12.1　电路中的能量转化（导学案-解析版）

PAGE1第十二章电能能量守恒定律§12-1电路中的能量转化一、学习目标1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念，知道它们的区别与联系.2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别，理解两种电路的能量转化关系．二、学习过程【问题探究】现代生活中随处可见用电设备和用电器，例如电灯、电视、电热水壶、电动汽车等。那么电吹风工作时，将电能转化为什么能？电热水壶工作时，将电能转化为什么能？【答案】电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能．电热水壶工作时，将电能转化为内能．【知识点1】电功和电热的理解1．电功：(1)电流做功的实质是，导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功．电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的．(2)电功的计算公式：W＝UIt.单位：焦耳，符号为J.常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1kW·h＝3.6×106J.2．电功率：(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比．(2)公式：P＝eq\f(W,t)＝UI.单位：瓦特，符号为W.(3)意义：表示电流做功的快慢．例题1、一定值电阻两端加上某一稳定直流电压，某段时间内通过该电阻的电荷量为0.2C，消耗的电能为0.6J。若相同时间内通过该电阻的电荷量为0.4C，则该电阻两端所加的电压和消耗的电能分别是（）A．3V，1.2J B．3V，2.4J C．6V，1.2J D．6V，2.4J【答案】D【详解】因为电阻丝在通过0.2C的电量时，消耗的电能是0.6J，所以此时电压为U1=W1Q1=0.60.2V=3V当在相同的时间内通过电阻丝的电量是0.4C时，根据I=qt可知I=2I1根据U=例题2、下图中的几种家用电器工作时的电流最接近5A的是（）A． B． C． D．【答案】D【详解】用电器正常工作时的电压是220V，功率P=UI=220×5=1100WA．电风扇的功率约为100W，A不符合题意；B．笔记本电脑功率大约为80W，B不符合题意；C．白炽灯的功率约为60W，C不符合题意；D．电饭锅的功率约为1100W，D符合题意。【知识点2】焦耳定律1．焦耳定律(1)内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比．(2)表达式：Q＝I2Rt.2．热功率(1)定义：单位时间内的发热量称为热功率．(2)公式：P热＝I2R.例题3、一个电热器电阻为R，当通过它的电流为I时，通过时间t产生的热量为Q。若要使它产生的热量为4Q，下列方法正确的是（）A．电阻R不变，电流I变为原来的2倍，通电时间t不变B．电阻R减半，电流I变为原来的2倍，通电时间t不变C．电阻R不变，电流I不变，通电时间t变为原来的2倍D．电阻R变为原来的2倍，电流I不变，通电时间t不变【答案】A【详解】由题中已知数据及焦耳定律可知Q=I2RtA．电阻R不变，电流I变为原来的2倍，通电时间t不变，则产生的热量为QB．电阻R减半，电流I变为原来的2倍，通电时间t不变，则产生的热量为Q'=(2I)C．电阻R不变，电流I不变，通电时间t变为原来的2倍，则产生的热量为Q'=ID．电阻R变为原来的2倍，电流I不变，通电时间t不变，则产生的热量为Q'=例题4、把一个标有“10V，3W”小灯泡和定值电阻R串联后接在电压为12V的电源上（如图所示），小灯泡恰能正常工作，该电路工作10s定值电阻产生的热量是（）A．6J B．30J C．36J D．60J【答案】A【详解】灯泡正常工作时的电流为IL=PLUR=U−UL=2V【知识点3】电路中的能量转化1．纯电阻电路与非纯电阻电路(1)纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能。在纯电阻电路中，由于W＝Q，I＝eq\f(U,R)，所以有P＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R).(2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外，还转化为机械能或化学能等其他形式的能。2．