2.8　焦耳定律　电路中的能量转化 课时练习 高中物理新教科版必修第三册（2022-2023学年）

/index2.8焦耳定律电路中的能量转化[基础达标练]1．关于电功和电热的计算，下列说法正确的是()A．如果是纯电阻电路，电功可用公式W＝UIt计算，也可用公式W＝I2Rt计算B．如果是纯电阻电路，电热可用公式W＝I2Rt计算，但不能用公式W＝UIt计算C．如果不是纯电阻电路，电功只能用公式W＝I2Rt计算D．如果不是纯电阻电路，电热可用公式W＝I2Rt计算，也可用公式W＝UIt计算解析：纯电阻电路，电功和电热相等，电功可用公式W＝UIt计算，也可用公式W＝I2Rt计算，故A正确，B错误；非纯电阻电路，电功用公式W＝UIt计算，故C错误；非纯电阻电路，电热用公式W＝I2Rt计算，故D错误。答案：A2．一台电动机，额定电压是100V，电阻是2Ω。正常工作时，通过的电流为5A，则电动机因发热损失的功率为()A．500W B．200WC．50W D．450W解析：根据焦耳定律得到P热＝I2r＝(5A)2×2Ω＝50W，故C正确。答案：C3．如图所示电路中，电动机内阻为R1。当开关闭合，电动机正常工作时，滑动变阻器接入电路中的电阻为R2，电动机两端的电压为U，通过电动机的电流为I。电动机的输出功率等于()A．UI B．I2R1C．UI－I2R1 D．UI－I2(R1＋R2)解析：电动机消耗的总电功率为P总＝UI，其中一部分用于产生热功率P热＝I2R1，另一部分输出机械功率P，由P总＝P热＋P，解得P＝IU－I2R1，故C正确。答案：C4．把六个相同的小灯泡连成如图甲、乙所示的电路，调节变阻器使灯泡正常发光，甲、乙两电路所消耗的功率分别用P甲和P乙表示，则下列结论中正确的是()A．P甲＝P乙 B．P甲＝3P乙C．P乙＝3P甲 D．P乙>3P甲解析：设每个灯泡正常工作时的电流为I，则甲图中电路的总电流为3I，P甲＝U·3I＝3UI，乙图中电路的总电流为I，P乙＝U·I＝UI，故有P甲＝3P乙，B正确。答案：B5．图甲是某电源的路端电压与电流的关系图像，用该电源与“3V3W”的灯泡L、电动机M串联在图乙电路上，灯泡刚好正常发光，电动机刚好正常工作。下列说法中正确的是()A．通过电动机的电流为1.6AB．电源的内阻为1ΩC．电动机消耗的电功率为4.5WD．电源的效率是75%解析：已知灯泡是正常工作，故此时灯泡达到了额定功率和额定电压，由P＝UI可得，I＝eq\f(P,U)＝eq\f(3,3)A＝1A，故A错误；由电源的路端电压与电流的关系图像可得，斜率的绝对值表示的是内阻的大小，故r＝eq\f(2,4)Ω＝0.5Ω，故B错误；由电源的路端电压与电流的关系图像可得，纵截距表示的是电源电动势的大小，故E＝8.0V，则此时电源的总功率为：P＝EI＝8×1W＝8W，灯泡的功率为3W，则内阻消耗的功率为：P1＝I2r＝12×0.5W＝0.5W，则电动机消耗的功率为：P2＝8W－0.5W－3W＝4.5W，故C正确；电源的效率为：η＝eq\f(7.5,8)×100%＝93.75%，故D错误。答案：C6.近年来，机器人逐渐走入我们的生活。如图所示，某科技小组在研究机器人内部直流电动机的性能时，发现当电动机两端电压为U1、通过的电流为I1时，电动机没有转动。当电动机两端电压为U2、通过的电流为I2时，电动机正常转动。则这台电动机正常工作时的输出功率为()A．U1I1－eq\f(I\o\al(2,1)U2,I2) B．U2I2－eq\f(I\o\al(2,2)U1,I1)C．U2I2－U1I1 D．U2I2解析：电机没有转动，可以视为纯电阻，电阻r＝eq\f(U1,I1)，当电机正常工作时，输出功率P＝U2I2－Ieq\o\al(2,2)r＝U2I2－eq\f(I\o\al(2,2)U1,I1)，故B正确，A、C、D错误。答案：B7．额定电压为4.0V的直流电动机的线圈电阻为1.0Ω，正常工作时，电动机线圈每秒产生的热量为4.0J，下列计算结果正确的是()A．电动机正常工作时的电流为4.0AB．电动机正常工作时的输出功率为8.0WC．电动机每分钟将电能转化成的机械能为240.0JD．电动机正常工作时的输入功率为4.0W解析：电动机正常工作时的电流为I＝eq\r(\f(Q,rt))＝eq\r(\f(4,1×1))A＝2A，选项A错误；电动机正常工作时的输出功率为P出＝IU－P内＝2×4W－4W＝4W，选项B错误；电动机每分钟将电能转化成的机械能为E机＝P出t＝4×60J＝240J，选项C正确；电动机正常工作时的输入功率为P＝IU＝2×4W＝8W，选项D错误。答案：C8．规格为“220V36W”的排气扇，线圈电阻为40Ω，求：(1)接上220V的电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率。解析：(1)排气扇在220V的电压下正常工作时的电流为I＝eq\f(P,U)＝eq\f(36,220)A≈0.16A发热功率为P热＝I2R＝(0.16)2×40W≈1W转化为机械能的功率为P机＝P－P热＝(36－1)W＝35W。