人教版（2019）高中物理必修三专题09 电路中的能量转化能源与可持续发展

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专题09 电路中的能量转化能源与可持续发展
一．选择题
1.(多选)(2020-2021学年·宣威市九中高二期中)通过电阻丝的电流是I＝100 mA，电阻丝的电阻是R＝100 Ω，通电时间是t＝10 s，则(　　)
A.电阻丝两端电压是10 V
B.通过其某一横截面的电子数是1.6×1018个
C.电流做的功是100 J
D.产生的热量是10 J
【答案】　AD
【解析】　由欧姆定律可知U＝IR＝100×10－3×100 V＝10 V，A正确；由I＝，则可得通电时间为10 s时，通过某一截面的电荷量为q＝It＝100×10－3×10 C＝1 C，一个电子的电荷量e＝1.6×10－19 C，则通电时间为10 s时，通过其某一横截面的电子数是n＝个＝6.25×1018个，B错误；因为电阻丝是纯电阻，所以电流做的功全部转化为内能，则有W＝I2Rt＝(100×10－3)2×100×10 J＝10 J，C错误，D正确。
2.(2020-2021学年·福建龙岩一中高二期末)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是(　　)
A.电流做功越快，电功率越大，电路中产生的焦耳热一定越多
B.在非纯电阻电路中，UI>I2R
C.电功W＝UIt只在纯电阻电路中适用
D.电热Q＝I2Rt只在纯电阻电路中适用
【答案】　B
【解析】　电流做功越快，电功率越大；但是电路中产生的焦耳热不一定多，一个是没有说明时间，另一个没有说明电路是不是纯电阻电路，故A错误；在非纯电阻电路中消耗的电能一方面转化为内能，一方面转化为其他形式的能，即有W电＝W其他＋Q
其中W电＝UIt，Q＝I2Rt
所以有W电>Q
即有UIt>I2Rt
所以UI>I2R，故B正确；
电功公式W＝UIt是对一切电路都适用，故C错误；电热公式Q＝I2Rt适用于一切电路，故D错误。
3.(2020-2021学年·北京顺义区一中高二月考)一台直流电动机，其线圈的电阻值为0.5 Ω。当电动机两端所加电压为8 V时，电动机正常工作，通过线圈的电流是2 A。由此可知(　　)
A.电动机消耗的电功率为72 W
B.电动机输出的机械功率为12 W
C.电动机线圈的发热功率为2 W
D.电动机的工作效率为50%
【答案】　C
【解析】　电动机消耗的电功率P＝UI＝16 W，故A错误；电动机线圈的发热功率P热＝I2R＝2 W，故C正确； 电动机输出的机械功率P出＝P－P热＝14 W，故B错误；电动机的工作效率η＝×100%＝87.5%，故D错误。
4.(2020-2021学年·山东济南中学高一期中)扫地机器人是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。若机器人电动机线圈电阻为r，当它正常工作时，电动机两端所加的电压为U，通过的电流为I，下列说法正确的是(　　)

A.I<
B.经过时间t，电动机消耗的电能W＝I2rt
C.经过时间t，电动机产生的热量Q＝UIt
D.经过时间t，电动机输出的机械功W＝UIt
【答案】　A
【解析】　经过时间t，电动机消耗的电能W＝UIt，故B错误；电动机产生的热量Q＝I2rt，故C错误； 电动机输出的机械功W出＝UIt－I2rt，故D错误；根据Q 5. (2020-2021学年·攀枝花市十五中高二月考)某电动机提升重物的装置如图所示，电源的电压为120 V，不计内阻。重物的质量m＝50 kg。当电机以v＝0.9 m/s的恒定速度向上提升重物时，电路中的电流强度I＝5 A，重力加速度g＝10 m/s2，则下列判断不正确的是(　　)

