【物理】2018届一轮复习人教版电路中的能量问题学案

【物理】2018届一轮复习人教版电路中的能量问题学案

第44课时　电路中的能量问题(重点突破课)‎ ‎[必备知识]‎ ‎1．电功、电功率、焦耳定律和热功率 内容 表达式 电功 电路中电场力移动电荷做的功 W＝qU＝UIt 电功率 单位时间内电流做的功，表示电流做功的快慢 P＝＝UI 焦耳 定律 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 Q＝I2Rt 热功率 单位时间内的发热量 P＝＝I2R ‎2．电源的功率和效率 内部功率 P内＝I2r＝IU内 输出功率 任意 电路 P出＝UI＝EI－I2r＝P总－P内 纯电阻 电路 P出＝I2R＝＝ 总功率 任意 电路 P总＝IE＝IU＋IU内＝P内＋P出 纯电阻 电路 P总＝I2(R＋r)＝ 效率 任意 电路 η＝×100%＝×100%‎ 纯电阻 电路 η＝×100%＝×100%‎ ‎　　3.在纯电阻电路中，外电阻R增大时，电源的总功率减小，但电源的效率η增大，而输出功率可能增大，可能减小，还可能不变。‎ ‎[小题热身]‎ ‎1．在正常照射下，太阳能电池的光电转换效率可达23%。单片晶硅太阳能电池可产生0.6 V的电动势，可获得‎0.1 A的电流，则每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量是(　　)‎ A．0.24 J　　　　　　　　 　B．0.25 J C．0.26 J D．0.28 J 解析：选C　根据W＝UIt可得每秒太阳能电池产生的能量为W＝0.1×0.6×1 J＝0.06 J，设太阳能每秒照射的能量为Q，则由能量守恒定律得Q×23%＝W，所以Q≈0.26 J。‎ ‎2．额定电压、额定功率均相同的电风扇、电烙铁和日光灯，各自在额定电压下正常工作了相同的时间。比较它们产生的热量，结果是(　　)‎ A．电风扇最多 B．电烙铁最多 C．日光灯最多 D．一样多 解析：选B　在三种用电器中，只有电烙铁能将电能全部转化为内能，电风扇部分电能转化为机械能，日光灯部分电能转化为光能，故B选项正确。‎ ‎3．两个电池1和2的电动势E1>E2，它们分别向同一电阻R供电，电阻R消耗的电功率相同。比较供电时电池1和2内部消耗的电功率P1和P2及电池的效率η1和η2的大小，则有(　　)‎ A．P1>P2，η1>η2 B．P1>P2，η1<η2‎ C．P1η2 D．P1E2，则r1>r2，所以P1>P2，而η＝＝，所以η与E成反比，故η1<η2，故选B。‎ 提能点(一)　纯电阻电路与非纯电阻电路的比较 用电器纯电阻W＝QW＝UIt＝I2Rt＝tP＝UI＝I2R＝如电阻、电炉子、白炽灯等非纯电阻W>QW＝UIt＝I2Rt＋W其他P＝UI＝I2R＋P其他如电风扇、电动机、电解槽等 ‎[典例]　如图所示是某款理发用的电吹风的电路图，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220 V，吹冷风时的功率为120 W，吹热风时的功率为1 000 W。关于该电吹风，下列说法正确的是(　　)‎ A．电热丝的电阻为55 Ω B．电动机的电阻为 Ω C．当电吹风吹冷风时，电热丝每秒钟消耗的电能为120 J D．当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为1 120 J ‎[解析]　当吹热风时，电热丝消耗的电功率为P＝1 000 W－120 W＝880 W，电热丝消耗的电能全部转化为内能，所以根据公式P＝可得电热丝的电阻为R＝＝ Ω＝55 Ω，A正确。由于电动机是非纯电阻，所以电流所做的功没有全部转化为电热，所以电功率不等于发热功率，由于不知道电动机的发热功率，所以不能求出电动机的电阻，B错误。当电吹风吹冷风时，S1断开，S2接通，所以电热丝不工作，不消耗电能，C错误。当电吹风吹热风时，电动机的功率是120 W，所以电动机每秒钟消耗的电能为120 J，D错误。‎ ‎[答案]　A ‎(1)在非纯电阻电路中，欧姆定律不再适用，不能用欧姆定律求电流，应用P＝UI求电流。‎ ‎(2)在非纯电阻电路中，电功大于电热，即W>Q，这时电功只能用W＝UIt计算，电热只能用Q＝I2Rt计算，两式不能通用。‎ ‎(3)由能量守恒定律得W＝Q＋E，E为其他形式的能。对电动机来说，输入的功率P入＝IU，发热的功率P热＝I2r，输出的功率即机械功率P机＝P入－P热＝UI－I2r。