(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机成为纯电阻电路，电流做功全部转化为热能，此时电动机中电流为I′＝eq\f(U,R)＝eq\f(220,40)A＝5.5A电动机消耗的功率即电功率等于发热功率，则P电′＝P热′＝UI′＝220×5.5W＝1210W。答案：(1)35W1W(2)1210W1210W[能力提升练]9．(多选)如图所示为保温电饭锅的电路示意图，R1、R2为电热丝，S为温控开关，A、B两点连接在家庭电路上，R1∶R2＝9∶1，加热时的功率为1000W，则()A．S断开时，电饭锅处于加热状态B．S闭合时，电饭锅处于加热状态C．保温状态时电源的输出功率为100WD．保温状态时电源的输出功率为eq\f(1000,9)W解析：由电路图可知，当S闭合时，R1短路，电路中电阻最小，由P＝eq\f(U2,R)可知，此时电路为加热状态，故A错误，B正确；电阻R2的阻值为R2＝eq\f(U2,P热)＝eq\f(2202,1000)Ω＝48.4Ω，因为R1∶R2＝9∶1，所以R1＝9R2＝9×48.4Ω＝435.6Ω，当S断开时，R1、R2串联，电路电阻最大为R＝R1＋R2＝435.6Ω＋48.4Ω＝484Ω，保温状态时电路的功率为P＝eq\f(U2,R)＝eq\f(2202,484)＝100W，故C正确，D错误。答案：BC10.如图所示是某大功率的电吹风的电路图，它主要由电动机M和电热丝R构成。当闭合开关S1、S2后，电动机驱动风叶旋转，将空气从进风口吸入，经电热丝加热，形成热风后从出风口吹出。已知电吹风的额定电压为220V，吹冷风时的功率为190W，吹热风时的功率为1400W。关于该电吹风，下列说法正确的是()A．电热丝的电阻为55ΩB．电动机线圈的电阻无法计算C．当电吹风吹热风时，电热丝每秒钟消耗的电能为1400JD．当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为1400J解析：电动机和电热丝并联，当吹热风时，电热丝消耗的功率为P＝P热－P冷＝1400W－190W＝1210W，根据P＝eq\f(U2,R)，可得电热丝的电阻为R＝eq\f(U2,P)＝eq\f(2202,1210)Ω＝40Ω，故A错误；电动机为非纯电阻电路，所以不能计算其电阻，故B正确；当电吹风吹热风时，电热丝每秒钟消耗的电能为Q＝Pt＝1210×1J＝1210J，故C错误；当电吹风吹热风时，电动机M和电热丝R并联，电动机的功率为190W，所以每秒钟消耗的电能Q′＝P′t＝190×1J＝190J，故D错误。答案：B11．一台电风扇的额定功率是66W，电阻为2Ω，当它接在220V的电压下工作，问：(1)电风扇正常运转时，通过它的电流多大？电风扇的机械功率多大？(2)若电风扇因故不能转动，这时通过它的电流多大？电风扇实际消耗的电功率多大？解析：(1)电风扇正常运转时，不是纯电阻，由P＝UI代入数据解得电流：I＝0.3A电风扇内阻热功率：P热＝I2R电风扇机械功率：P机＝P－P热代入数据解得：P机＝65.82W。(2)当电风扇因故不能转动时，电风扇是纯电阻，由欧姆定律知：I′＝eq\f(U,R)代入数据解得：I′＝110A。电风扇实际消耗的功率：P＝eq\f(U2,R)代入数据解得：P＝24200W。答案：(1)0.3A65.82W(2)110A24200W[创新应用练]12.如图所示为国庆群众游行队伍中的国徽彩车，不仅气势磅礴而且还是一辆电动车，充一次电可以走100公里左右。假设这辆电动彩车总质量为6.75×103kg，它匀速通过天安门前500m的检阅区域用时250s，驱动电机的输入电流I＝10A，电压为300V，电动彩车行驶时所受阻力为车重的0.02倍。g取10m/s2，不计其他摩擦，驱动电机内只考虑其内阻发热损耗能量，求：(1)驱动电机的输入功率；(2)电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率；(3)驱动电机的内阻和机械效率。解析：(1)驱动电机的输入功率P入＝UI＝300×10W＝3000W。(2)电动彩车通过天安门前的速度v＝eq\f(x,t)＝2m/s电动彩车行驶时所受阻力为Ff＝0.02mg＝0.02×6.75×103×10N＝1.35×103N电动彩车匀速行驶时F＝Ff，故电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率P机＝Fv＝2700W。(3)设驱动电机的内阻为R，由能量守恒定律得P入t＝P机t＋I2Rt解得驱动电机的内阻R＝3Ω驱动电机的机械效率η＝eq\f(P机,P入)×100%＝90%。答案：(1)3000W(2)2700W(3)3Ω90%13．一电动机的线圈电阻r＝1Ω，工作电压为220V。现用该电动机竖直吊起一个20kg的重物，从静止开始匀加速上升100m，用时20s，不计摩擦，g取10m/s2。求：(1)吊绳的拉力大小；(2)20s时，电动机输出的机械功率；(3)20s时，电动机的工作电流和发热功率。(电动机在安全工作)解析：(1)根据x＝eq\f(1,2)at2得：a＝eq\f(2x,t2)＝eq\f(2×100,202)m/s2＝0.5m/s