A.电动机消耗功率600 W
B.电动机的机械功率450 W
C.电动机线圈电阻为6 Ω
D.电动机线圈电阻为24 Ω
【答案】　D
【解析】　电动机消耗功率P＝UI＝600 W，选项A正确，不符合题意；电动机的机械功率P机＝mgv＝450 W，选项B正确，不符合题意；对电动机P－P机＝I2r，解得电动机线圈电阻为r＝6 Ω，选项C正确，不符合题意，选项D错误，符合题意。
6.(2020-2021学年·浙江咸祥中学高二期中)能源问题是当今社会重要的一个难题。关于节约能源已经深入到我们的家庭生活中。现有两盏节能灯A和B，其额定功率相同，额定电压A灯大于B灯，则(　　)
A.两灯正常发光时，IA > IB
B.两灯电阻RA < RB
C.将两灯串联后接入电路中，灯的功率PA > PB
D.将两灯并联后接入电路中，灯的功率PA′>PB′
【答案】　C
【解析】　由P＝UI，可得两灯功率相等，且UA>UB，所以电流IAUB，所以电阻RA>RB，故B错误；将两灯串联后接入电路中时，电路中电流相等，又因为电阻RA>RB，由P＝I2R，得两灯的功率关系PA > PB，故C正确；将两灯并联后接入电路中时，两灯的电压相等，又因为电阻RA > RB，由P＝，得两灯的功率关系PA′ 7.(2020-2021学年·涟水县一中高二月考)关于电功率的下列说法中，正确的是(　　)
A.用电器的额定功率与用电器的实际电压和实际电流有关
B.用电器的实际功率取决于用电器的额定功率
C.白炽灯正常工作时，实际功率等于额定功率
D.电功率越小，则电流做功越少
【答案】　C
【解析】　用电器在额定电压下的电功率叫额定功率；额定功率是由用电器本身决定的，与实际电压、电流都无关，故A错误；用电器的实际功率取决于用电器的实际电压和实际电流，故B错误；白炽灯正常工作时，实际功率等于额定功率，故C正确；电流做功的多少与用电器的电功率、用电器工作的时间都有关，用电器的电功率小做的功不一定少，还要看时间，故D错误。
8.(2020-2021学年·河北高阳中学高二期中)标有“6 V　6 W”和“6 V　3 W”的灯泡L1和L2串联接在某电源上，设灯丝电阻不变，则(　　)
A.通过灯L1、L2的电流之比为2∶1
B.灯L1、L2的实际功率之比为2∶1
C.电源电压为12 V时，灯L1、L2均正常发光
D.电源电压为9 V时，灯L2正常发光
【答案】　D
【解析】　两灯泡串联在某电源上时，通过两灯泡的电流相等，故A错误；根据：P＝，可得两灯泡的电阻分别为R1＝＝＝6 Ω，R2＝＝＝12 Ω，根据欧姆定律可知P1∶P2＝I2R1∶I2R2＝R1∶R2＝6 Ω∶12 Ω＝1∶2，所以B错误；电源电压为12 V时电路中电流I1＝＝＝ A，灯L1电压U1′＝I1R1＝ A×6 Ω＝4 VU2，灯会被烧毁，故C错误；电源电压为9 V时，电路中电流I1′＝＝＝0.5 A，灯L2电压U2″＝I2′R2＝0.5 A×12 Ω＝6 V，正常发光，故D正确。
9.(2020-2021学年·浙江温州中学高一期中)如图甲所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图乙所示。在充电开始后的一段时间t内，充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为r，则时间t内(　　)

A.充电宝输出的电功率为UI＋I2r
B.充电宝产生的热功率为I2r
C.手机电池产生的焦耳热为t
D.手机电池储存的化学能为UIt－I2rt
【答案】　D
【解析】　充电宝的输出电压U、输出电流I，所以充电宝输出的电功率为P＝UI，A错误；手机电池充电电流为I，所以手机电池产生的热功率为Pr＝I2r，而充电宝的热功率应为充电宝的总功率减去输出功率，根据题目信息无法求解，B、C错误；输出的电能一部分转化为手机的化学能，一部分转化为电池的热能，故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为W＝UIt－I2rt，D正确。
10.(多选)(2020-2021学年·盘锦市二中高二期末)如图所示电路中，输入电压U恒为12 V，灯泡L上标有“6 V　12 W”字样，电动机线圈的电阻RM＝0.5 Ω。若灯泡恰能正常发光，则下列说法正确的是(　　)

A.灯泡正常发光时的电阻为3 Ω
B.电动机的输入功率为10 W
C.电动机线圈电阻的发热功率为2 W
D.整个电路消耗的电功率为12 W
【答案】　AC
【解析】　灯泡正常发光时的电阻为RL＝＝ Ω＝3 Ω，故A正确；电动机两端的电压U1＝U－UL＝12 V－6 V＝6 V，整个电路中的电流I＝＝ A＝2 A，所以电动机的输入功率P＝U1I＝6×2 W＝12 W，故B错误；电动机的热功率P热＝I2RM＝4×0.5 W＝2 W，故C正确；整个电路消耗的功率P总＝UI＝12×2 W＝24 W，故D错误。
11.(多选)(2020-2021学年·广西高二期末)国庆期间小明去逛超市，遇促销打折买了一个电吹风，电吹风的使用说明书上给出了如表所示的参数及图示电路图。下列说法正确的是(　　)
电吹风铭牌参数
额定电压
220 V　50 Hz
额定功率
热风
1 000 W
冷风
250 W

