时的总功率
配套的电动机的功率
应选用额定功率为15kw的电动机。
例8原来房间内电灯正常发光，当把台灯的插头插入插座时，房间内电灯随之全部熄灭，检查电路，发现台灯的开关是断开的，保险丝被熔断，出现这一现象的原因可能是（）
A．台灯的灯头处有短路B．插上台灯后，整个电路的功率太大
C．插座处原来有短路D．台灯插头处有短路
分析：
保险丝被熔断，原因有两个：
一是电路中发生短路；二是电路中用电器的总功率过大。
对选项A来说，若台灯的灯头处有短路，那只有当开关闭合时才会造成短路，而台灯的开关是断开的，不可能短路，所以是错的；因为原来房间内电灯正常发光，所以原来电路中不存在短路。
插座处原来有短路是错的，选项C可排除；因为台灯的开关是断开的，当插头插入插座时，台灯并没有连通电路，电路的总功率不会增加，所以选项B也是错的；可见发生这一现象的原因只能是台灯插头处有短路，所以应选D。
【思考与练习】
1．要改变直流电动机的转动方向，只要（）
A．改变电流大小B．并联一个合适的电阻
C．改变线圈中的电流方向或改变磁场方向D．同时改变线圈中的电流方向和磁场方向
2．白炽灯的亮度决定于它的（）
A．额定功率的大小B．实际功率的大小C．电灯两端电压的大小D．电灯中流过的电流大小
3．下列四盏灯正常发光时，通过的电流最大的是（）
A．36V40WB．24V25WC．110V100WD．220V60W
4．白炽灯的灯丝断了之后，如果将灯丝搭起来，就还能发光。
这时灯泡消耗的电功率与原来相比是（）A．增大B．不变C．减少D．以上都有可能
5．将一个标有“36V40W”的灯泡接入某电路时，测得通过的电流是1A，那么它的实际功率是（）
A．大于40WB．36W与40W之间C．等于36WD．小于36W
6．甲、乙两盏电灯并联在电路中，都正常发光，且甲灯比乙灯亮，则（）
A．甲灯的电阻比乙灯大B．加在甲灯两端的电压比乙灯大
C．通过甲灯的电流比乙灯大D．甲灯消耗的电能比乙灯多
7．小灯泡甲标有“6V6W”，小灯泡乙标有“8V8W”，现把它们并联起来接到6V的电源上，则（）
A．甲灯较亮B．乙灯较亮C．一样亮D．不一定是哪个灯亮
8．小灯泡的额定电压是6V，额定功率估计不超过4W，做测定该灯泡额定功率实验时，电压表、电流表的量程最好选用（）A．15V，3AB．15V，0.6AC．3V，0.6AD．3V，3A
9．如果加在某定植电阻两端的电压从6V升高到8V，通过该定植电阻的电流变化了100mA，则该电阻的电功率变化了（）A．1.4WB．1.8WC．2WD．3.2W
10．灯L1的电阻是灯L2的3倍，如将L1、L2并联，则L1和L2的电功率之比是（）
A．1∶3B．3∶1 C．1∶9D．9∶1
11．额定电压相同的两支电烙铁，它们额定功率之比是2∶3，则这两支电烙铁中，电热丝的电阻之比是（）A．2∶3B．3∶2C．4∶9D．9∶4
12．给你一个电压不变的电源和两根阻值一定的电热丝，用来加热一壶水，要使水温度升高最快，使用的方法是（）
A．只选用一根电阻大的电热丝B．只选用一根电阻小的电热丝
C．将两根电热丝串联起来使用D．将两根电热丝并联起来使用
13．一根电热管，把它接在220V电源上时，5min就可以把一壶水烧开，若把一根同
样的电热管和它串联起来，接入220V电源上，要把同样一壶水烧开需要的时间是（）
A．2.5minB．10minC．15minD．20min
14．若电网供电电压比正常电压降低10%，则相同时间内，电热器产生的热量比原来
减少了（）A．10%B．19%C．81%D．91%
15．在下面情况中，会造成事故的是（）
A．站在干燥木凳上的人，一只手不小心碰到了火线B．站在地上的人，两只手同时触到了零线
C．站在地上的人，用手柄上有绝缘套的钳子去剪火线D．站在地上的人触到了火线
16．安装家庭电路时，下列做法错误的是（）
A．将保险盒安装在闸刀开关后B．开关与灯串联