‎ ‎[集训冲关]‎ ‎1．有一内阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V　60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端，灯泡正常发光，则(　　)‎ A．电解槽消耗的电功率为120 W B．电解槽消耗的电功率为60 W C．电解槽的发热功率为60 W D．电路消耗的总功率为60 W 解析：选B　灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且流过电解槽的电流I＝I灯＝ A＝ A，则电解槽消耗的电功率P＝IU＝P灯＝60 W，A选项错误，B选项正确；电解槽的发热功率P热＝I2r≈1.3 W，C选项错误；电路消耗的总功率P总＝IU总＝×220 W＝120 W，D选项错误。‎ ‎2．(2017·滕州期末)额定电压为4.0 V的直流电动机的线圈电阻为1.0‎ ‎ Ω，正常工作时，电动机线圈每秒产生的热量为4.0 J ，下列计算结果正确的是(　　)‎ A．电动机正常工作时的电流强度为‎4.0 A B．电动机正常工作时的输出功率为8.0 W C．电动机每分钟将电能转化成机械能为240.0 J D．电动机正常工作时的输入功率为4.0 W 解析：选C　电动机正常工作时的电流强度为I＝＝ A＝‎2 A，选项A错误；电动机正常工作时的输出功率为P出＝IU－P内＝2×4 W－4 W＝4 W，选项B错误；电动机每分钟将电能转化成机械能为E机＝P出t＝4×60 J＝240 J，选项C正确；电动机正常工作时的输入功率为P＝UI＝2×4 W＝8 W，选项D错误。‎ 提能点(二)　闭合电路的功率和能量问题 纯电阻电路中电源的输出功率P出与外电阻R的关系 ‎(1)表达式：P出＝I2R＝＝ ‎ (2)关系图像：‎ ‎①由图像可知，随着外电阻的增大，输出功率先增大后减小。‎ ‎②当R＝r时，输出功率最大，为Pm＝。‎ ‎③P出r，故改变滑动变阻器的阻值时无法使电路中外电阻等于电源内阻，此时外电阻越接近电源内阻，电源的输出功率越大，故选项B正确；P0＝U2I＝0.5 W，选项C正确；电源的效率η＝，电流越小，电源的效率越大，可见滑动变阻器的滑动触头P滑到最右端时电源的效率最大，选项D错误。‎ 一、单项选择题 ‎1.在研究微型电动机的性能时，应用如图所示的实验电路。调节滑动变阻器R并控制电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为‎0.50 A和2.0 V。重新调节R并使电动机恢复正常运转，此时电流表和电压表的示数分别为‎2.0 A和24.0 V。则这台电动机正常运转时输出功率为(　　)‎ A．32 W　　　　　　　　　　 　B．44 W C．47 W D．48 W 解析：选A　电动机停止转动时，可将电路看成纯电阻电路，则电动机电阻R＝＝ Ω＝4 Ω；当电动机正常运转时，电动机的输入功率P＝I2U2＝2.0×24 W＝48 W，电动机电阻消耗功率PR＝I22R＝4×4 W＝16 W，电动机的输出功率P出＝P－PR＝32 W，A正确。‎ ‎2．如图所示，电源电动势E＝12 V，内阻r＝3 Ω，R0＝1 Ω，直流电动机内阻R0′＝1 Ω。当调节滑动变阻器R1时可使图甲中电路的输出功率最大；调节R2时可使图乙中电路的输出功率最大，且此时电动机刚好正常工作(额定输出功率为P0＝2 W)，则R1和R2连入电路中的阻值分别为(　　)‎ A．2 Ω、2 Ω B．2 Ω、1.5 Ω C．1.5 Ω、1.5 Ω D．1.5 Ω、2 Ω 解析：选B　因为题图甲电路是纯电阻电路，当外电阻与电源内阻相等时，电源的输出功率最大，所以R1接入电路中的阻值为2 Ω；而题图乙电路是含电动机的电路，欧姆定律不适用，电路的输出功率P＝IU＝I(E－Ir)，所以当I＝＝‎2 A时，输出功率P有最大值，此时电动机的输出功率为2 W，发热功率为4 W，所以电动机的输入功率为6 W，电动机两端的电压为3 V，电阻R2两端的电压为3 V，所以R2接入电路中的阻值为1.5 Ω，B正确。‎ ‎3．(2017·湖北七市联考)有一个电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源。下列电阻与其连接后，使电阻的功率大于2 W，且使该电源的效率大于50% 的是(　　)‎ A．0.5 Ω B．1 Ω C．1.5 Ω D．