高中物理人教版选修31课时作业第二章 第5节焦耳定律 含答案.docx

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高中物理人教版选修31课时作业第二章第5节焦耳定律含答案

第5节　焦耳定律

1．电流做功实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功，电流做功的多少等于电能转化为其他形式能的数量．

2．电流做功的公式为W＝UIt，适用于任何电路．

电功率的公式为P＝UI，适用于任何电路．

3．电流通过导体时产生的热量（内能）跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比，这一规律叫焦耳定律，表达式为Q＝I2Rt，适用于任何电路．焦耳定律是电流热效应的实验定律，凡计算电热都要用该规律．

电热功率是描述电流做功产生电热的快慢程度的物理量，公式为P＝I2R，适用于任何电路．

4．只含有电阻的电路称为纯电阻电路，当有电流通过时，电能全部转化为内能，即电功等于电热，用公式表示为W＝Q＝I2Rt＝UIt.含有电动机等非纯电阻元件的电路称为非纯电阻电路，电路中的电能除一部分转化为内能外，其他部分转化为机械能、化学能等，此时电功大于电热，电功表达式W＝UIt，电热表达式为Q＝I2Rt.

5．两个绕线电阻分别标有“100Ω　10W”和“20Ω　40W”则它们允许通过的额定电流之比是（　　）

A.

/5B.

/20

C.

/10D．1/2000

答案　C

6．两个电阻分别标有“1A　4W”和“2A　1W”，则它们的电阻之比为（　　）

A．2∶1B．16∶1C．4∶1D．1∶16

答案　B

7．关于电功，下列说法中正确的有（　　）

A．电功的实质是电场力所做的功

B．电功是电能转化为其他形式能量的量度

C．电场力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大

D．电流通过电动机时的电功率和热功率相等

答案　AB

【概念规律练】

知识点一　电功、电功率的计算

1．关于四个公式①P＝UI；②P＝I2R；③P＝

；④P＝

，下列叙述正确的是（　　）

A．公式①④适用于任何电路的电功率的计算

B．公式②适用于任何电路的电热功率的计算

C．公式①②③适用于任何电路电功率的计算

D．以上均不正确

答案　AB

解析　P＝UI、P＝

适用于任何电路的电功率的计算，而P＝I2R、P＝

只适用于纯电阻电路的电功率的计算，故A正确，C错误．P＝I2R适用于任何电路的热功率的计算，P＝UI、P＝

只适用于纯电阻电路的热功率的计算，故B正确．

2．一个用半导体材料制成的电阻器D，其电流I随它两端的电压U变化的关系图象如图1（a）所示，将它与两个标准电阻R1、R2并联后接在电压恒为U的电源上，如图（b）所示，三个用电器消耗的电功率均为P.现将它们连接成如图（c）所示的电路，仍然接在该电源的两端，设电阻器D和电阻R1、R2消耗的电功率分别为PD、P1、P2，它们之间的大小关系为（　　）

图1

A．P1＝4P2　　　　　　B．PD＝P/9

C．P1<4P2D．PD>P2

答案　C

解析　从电阻器D的I—U图线可以得出，电阻器的阻值随所加电压的增大而减小，在题图（b）中，三个电阻消耗的功率相等，都为P＝

＝

＝

，说明三个电阻的阻值相等，即R1＝R2＝RD.连接成图（c）所示的电路时，电阻器D两端的电压小于U，电阻器D的阻值RD′>RD，这时电阻器RD两端的电压UD>

，电阻R1两端的电压U1<

，电阻R2两端的电压U2＝UD>

，由电功率计算式综合比较得出，A、B、D错误，C正确．

知识点二　焦耳定律

3．下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是（　　）

A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多

B．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝

t只适用于纯电阻电路

C．在非纯电阻电路中，UI>I2R

D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路

答案　BCD

解析　电功率公式P＝

，表示功率越大，电流做功越快．对于一段电路，有P＝IU，I＝

，焦耳热Q＝（

）2Rt，可见Q与P、U、t都有关．所以，P越大，Q不一定越大，A不对．

W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路．而I＝

只适用于纯电阻电路，B对．

在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W>Q，即UI>I2R，C对．

Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热，D正确．

4.如图2所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻RM＝0.6Ω，R＝10Ω，U＝160V，电压表的读数为110V．则：

图2

（1）通过电动机的电流是多少？

（2）输入到电动机的电功率是多少？

（3）电动机工作1h所产生的热量是多少？

答案　

（1）5A　

（2）550W　（3）5.4×104J

解析　

（1）电动机是非纯电阻，不能用公式

来求电路中的电流．R两端的电压为UR＝U－UM＝160V－110V＝50V，I＝

＝

A＝5A.