A.该电吹风发热电阻R的阻值约为64.5 Ω
B.该电吹风电动机M的内阻为193.6 Ω
C.当开关S1断开、S2闭合时，电吹风吹冷风
D.当开关S1、S2均闭合时，电动机每秒钟消耗的电能为1 000 J
【答案】　AC
【解析】　由表格可知发热电阻的功率PR＝P－PM＝1 000 W－250 W＝750 W，所以该电吹风发热电阻R的阻值R＝＝ Ω≈64.5 Ω，故A正确；电动机正常工作过程为非纯电阻，不能使用公式R＝计算电动机内阻，故B错误；由图可知当开关S1断开、S2闭合时，发热电阻断路，电动机工作，故吹冷风，故C正确；当开关S1、S2均闭合时，电动机正常工作，功率仍然为250 W，故电动机每秒钟消耗的电能为W＝Pt＝250×1 J＝250 J，故D错误。
12.(2020-2021学年·湖州菱湖中学高一期中)电动机与小电珠串联接入电路，电动机正常工作时，小电珠的电阻为R1，两端电压为U1，流过的电流为I1；电动机的内电阻为R2，两端电压为U2，流过的电流为I2。则(　　)
A.I1 C.＝ D.U2＝R2I2
【答案】　B
【解析】　小灯珠与电动机串联，所以I1＝I2，故A错误；对小灯珠，由欧姆定律可得U1＝I1R1，故B正确；电动机不是纯电阻电路，则U2>I2R2，且U1＝I1R1，则<，故C、D错误。
13.(2020-2021学年·浙江台州一中高二期末)如图为某扫地机器人，已知其工作的额定电压为15 V，额定功率为30 W，充电额定电压为24 V，额定电流为0.5 A，电池容量为2 000 mAh，则下列说法中错误的是(　　)

A.电池容量是指电池储存电能的大小
B.机器人充满电后连续工作时间约为1 h
C.机器人正常工作时的电流为2 A
D.机器人充满电大约需要4 h
【答案】　A
【解析】　电池容量是指电池的存储电荷量(电流与时间的乘积)多少，单位是“Ah”，不是储存电能的大小，故A不正确，符合题意；机器人正常工作时的电流I＝＝2 A，机器人充满电后一次工作时间为t＝＝＝1 h，故B、C正确，不符合题意；电池容量2 000 mAh，充电电流为0.5 A，所以充电的时间t′＝＝4 h，故D正确，不符合题意。
14.(2020-2021学年·浙江长兴中学高一期中)浙江最大抽水蓄能电站2016年在缙云开建，抽水蓄能电站结构如图所示。抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站下列说法正确的是(　　)

A.抽水蓄能的过程中，能量守恒
B.放水发电的过程中，机械能守恒
C.抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D.抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
【答案】　A
【解析】　抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站，能够合理调节用电高峰期和低峰期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，D错误。
15.(2020-2021学年·山东济南一中学业考试)某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为(　　)
A.P＝ρSv B.P＝ρSv2
C.P＝ρSv3 D.P＝ρSv4
【答案】　C
【解析】　风能转变为电能，由能量守恒定律得mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝＝ρSv3，A、B、D错误，C正确。
16.(多选)(2020-2021学年·张家口市宣化一中高一月考)2011年3月中国能源研究会公布了2010年中国能源整体消费状况，报告显示，去年我国一次能源消费量为32.5亿吨标准煤，比去年增长5.9%，且单位能耗居高不下。专家预计，在中国当前的经济发展速度下，刚性需求不仅推动能源价格的大幅上涨，而且未来中国能源供应瓶颈将难以避免。在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散理解正确是(　　)
A.能量耗散说明能量在不断的减少
B.能量耗散遵循能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失
D.能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
【答案】　BD
【解析】　能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会不断减少，A错误；能量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化必须遵循能量守恒定律，B正确；能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，C错误；能量耗散是一个宏观过程，代表着能量向不可收集利用的方向转化，D正确。
17.(多选)(2020-2021学年·浙江杭州学军中学高一期末)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是(　　)
A.能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为
B.根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C.能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响
D.不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径
【答案】　ACD
【解析】　能源是有限的，比如常规能源，所以无节制地利用常规能源是一种盲目的短期行为，故A正确；能量都转化为不能利用或不易利用的能源，所以这样会减少可利用资源的数量，因此应该节约能源，故B错误；能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响，故C正确；不断开发新能源是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径，也是根本途径，故D正确。
18.(2020-2021学年·扬州市大桥中学高二期中)PM2.5主要来自化石燃料、生活物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用资源。关于能源和能量，下列说法正确的是(　　)
A.自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用
B.能量被使用后就消灭了，所以要节约资源
C.人类应多开发与利用太阳能、风能等新资源
D.能量耗散说明自然界的能量正在不断减少
【答案】　C
【解析】　煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但不能短期内从自然界得到补充，是不可再生能源，故A错误；能量被使用后转化为其他形式的能，能量并没有消失，故B错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生资源且为清洁能源，应该尽量开发，故C正确；能量虽然守恒，但有些能量使用以后不可能再被利用，所以要节约资源，但能量是不会减少，也不会被消灭掉的，只是形式发生转变，故D错误。
19.(2020-2021学年·杭州市余杭二中高一月考)市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况是(　　)