2 Ω 解析：选C　由闭合电路欧姆定律得I＝，电源效率η＝×100%>50%，P＝I2R>2 W。即2R>2 W，得 Ωr＝1 Ω，故C正确。‎ ‎4.如图所示，电源电动势为12 V，电源内阻为1.0 Ω，电路中的电阻R0为1.5 Ω，小型直流电动机M的内阻为0.5 Ω，闭合开关S后，电动机转动，电流表的示数为‎2.0 A。则以下判断中正确的是(　　)‎ A．电动机的输出功率为14 W B．电动机两端的电压为7.0 V C．电动机产生的热功率为4.0 W D．电源输出的功率为24 W 解析：选B　电动机两端的电压UM＝E－I(r＋R0)＝7.0 V，B正确；电动机输出的功率P出＝UMI－I2rM＝12 W，A错误；电动机产生的热功率P热＝I2rM＝2.0 W，C错误；电源输出的功率P＝EI－I2r＝20 W，D错误。‎ ‎5．电源的效率η定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率之比。在测电源电动势和内电阻的实验中得到的实验图线如图所示，图中U为路端电压，I为干路电流，a、b为图线上的两点，相应状态下电源的效率分别为ηa、ηb。由图可知ηa、ηb的值分别为(　　)‎ A.、 B.、 C.、 D.、 解析：选D　电源的效率η＝×100%＝×100%。a点对应的路端电压U为4个格，而电动势E为6个格。因此ηa＝；b点对应的路端电压为2个格，因此ηb＝。故D正确。‎ 二、多项选择题 ‎6.如图所示，已知R1＝R4＝r＝0.5 Ω，R2＝6 Ω，R3的最大阻值为6 Ω。在滑动变阻器R3的滑片K由最下端向最上端滑动过程中，下列说法正确的是(　　)‎ A．定值电阻R4的功率、电源的总功率均减小 B．电源的输出功率增大 C．滑动变阻器R3的功率先增大后减小 D．MN并联部分的功率先增大后减小 解析：选ACD　由于外电阻R＝R1＋R4＋，当滑动变阻器R3的滑片K由最下端向最上端滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻从零开始增加，外电阻R从1 Ω增大到4 Ω，总电流减小，电源的总功率P＝IE减小，P4＝I2R4减小，A项正确；电源的输出功率P出＝I2R＝2R＝，R＝r＝1 Ω时电源的输出功率最大，所以滑片移动过程中电源的输出功率减小，B项错误；将R1、R4与内阻r等效为电源的内阻r′＝R1＋R4＋r＝2 Ω，MN并联部分即等效外电阻R′＝，当滑动变阻器R3的滑片K由最下端向最上端滑动时，等效外电阻R′从0增大到3 Ω，可见，MN并联部分的功率先增大后减小，D项正确；将R1、R2、R4与内阻r等效为电源的内阻r″，等效内阻r″＝＝1.5 Ω，滑动变阻器R3即等效外电阻，当滑动变阻器R3的滑片K由最下端向最上端滑动时，R3从0增大到6 Ω，滑动变阻器R3的功率先增大后减小，C项正确。‎ ‎7.(2016·江苏淮海中学月考)在如图所示电路中，电源的电动势E＝3‎ ‎ V，内电阻r＝0.5 Ω，电阻R1＝2 Ω，闭合开关S，当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动时，四个理想电表的示数都发生变化，电表的示数分别用I、U1、U2和U3表示，则下列叙述中正确的是(　　)‎ A．I变小，U1变小 B．U2变小，U3变大 C．电阻R1的电功率减小 D．电源的输出功率减小 解析：选ACD　当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动时，R2变大，外电路总电阻变大，由欧姆定律，I变小，U1＝IR1变小，故A正确；I变小，则U3＝E－Ir，U3变大，则U3＝U1＋U2，U1变小，则U2变大，故B错误；根据P＝可知，U1变小，功率变小，故C正确；内电阻r＝0.5 Ω，电阻R1＝2 Ω，则外电路总电阻大于电源的内阻，则当变阻器R的滑片P向下移动时，外电路总电阻增大，电源的输出功率减小，故D正确。‎ ‎8.如图所示，曲线C1、C2分别是纯电阻直流电路中，内、外电路消耗的电功率随电流变化的图线。由该图可知下列说法中正确的是(　　)‎ A．电源的电动势为8 V B．电源的内电阻为1 Ω C．电源输出功率最大值为8 W D．电源被短路时，电源消耗的最大功率可达16 W 解析：选BD　由图线的交点知PR＝I2R，Pr＝I2r，得R＝r＝1 Ω，E＝I(R＋r)＝4 V，电源被短路时，电源消耗的功率最大，Pr′＝＝16 W，电源输出的最大功率为Pm＝＝4 W。‎