（2）P入＝UMI＝110×5W＝550W.

（3）Q＝I2RMt＝5.4×104J

【方法技巧练】

一、纯电阻电路中电功和电功率的计算方法

5.有四盏灯，接入如图3所示的电路中，L1和L2都标有“200V　100W”字样，L3和L4都标有“220V　40W”字样，把电路接通后，最暗的灯是哪一盏？

最亮的灯是哪一盏？

图3

答案　L3最喑，L4最亮

解析　由它们的额定电压、额定功率判断出R1＝R2R1>R23并，由串联电路的功率分配可得P4>P1>（P2＋P3），由并联电路的功率分配可得P2>P3，所以L3最暗，L4最亮．

方法总结　在比较两个灯泡的功率大小时，可先比较有相同量的两个灯泡，L1与L4电流相同，利用P＝I2R比较功率大小；L2与L4电压相同，利用P＝

比较功率大小；L1与L2电阻相同，利用P＝I2R比较功率大小．

6．额定电压都是110V，额定功率PA＝100W，PB＝40W的电灯两盏，若接在电压是220V的电路上，两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是下图中的哪一个（　　）

答案　C

解析　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．

由P＝

和已知条件可知RA

对于A电路，由于RA110V，B灯被烧毁，两灯不能正常发光．

对于B电路，由于RB>RA，A灯又并联变阻器，并联电阻更小于RB，所以UB>U并，A灯若正常发光，则B灯烧毁．

对于C电路，B灯与变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110V，两灯可以正常发光．

对于D电路，若变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110V，两灯可以正常发光．

比较C、D两个电路，由于C电路中变阻器功率为（IA－IB）×110，而D电路中变阻器功率为（IA＋IB）×110，所以C电路消耗电功率最小．

方法总结　解此类问题的思路分两步：

①先分清哪个电路的A、B灯能正常发光，这里可以从电压、电流、电功率三个量中任一个达到其额定值，其余两个也达到额定值方面分析．②确定了正常发光的电路后，再比较哪一个的实际功率小，可以用计算的方法去比较，也可以用定性分析法比较．

二、纯电阻电路与非纯电阻电路中能量转化问题的分析

7．一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内（　　）

A．电炉放热与电动机放热相等

B．电炉两端电压小于电动机两端电压

C．电炉两端电压等于电动机两端电压

D．电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率

答案　ABD

解析　电炉属于纯电阻用电器，电动机属于非纯电阻用电器．对于电炉有：

U＝IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝I2R.对于电动机有：

U>IR，放热Q＝I2Rt，消耗功率P＝UI>I2R.

8．有一个直流电动机，把它接入0.2V电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是0.4A；若把电动机接入2V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1.0A．则：

（1）电动机正常工作时的输出功率为多大？

（2）如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大？

答案　

（1）1.5W　

（2）8W

解析　

（1）接U＝0.2V电压，电机不转，电能全部转化成内能，故可视为纯电阻电路．电流I＝0.4A，

根据欧姆定律，线圈电阻R＝

＝

Ω＝0.5Ω.

当接U′＝2.0V电压时，电流I′＝1.0A，

故输入电功率P电＝U′I′＝2.0×1.0W＝2.0W，

热功率P热＝I′2R＝12×0.5W＝0.5W.

故输出功率即机械功率

P机＝P电－P热＝（2.0－0.5）W＝1.5W.

（2）如果正常工作时，转子被卡住，则电能全部转化成内能，故其发热功率P热′＝

＝

W＝8W.

方法总结　

（1）电动机是非纯电阻用电器，要注意区分电功率和热功率，电功率用P总＝UI计算，热功率P热＝I2R，机械功率P机＝P总－P热．

（2）注意搞清楚电动机电路中的能量转化关系，用能量守恒定律来分析问题．

1．不考虑温度对电阻的影响，对一个“220V　40W”的灯泡，下列说法正确的是（　　）

A．接在110V的电路中时的功率为20W

B．接在110V的电路中时的功率为10W

C．接在440V的电路中时的功率为160W

D．接在220V的电路中时的功率为40W

答案　BD

解析　由P额＝

得，灯泡的电阻R＝

Ω＝1210Ω，当电压为110V时，P＝

＝

W＝10W；电压为440V时，超过灯泡的额定电压一倍，故灯泡烧坏，P＝0.