A.太阳能→电能→机械能
B.太阳能→机械能→电能
C.电能→太阳能→机械能
D.机械能→太阳能→电能
【答案】　A
【解析】　帽子上的太阳能电池板将太阳能转化为电能，供小电扇工作，小电扇工作时消耗电能，将电能转化为扇叶的机械能，故选A。
20.(多选)(2020-2021学年·江苏金陵中学高一期中)关于能量和能量耗散，下列说法中正确的是(　　)
A.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中客观过程的方向性
B.能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的
C.能量守恒，不可消失，所以没有必要节约能源
D.能量之间可以相互转化，故能源可以很方便的循环利用
【答案】　AB
【解析】　能量守恒定律是普遍规律，能量耗散过程中能量也是守恒的，从能量转化的角度反映出自然界中的客观过程具有方向性，故A正确；能量的转化和转移具有方向性，有些能量耗散到空中无法再次回收和利用，因此能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，故B正确；能量的转化和守恒定律即指能量在转化和转移中总量保持不变，但能量在转化中具有方向性，不能循环利用，所以我们需要节约能源，故C、D错误。
21.(2020-2021学年·山东莱州一中高二月考)关于能量和能源，下列说法中正确的是(　　)
A.化石能源是清洁能源，水能是可再生能源
B.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C.在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
D.能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减小，但能量品质降低了
【答案】　D
【解析】　化石能源不是清洁能源；水能是可再生能源，选项A错误；人类在不断地开发和利用新能源，但是能量是不可以被创造的，选项B错误；在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但是能源的品质降低，所以还需要节约能源，选项C错误。
22.(2020-2021学年·咸阳百灵学校高二月考)关于能量和能源，下列说法正确的是(　　)
A.由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少
C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
【答案】　B
【解析】　自然界的能量守恒，但能源需要节约，同时为了提高生活质量，故A不正确；在利用与节约能源的过程中，能量在数量上并没有减少，故B正确；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，比如一杯热水过段时间，热量跑走啦，水冷了。所以转化具有方向性，故C不正确；人类在不断地开发和利用新能源，但能量不能被创造，也不会消失，故D不正确。
23.(2020-2021学年·内蒙古高二学业考试)关于能源和能量，下列说法中正确的是(　　)
A.自然界的能量是守恒的，所以地球上能源永不枯竭
B.能源的利用过程中有能量耗散，这表明自然界的能量是不守恒的
C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了
【答案】　D
【解析】　自然界的能量虽然是守恒的，但是利用过程中有能量耗散，能源被利用后不能被重复使用，所以地球上能被利用的能源并不是永不枯竭的，故A错误； 能源的利用过程中有能量耗散，但是自然界的能量是守恒的，故B错误；能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，比如一杯热水过段时间，热量跑走啦，水冷了，所以转化具有方向性，故C错误； 在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，故D正确。
24.(2020-2021学年·江苏启东中学高一期中)全球受“新冠”疫情的影响，能源市场需求减少，国际原油价格一路走低。下列关于能量和能源说法正确的是 (　　)
A.由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少
C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
【答案】　B
【解析】　在自发状态下，能量传递具有方向性，A、C错误；根据能量守恒，在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，B正确；人类可以不断地开发和利用新能源，但是能量不可以被创造，D错误。
二．非选择题
25.(2020-2021学年·绍兴市高级中学高一月考)风能是一种很好的再生能源，而且对环境的污染较小，近年来我国在西北地区，建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出电功率为P，求此过程中：

(1)单位时间内每台风力发电机获得的风能表示式；
(2)风力发电机利用风能的效率表示式。
【答案】　(1)πr2ρv　(2)
【解析】　(1)由能量转化和守恒定律可知mv＝P总t①
而m＝πr2v0tρ②
把②代入①解得P总＝πr2ρv。
(2)η＝＝。
26.(2020-2021学年·杭州高级中学高一开学考)小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V　4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，求：

(1)通过电动机的电流；
(2)电动机的输出功率P出；
(3)电动机的效率。
【答案】　(1)0.6 A　(2)2.04 W　(3)85%
【解析】　(1)流经灯泡的电流IL＝＝ A＝1 A
流经电阻R的电流IR＝＝ A＝1.6 A
流经电动机的电流I＝IR－IL＝0.6 A。
(2)电动机消耗的总功率P′＝ULI＝4×0.6 W＝2.4 W
电动机的热功率P热＝I2r＝(0.6)2×1 W＝0.36 W
电动机的输出功率
P出＝P′－P热＝2.4 W－0.36 W＝2.04 W。
(3)电动机的效率η＝×100%＝×100%＝85%。