电动机的功率和效率(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P电＝UI.(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2R.(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率P出＝P机．三者关系为：P电＝P热＋P机(4)电动机的效率：η＝eq\f(P机,P电)×100%＝eq\f(IU－I2R,IU)×100%＝eq\f(U－IR,U)×100%.3．串、并联电路的总功率(1)串联电路：P总＝U总I＝(U1＋U2＋U3＋…＋Un)I＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn(2)并联电路：P总＝UI总＝U(I1＋I2＋I3＋…＋In)＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn从能量转化的角度看，无论是串联电路还是并联电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电路消耗的总功率均等于电路中各部分消耗的功率之和．例题5、某段电路的电阻为R，电路两端的电压为U，通过的电流为I，通电时间为t。则在时间t内电流通过这段电路所做的功（）A．一定等于UItB．一定等于I2RtC．一定等于U2t/RD．以上说法都是等效的【答案】A【解析】电功W=UIt，电热Q=I2Rt适用于任何电路，纯电阻电路中跟踪训练：如图所示的电路中，输入电压U恒为8V，灯泡L标有“3V，6W”字样，若灯泡恰能正常发光，以下说法不正确的是（）A．电动机的输入功率是10W B．电动机的电阻为2.5ΩC．电动机的输出功率无法计算 D．整个电路消耗的电功率是16W【答案】B【详解】A．灯泡恰能正常发光，电路中电流为I=PU灯U电=U−U灯=8−3B．该电路为非纯电阻电路，欧姆定律不再适用，故虽然可以求出电动机两端电压和电路中电流，但不能求出电动机的电阻。故B错误，与题意相符；C．根据B项分析可知，电动机的输出功率不可求。故C正确，与题意不符；D．整个电路消耗的电功率为P总=UI=8×2W=16W例题6、额定电压都是110V，额定功率PA=100W，PB=40W的灯泡两盏，若接在电压为220V的电路上，两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是（）A．B．C．D．【答案】C【详解】由题知，两灯泡额定电压相等，A灯泡的额定功率较大，由P=U2R可知，A灯泡的电阻较小，即RA．图中灯泡A和B串联在220V的电源上，由串联电路的分压特点可知，两灯泡两端的电压均不等于110V，所以都不能正常工作，A错误；B．图中灯泡A和可变电阻R并联后又和灯泡B串联，由并联电路中电阻越并越小、小于任何一个分电阻可知，B灯泡的电阻一定大于并联部分的总电阻，由串联电路的分压特点可知，两灯泡两端的电压均不等于110V，所以都不能正常工作，B错误；CD．选项C中灯泡B和可变电阻R并联后又和灯泡A串联，由电阻的并联可知，可变电阻调节合适时可以使并联部分的电阻和灯泡A的电阻相等，即两灯泡可以同时正常发光；选项D中灯泡A和灯泡B并联后又与可变电阻R串联，当可变电阻的阻值和两灯泡并联的电阻相等时它们可以同时发光；由并联电路中干路电流等于各支路电流之和可知，选项C中电路的总电流为A灯泡的额定电流，选项D中电路的总电流等于A和B两灯泡的额定电流之和，由P=UI可知，选项C中电路消耗的功率最小。§12-1电路中的能量转化作业班级：学号：姓名：一、选择题1．下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中错误的是（）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．适用于任何电路，而只适用于纯电阻电路C．在非纯电阻电路中，D．焦耳热适用于任何电路【答案】A【详解】A．电功率越大，表示电流做功越快，但是电路中产生的焦耳热量的多少还与做功的时间的长短和是否是纯电阻电路有关，A错误；B．W=UIt适用于任何电路，而W=I2C．在非纯电阻电路中，总功率大于热功率，，C正确；D．焦耳热Q=I2本题选择错误的，故选A。2．如图为一种服务型机器人，其额定功率为，额定工作电压为。机器人的锂电池容量为，则机器人（）