C．插座要安装在火线上D．各灯之间并联
17．电线着火了，下列紧急处理方法恰当的是（）
A．用手拽断电线B．用剪刀剪断电线
C.拉下开关切断电源D．用水扑救
18．右图为机的工作原理图，它是根据______________原理而工作的。
19．通电导体在中会受到力的作用，这个力
叫做力
20．直流电动机是根据原理
设计制造的；从能的转化观点来看，电动机是一种把
能转化为能的装置。
21．右图所示是电动机实验电路，闭合开关，电动机转动，现要使电动机转速加快，则应将滑动
变阻器的滑片向端移动。
（填A或B）
22．电流通过导体时，导体会的现象，叫做电流的热效应。
导体上产生的热与导体中的____，导体的以及有关。
23．蓄电池充电时是能转化为能的过程，放电时是能转化为能的过程。
24．电流做功过程是将能转化为能的过程，电流做多少功就是的量度。
25．做同样多的功，电功率大的用电器工作的时间，在相同的时间里，电功率大的用电器做的功。
26．用电器的额定电压是用电器时的电压，用电器的额定功率是用电器在工作时消耗的电功率。
当工作电压高于或低于额定值时，实际功率也将其额定功率。
27．一只电热水壶，在电压为220V的家庭电路上使用，通电10min，消耗电能0.1KWh，则这个电热水壶的电功率是W，通过电热水壶的电流是A，电热水壶中电热丝的电阻是Ω。
28．电能表用来测量在一段时间里电流，所用的单位是，俗称。
29．家庭电路中，相线和零线之间的电压是V。
对人体不造成危险的安全电压值是V。
30．请你设想一下，假如现在电磁感应现象突然消失了，将会造成什么后果？
31．为什么螺丝口灯座的螺旋套只准接在零线上？
32．给大功率用电器使用的插座，常在接火线处串联一个保险盒，如图所示。
为什么不把保险盒装在零线哪一边？
33．如果将两个定值电阻R1和R2以某种形式连接起来，两端与电源接通，则R1消耗的电功率为9W，如果将这两个电阻换成另外一种形式连接起来，两端仍与该电源接通，则R1消耗的电功率为16W，且通过R2的电流为4A。
求电源的电压和定值电阻R1、R2的阻值。
34．饮水机是一种常见的家用电器，其工作电路可简化为如图所示的电路，其中开关是由温度控制，当水温升高到一定温度时，它会自动切换，使饮水机处于保温状态；R0是饮水机加热管的电阻，R是与加热管串联的电阻。
下表是从其说明书中摘录下的一些技术数据（不考虑R0、R的阻值受温度变化的影响，表中的功率均指加热管的功率）。
额定电压
220V
频率
50Hz
加热功率
550W
保温功率
22W
（1）用你学过的自然知识推理、说明开关闭合时，饮水机是处于加热状态，还是处于保温状态？
请写出必要的推导过程
（2）求R的阻值。
【探索与实验】
课外实践1通电导线间的安培力
器材：
一根长1.5m左右的细铜导线（或漆包线，但两端的漆要去除干净）、一节干电池、胶带
方法:
先将铜导线对折,用胶带将铜导线对折处粘在桌子边沿,使两段铜导线间隔1cm左右平行地悬垂下来；然后再在离铜导线下端15cm左右的地方用胶带将铜导线粘住，使两段铜导线间隔保持1cm左右。
最后，将铜导线的一端按在干电池的负极，用胶带粘住，将铜导线的另一端快速地去碰触干电池的正极，观察原先平行的两段铜导线会有什么现象出现。
想一想：
通电时两段铜导线为什么会相互推斥？
若两段平行导线中通入的电流方向相同，两段铜导线又会出现什么现象？
为什么会出现这个现象？
课外实践2用电能表测算用电器的电功率
器材：
装在家中的电能表、家中现成的各种用电器、手表
方法：
在其他用电器没有工作时，将被测试的用电器通电（例如，打开电视机）。
然后，观察电能表，对转盘式的电能表，记下电能表转盘转过的圈数n和花的时间t（一般电能表上标有3000R/KWh，表示每转过3000圈，消耗电能1KWh）。
用电器电功率的计算公式：
