【物理】2018届一轮复习人教版电路中的能量问题学案

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【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。‎
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