A．额定工作电流为 B．充满电后最长工作时间为C．电池充满电后总电量为 D．以额定电流工作时每秒消耗能量为【答案】B【详解】A．根据P=UI可知，额定电流应该为故A错误；B．机器人的锂电池容量为20A•h，即当额定电流2A下工作时，能够工作最长时间为10h，故B正确；C．电源充满电后的总电量为=It=20×3600C=7.2×104C故C错误；D．在额定电流下，机器人功率48W，即每秒消耗48J电能，故D错误。故选B。3．通过电阻R的电流为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为R，电流为2I，则在时间内产生的热量为（）A．4Q B．2Q C． D．【答案】B【详解】依题意，有Q=I2Rt则，条件变化时，有Q故选B。4．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②③适用于任何电路的电功率的计算C．公式①②③适用于任何电路的电功率的计算D．以上均不正确【答案】A【详解】P=IU适用于任何电路计算电功率，P=I2R可用于计算纯电阻电路的热功率，P＝U2R适用于纯电阻电路的功率的计算，公式P＝Wt适用于任何电功率的计算，在纯电阻电路中，欧姆定律U=IR成立，三个公式可通用，都可以用来计算电路的电功率和热功率；对非纯电阻电路欧姆定律不成立，计算电功率只能用公式P=UI，计算热功率只能用P=I2R5．在如图所示的电路中，输入电压恒为，灯泡标有“，”字样，电动机线圈的电阻，若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是（）A．电动机的输入电压是B．流过电动机的电流是C．整个电路消耗的电功率是D．电动机的效率是【答案】D【详解】A．输入电压U恒为8V，灯泡两端电压3V，由串联电路分压规律可知，电动机的输入电压为5V，A错误；B．流过灯泡的电流为I=PLULC．整个电路消耗的电功率为P=UI=8×2W=16WC错误；D．电动机的电功率为P1=UMI=10W热功率为P2=故选D。6．把两完全相同的电阻丝串联后接在电压为U的电源上，它们在时间t内产生的热量为Q1；若把它们并联起来接在同一电源上，在相同的时间t内产生的热量为Q2，则（）A．Q1：Q2=1：4 B．Q1：Q2=4：1 C．Q1：Q2=1：2 D．Q1：Q2=2：1【答案】A【详解】设每根电阻丝的电阻为R，当两电阻并联时，总电阻为R并=R2当两电阻串联时，总电阻为R串故选A。7．在如图所示电路中，L１、L２为“220V，40W”，L３、L４为“220V，60W”，比较四个灯的亮度，有以下各种说法，其中正确的是（）A．L４最亮 B．L１最亮C．L１、L２一样亮 D．L３比L４亮【答案】B【详解】根据功率的公式R=U2P可知，L１、L２的电阻大于L３、L４。所以电压最大的是L１，其次是L４，最小是L２和L３，电流是L１L４最大，L３次之，L２最小。所以L１最亮，L４次之，L３再次之，L故选B。8．额定电压都是110V，额定功率PL1=60W，PL2=40W的电灯两盏，若接在电压是220V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，现有甲乙两电路。其滑动变阻器功率分别为（）A．40W，100W B．20W，100W C．60W，40W D．30W，100W【答案】B【详解】两灯的额定电流分别为IL1=PL1U=611A，IL2故选B。9．如图所示电路，，，，当消耗的电功率为P时，和消耗的电功率分别为（）A．， B．，3P C．，3P D．，【答案】A【详解】R2和R3的并联电阻为2Ω，与R1阻值相等，根据串联关系知并联部分与R1消耗的电功率相同为P，并联部分根据P=U2R知功率与R成反比，R2和R3消耗的电功率之比为2：1，故故选A。10．一台电动机，线圈的电阻为r，当它两端所加的电压为U时，通过的电流是I。当它工作时，下述说法中错误的是（）A．电动机的电流 B．电动机的效率可写作C．电动机的输出功率为IU-I2r D．电动机的发热功率为I2r【答案】B【详解】ABCD．电动机为非纯电阻电路，电动机的电功率等于机械功率与热功率之和，电功率为P=UI热功率为P热=I2r故电动机输出的机械功率P机=P−故选B。二、非选择题11．如图所示，小灯泡L标有“6V3W”的字样，不考虑灯丝电阻的变化，滑动变阻器的最大阻值R为24Ω，电源电压保持不变。当S闭合，S1、S2断开，滑片P滑到中点时，小灯泡恰好正常发光。保持滑片P的位置不变，闭合S、S1、S2，发现电流表的示数变化了1A．求:（1）电源电压；（2）当开关S、S1、S2都闭合时，电路消耗总功率的最小值。【答案】（1）12V；（2）12W【详解】（1）由P=UI可得，小灯泡正常工作时的电流:IL灯泡的电阻RL当S闭合，S1、S2断开，滑片P滑到中点时，L与12R串联，因此电源电压U=IR（2）保持滑片P的位置不变，开关S、S1、S2闭合时，R0与R并联，干