对电子式的电能表，记下红色指示灯闪亮的次数n和花的时间t[一般电能表上标有3200（mp）/KWh，表示指示灯每闪亮3200次消耗电能1KWh]。
用电器电功率的计算公式：
课外实践3不同规格的灯泡串联时的发光情况
器材：
“PZ220—100”和“PZ220—15”灯泡各一个、插头一个、灯头二个、电线
方法：
先用电线将二个灯头串联起来，接到插头上，再将二个灯泡安装到灯头上，然后将插头插入电源插座上，看哪个灯泡比较亮。
（操作中一定要注意用电安全！
不要有导线裸露在外。
）
想一想：
在串联电路中，为什么额定功率大的灯泡反而暗？
课外实践4电熨斗在各档温度工作时电热丝的连接
可变温电熨斗内有两条规格相同的电热丝，通过转动调温开关，可改变电热丝的连接，使电熨斗分别在停档、低温档、中温档和高温档工作。
请你探索一下，电熨斗在各档温度工作时，它的两条电热丝是怎么连接的？
请画出连接的电路图。
若电熨斗调温开关的连接如图所示，请判断各连接图分别是哪一档工作状态？
【科学撷萃】
直线电机驱动的高速磁浮列车
世界上第一个商业化运营的高速磁浮交通系统是在我国上海建成。
磁浮列车没有轮子，运行时利用电磁力使列车悬浮在轨道上；也没有传动机构，它是利用长定子直线电机来驱动，最高运行速度达每小时４３０公里。
直线电机与一般电动机不同，一般的电动机工作时都是转动的，而直线电机作的是直线运动。
直线电机的原理可以从旋转电机引伸出来，它相当于把一般的电动机的定子和转子剖开了再展直。
磁浮列车的直线电机定子线圈就安装在轨道两侧的下面，跟轨道一样长，所以称为长定子直线电机。
当定子线圈通入交变电流时，就会产生一个运动磁场，在这个运动磁场的作用下，使磁浮列车受到电磁力而高速往前运行。
新一代能源动力系统——燃料电池（SmartFuelCell）
我们常用的电是由发电厂的发电机发出来的，一般的热电厂都是利用煤、石油或天然气做燃料，产生高温高压的水蒸气，推动蒸汽轮机，再带动发电机发电。
电池也是大家熟悉的一种常用
电源，是一种将化学能直接转化为电能的简单装置。
它不像发电厂有庞大的装置，需将燃料的化学能经过热能、机械能的转化，然后转化成电能。
但电池供电量有限当电池内的化学物质反应完了，电池就得废弃，不能长期地连续地供电。
而且，处理废弃的电池，也是当今环燃料电池原理图的装置
境保护的一个严重问题。
能不能去除发电厂的庞大的装置，去除多种能的转换，只用简单聚合物电解质燃料电池亦称为质子交换膜（PEM）燃料电池，将燃料的化学能通过燃烧，直接转变成电能，且能长期地连续地供电又不对环境造成污染？
人们利用水电解反应的逆过程，造出了这样的装置，这就是燃料电池。
燃料电池构造简单，它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质膜等这三个主要部分组成。
它的工作原理是这样的：
工作时向负极输入燃料（氢），向正极输入氧化剂（空气）。
在负极上，氢经过催化剂铂（Pt）的作用分解成带正电的氢离子和带负电的电子。
分解出
的带正电的氢离子能穿透正、负极中间的电解质膜，到达燃料电池正极的电解液中，而电子则不能通过电解质膜，只能留在负极。
这样，在正极上聚集了大量带正电的氢离子，在负极上聚集了大量带负电的电子。
当连通正、负极时，电子由负极移向正极，形成电流，从而提供电能。
电子到达正极后，与电解液中的氢离子和空气提供的氧结合，形成了水。
只要不断地向负极输入氢气或甲醇等燃料，并及时把正极上生成的水排出，就可以源源不断地向外部提供电能和热能。
在燃料电池的工作过程中，通过电化学反应，氢被氧化掉了，或称“燃烧掉了”，生成了水。
由此，它被称为“燃料电池”。
燃料电池具有以下显著的优点：
首先，因为在燃料电池中，燃料不是通过燃烧先变为热能，再经过几种能的转化才变成电能，而是将燃料经过燃烧直接发电，所以能量转换率高达
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