2．通过电阻R的电流为I时，在时间t内产生的热量为Q；若电阻为2R，电流为I/2时，则在时间t内产生的热量为（　　）

A．4QB．2QC．Q/2D．Q/4

答案　C

解析　由电热公式Q＝I2Rt可得Q′＝（

I）22Rt＝

I2Rt＝

Q.

3．关于电功和电热，下面说法正确的是（　　）

A任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt且W＝Q

B．任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt但W有时不等于Q

C．电功W＝UIt在任何电路中都适用，Q＝I2Rt只在纯电阻电路中适用

D．电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，只适用于纯电阻电路

答案　B

4．一台额定电压为U的电动机，它的电阻为R，正常工作时通过的电流为I，则（　　）

A．电动机t秒内产生的热量是Q＝UIt

B．电动机t秒内产生的热量是Q＝I2Rt

C．电动机的功率为P＝I2R

D．电动机的功率为P＝U2/R

答案　B

解析　电动机工作时，是非纯电阻电路，输入的总电能为UIt，它转化为两部分：

一是电动机内阻上产生的热能Q＝I2Rt，二是电动机对外输出的机械能E＝UIt－I2Rt.

5．两盏额定功率相同的灯泡A和B，其额定电压UA>UB，则下列说法正确的是（　　）

A．两灯正常发光时，灯泡的电流强度IA>IB

B．两灯电阻RA

C．将两灯串联后接入电路中发光时，则灯泡的功率PA

D．将两灯并联后接入电路中发光时，则灯泡的功率PA′

答案　D

解析　由P＝U2/R可知RA>RB，由P＝UI可知额定电流IA

两灯串联后，由串联电路的功率分配关系可知P∝R，所以PA>PB；

两灯并联后，由并联电路的功率分配关系可知P∝1/R，所以PA′

6.如图4所示，三个电阻R1、R2、R3的阻值相同，允许消耗的最大功率分别为10W、10W、4W，此电路中允许消耗的最大功率为（　　）

图4

A．24WB．16W

C．12WD．15W

答案　D

7．下面是某电热水壶的铭牌，由此可知该电热水壶正常加热1min产生的热量为（　　）

电热水壶

型号

SP—356A

额定电压

220V

额定功率

1800W

额定频率

50Hz

额定容量

1.5L

A.1.80×103JB．1.10×104J

C．1.32×104JD．1.08×105J

答案　D

解析　由铭牌可知，电热水壶的功率为1800W，所以正常加热1分钟产生的热量为Q＝Pt＝1800×60J＝1.08×105J.

8.有A、B两个电阻，它们的伏安特性曲线如图5所示，从图线可以判断（　　）

图5

A．电阻A的阻值大于电阻B

B．电阻A的阻值小于电阻B

C．电压相同时，流过电阻A的电流强度较大

D．两电阻串联时，电阻A消耗的功率较小

答案　BCD

9．理发用的电吹风机中有电动机和电热丝，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，直到热风将头发吹干．设电动机线圈电阻为R1，它与电热丝的电阻R2串联后接到直流电源上，电吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的电功率为P，则有（　　）

①P＝IU　②P＝I2（R1＋R2）　③P>IU　④P＞I2（R1＋R2）

A．①②B．①④C．②③D．③④

答案　B

10.如图6所示，电源电压恒为U＝14V，小灯泡L标有“4V　8W”，电动机的线圈电阻rM＝1.0Ω，当变阻器调到2Ω时，小灯泡与电动机均正常工作，求电动机的机械效率．

图6

答案　66.7%

解析　小灯泡正常工作I＝

＝2A

电动机的输入功率P入＝I（U－U1－IR）＝12W

线圈电阻消耗的功率P内＝I2rM＝4W

所以电动机的机械效率

η＝

＝

＝66.7%.

11．一直流电动机线圈内阻一定，用手握住转动轴使其不能转动，在线圈两端加电压为0.3V时，电流为0.3A．松开转动轴，在线圈两端加电压为2V时，电流为0.8A，电动机正常工作．则：

该电动机正常工作时，输入的电功率是多少？

电动机的机械功率是多少？

答案　1.6W　0.96W

解析　电动机不转动时，其消耗的电功全部转化为内能，故可视为纯电阻电路，由欧姆定律得电动机线圈内阻：

r＝

＝

Ω＝1Ω.

电动机转动时，消耗的电能转化为内能和机械能，其输入的电功率为

P入＝I1U1＝0.8×2W＝1.6W，

电动机的机械功率为

P机＝P入－I

r＝1.6W－0.82×1W＝0.96W.