第10讲 电路中的能量转化-【暑假自学课】2022年新高二物理暑假精品课（人教版2019）

第10讲 电路中的能量转化

【基础知识】

一、电功和电功率

1.电功:

(1)实质:导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。

(2)公式:W=UIt。

(3)国际单位:焦,符号为J。

(4)意义:电功是电能转化为其他形式的能的量度,即电功是多少就有多少电能转化为其他形式的能。

2.电功率:

(1)含义:单位时间内电流所做的功。

(2)公式:P==UI。

(3)单位:瓦,符号:W。

(4)物理意义:表示电流做功的快慢。

(5)决定用电器电功率大小的因素有③④。

①电功;②通电时间;③电压;④电流;⑤电阻。

二、焦耳定律和热功率

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)表达式:P=I2R。

(3)物理意义:表示电流发热快慢的物理量。

(4)计算电路中某电阻(满足欧姆定律)的热功率时,可以用到的公式是①②③④⑤。

①P=UI;②P=I2R;③P=;④P=;⑤P=。

三、纯电阻电路和非纯电阻电路

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。

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。

3.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较:

4.说明:

(1)W=UIt、P电=UI适用于任何电路计算电功和电功率。

(2)Q=I2Rt、P热=I2R适用于任意电路计算电热和热功率。

(3)只有纯电阻电路满足W=Q,P电=P热;非纯电阻电路W>Q,P电>P热。

【考点剖析】

考点一：电功和电功率

【例1】有两个灯泡、，额定电压皆为3V，额定功率分别为6W、3W，采用不同的接法，下列说法正确的是（　　）

A．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5W

B．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6W

C．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为3W

D．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6W

【答案】A

【详解】由可得两灯泡的额定电流分别为，两个灯泡的电阻分别为，

AB．若将它们串联接在电路中，则电路中的最大电流为，两灯泡的总功率最大为故A正确，B错误；

CD．若将它们并联接在电路中，并联电路的电压是3V时都达到额定功率，两灯泡的总功率最大为

故CD错误。故选A。

考点二：焦耳定律和热功率

【例2】两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B串联在电路中，A的长度为L，直径为d；B的长度为2L，直径为2d，那么通电后在相同的时间内产生的热量之比为（　　）

A．QA∶QB＝1∶1 B．QA∶QB ＝2∶1

C．QA∶QB ＝1∶2 D．QA∶QB ＝4∶1

【答案】B

【详解】由电阻定律可得电阻丝A的电阻电阻丝B的电阻所以由焦耳定律可得代入数值可得QA∶QB＝2∶1故选B。

考点三：非纯电阻的电功率和热功率

【例3】图是利用电动机提升重物的示意图，其中D是直流电动机。P是一个质量为m的重物，它被细绳拴在电动机的轴上。闭合开关S，重物P以速度v匀速上升，这时电流表和电压表的示数分别是5.0 A和100 V，重物P上升的速度为0.70 m/s。重物的质量为50 kg，g取10 m/s2。下列说法不正确的是（　　）

A．电动机消耗的电功率为500W

B．绳对重物做功的机械功率350W

C．电动机线圈的电阻20Ω

D．电动机的效率为70%

【答案】C

【详解】A．根据电功率关系式有故电动机消耗的功率为500W，故A正确，不符合题意；

B．以物体为研究对象，由于物体匀速上升，根据平衡条件有根据得故细绳对对重物做功的机械功率为350W，故B正确，不符合题意；

C．根据功能关系有；联立解得故C错误，符合题意；

D．电动机效率故D正确，不符合题意；故选C。

【过关检测】

1．如图1所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图2所示。在充电开始后的一段时间内，充电宝的输出电压、输出电流可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为，则时间内（　　）

A．充电宝输出的电功率为 B．充电宝产生的热功率为

C．手机电池产生的焦耳热为 D．手机电池储存的化学能为

【答案】D

【详解】

A．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UI，故A错误；

B．充电宝内的电流也是I，但其内阻未知，所以无法判断充电宝产生的热功率，故B错误；

C．U是充电宝的输出电压，不是手机电池的内电压，所以不能用，计算手机电池产生的焦耳热，手机电池产生的焦耳热应为，故C错误；

D．充电宝输出的电能一部分转化为手机电池储存的化学能，一部分转化为手机电池产生的焦耳热，故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为：，故D正确。故选D。

2．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，由可知，A灯泡的电阻较小，即

A．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，由可知，选项C中电路消耗的功率最小。故选C。

3．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．适用于任何电路，而只适用于纯电阻电路，B正确；

C．在非纯电阻电路中，总功率大于热功率，，C正确；

D．焦耳热适用于任何电路，D正确；本题选择错误的，故选A。

4．为了生活方便，电热水壶已进入千家万户，如果将一电热水壶接在220 V的电源两端，经时间t0电热水壶的开关自动切断，假设热量的损失不计、加热丝的阻值不受温度的影响．则(　　)

A．如果将电热水壶接在110 V的电源两端，需经2t0的时间电热水壶的开关自动切断

B．如果将电热水壶接在110 V的电源两端，需经16t0的时间电热水壶的开关自动切断

C．如果将电热水壶接在55 V的电源两端，需经4t0的时间电热水壶的开关自动切断

D．如果将电热水壶接在55 V的电源两端，需经16t0的时间电热水壶的开关自动切断

【答案】D

【详解】设电热水壶的电热丝的电阻为R，则经过t0的时间，220 V的电压产生的热量为：.

AB.若U1=110 V，需要产生相同热量，可解得：；故A项错误，B项错误.

CD.若U2=55 V，需要产生相同热量开关才能自动切断：，可解得：；故C项错误，D项正确.

5．小雷同学家里购买了一款扫地机器人，如图所示，小雷同学仔细检查了这个新扫地机器人，发现铭牌上标有如下表所示数据，则该扫地机器人（　　）

A．额定工作电流为0.25A

B．充满电后正常工作的时间为2.5h

C．电池充满电后储存的总电荷量为18720C

D．以额定电流工作时每小时消耗能量为55J

【答案】C

【详解】AD．由铭牌知，扫地机器人工作的额定电压为14.4V，额定功率为55W，则额定电流I＝A≈3.82A

每秒钟消耗能量W＝Pt＝55J，AD错误；

BC．根据电池容量5200mA·h知，电池充满电后储存的总电荷量Q＝5.2A×3600s＝18720C充满电后正常工作的时间t＝≈1.36h，B错误，C正确。故选C。

6．电动玩具汽车的直流电动机电阻一定，当加上0.3V电压时，通过的电流为0.3A，此时电动机没有转动.当加上3V电压时，电流为1A，这时电动机正常工作．则(       )

A．电动机的电阻是3

B．电动机正常工作时的发热功率是3W

C．电动机正常工作时消耗的电功率是4W

D．电动机正常工作时机械功率是2W

【答案】D

【详解】A．当加上0.3V电压时电动机不转动，利用欧姆定律得选项A错误；

BC．当加上3V电压时，消耗的电能一部分发热，一部分转化为了机械能．消耗的电功率为

发热功率，BC错误；

D．根据能量关系，产生的机械功率为，D正确．故选D。

7．如图所示为某一电路的一部分，其中，，下列关于、、消耗的电功率、、，以及、、两端的电压、、的关系正确的是（　　）

A． B．

C． D．

【答案】BC

【详解】AB．和并联，并且它们的电阻也是相等的，设通过、的电流大小都为I，那么通过的电流大小为，所以两端的电压为，、两端的电压分别为、

代入已知量得故A错误，B正确；

CD．消耗的电功率为，、消耗的电功率分别为、

代入已知量得故C正确，D错误；故选BC。

8．电饭锅工作时有两种状态。一种是锅内水烧干前的加热状态，另一种是锅内水烧干后保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，K是感温材料制造的开关。下列说法中正确的是（　　）

A．其中R2是供加热用的电阻丝

B．当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态

C．要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，应为2：1

D．要使R2在保温状态时的功率为加热状态时一半，应为

【答案】ABD

【详解】AB．如图所示，由得，当接通K时，电阻变小，功率变大，处于加热状态；当断开K时，电阻变大，功率变小，处于保温状态，则R2是供加热用的电阻丝，当开关K接通时电饭锅为加热状态，K断开时为保温状态，故AB正确；

CD．使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，由P=I2R可得：电阻R2在保温与加热状态下的电流之比，所以则故C错误，D正确。故选ABD。