5焦耳定律學科素養(yǎng)與目標要求物理觀念：1.理解電功、電功率、電熱、熱功率的概念.2.知道純電阻電路和非純電阻電路的特點和區(qū)別.科學思維：1.弄清電功與電熱、電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系，并能進行有關的計算.2.了解公式QI2Rt(PI2R)、Q(P)的適用條件.3.通過有關實例，讓學生理解非純電阻電路中的能量轉化關系.一、電功和電功率1.電功(1)電功是指電路中靜電力對定向移動的電荷所做的功，電流做功的過程就是電能轉化為其他形式能的過程.(2)電功的計算公式：WIUt.單位：焦耳，符號為J.常用的單位：千瓦時(kWh)，也稱“度”，1kWh3.6106J.2.電功率(1)定義：單位時間內電流所做的功.(2)公式：PUI.(3)單位：瓦特，符號為W.(4)意義：表示電流做功的快慢.二、焦耳定律1.焦耳定律(1)內容：電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻及通電時間成正比.(2)表達式：QI2Rt.2.熱功率(1)定義：單位時間內的發(fā)熱量稱為熱功率.(2)表達式：PI2R.(3)物理意義：表示電流發(fā)熱快慢的物理量.1.判斷下列說法的正誤.(1)電功率越大，表示電流做功越多.()(2)電功WUIt可以用來計算所有電路中電流所做的功.()(3)電熱QI2Rt可以用來計算所有含有電阻的電路中產生的焦耳熱.()(4)電動機消耗的電能，一部分轉化為機械能，一部分轉化為線圈內阻上的電熱.()2.通過電阻R的電流為I時，在t時間內產生的熱量為Q，若電阻為2R，電流為，則在時間t內產生的熱量為_.答案解析根據(jù)QI2Rt得，電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，電流變?yōu)樵瓉淼?，時間不變，Q22RtI2RtQ.一、電功和電熱的理解電吹風工作時，將電能轉化為什么能？電熨斗工作時，將電能轉化為什么能？答案電吹風工作時，把電能轉化為內能和機械能.電熨斗工作時，將電能轉化為內能.1.電功和電功率WUIt是電功的計算式，PUI是電功率的計算式，適用于任何電路.2.電熱和熱功率QI2Rt是電熱的計算式，P熱I2R是熱功率的計算式，可以計算任何電路產生的電熱和熱功率.3.純電阻電路與非純電阻電路(1)純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時，電能全部轉化為導體的內能.(2)非純電阻電路：含有電動機或電解槽等的電路稱為非純電阻電路.在非純電阻電路中，電流做功將電能除了部分轉化為內能外，還轉化為機械能或化學能等其他形式的能.4.純電阻電路和非純電阻電路的比較純電阻電路非純電阻電路舉例白熾燈、電爐、電熨斗、電飯鍋電動機、電解槽能量轉化情況電功和電熱的關系WQ即IUtI2RtWQE其他UItI2RtE其他電功率和熱功率的關系PP熱，即IUI2RPP熱P其他即IUI2RP其他歐姆定律是否成立UIR，I成立UIR，I不成立說明WUIt、P電UI適用于任何電路計算電功和電功率QI2Rt、P熱I2R適用于任意電路計算電熱和熱功率只有純電阻電路滿足WQ，P電P熱；非純電阻電路WQ，P電P熱例1(多選)下列關于電功、電功率和焦耳定律的說法中正確的是()A.電功率越大，電流做功越快，電路中產生的焦耳熱一定越多B.WUIt適用于任何電路，而WI2Rtt只適用于純電阻電路C.在非純電阻電路中，UII2RD.焦耳熱QI2Rt適用于任何電路答案BCD解析電功率公式P，表示電功率越大，電流做功越快.對于一段電路，有PIU，I，焦耳熱Q()2Rt，可見Q與P、U、t、R都有關，所以P越大，Q不一定越大，A錯誤.WUIt是電功的定義式，適用于任何電路，而I只適用于純電阻電路，B正確.在非純電阻電路中，電流做的功焦耳熱其他形式的能，所以WQ，即UII2R，C正確.QI2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路，D正確.二、純電阻電路中的功率分配及計算1.在純電阻電路中，由于WQ，I，所以有UII2R.2.串、并聯(lián)電路中的功率關系串聯(lián)電路并聯(lián)電路功率分配總功率PP1P2PnPP1P2Pn3.額定功率和實際功率(1)用電器正常工作時所消耗的電功率叫做額定功率.當實際電壓達到額定電壓時，實際功率等于額定功率.(2)為了用電器不被燒毀，實際功率不能大于額定功率.例2(2018西安高新一中期末)把家用電爐的電熱絲剪去一小段后，繼續(xù)使用，則在同樣的時間內()A.由QI2Rt可知，電爐的發(fā)熱量減小B.由QUIt可知，電爐的發(fā)熱量不變C.由Qt可知，電爐的發(fā)熱量增大D.無法確定答案C解析將家用電爐的電熱絲剪去一小段后，其電阻R變小，由于加在電爐兩端的電壓U不變，因此由公式Qt可知，在相同時間t內，電爐的發(fā)熱量Q增大，選項C正確.例3額定電壓都是110V、額定功率PA100W、PB40W的燈泡兩盞，若接在電壓為220V的電路上，使兩盞燈泡均能正常發(fā)光，且消耗功率最小的電路是()答案C解析判斷燈泡能否正常發(fā)光，就要判斷電壓是否是額定電壓，或電流是否是額定電流，對燈泡有PUI，可知RARB.對于A電路，由于RARB，所以UBUA，且有UB110V，B燈被燒毀，UA110V，A燈不能正常發(fā)光.對于B電路，由于RBRA，A燈又并聯(lián)滑動變阻器，并聯(lián)電阻小于RB，所以UBU并，B燈被燒毀，A燈不能正常發(fā)光.對于C電路，B燈與滑動變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UAUB110V，兩燈可以正常發(fā)光.對于D電路，若滑動變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UAUB110V，兩燈可以正常發(fā)光.比較C、D兩個電路，當燈A、B均正常發(fā)光時，由于C電路中滑動變阻器功率為(IAIB)110V，而D電路中滑動變阻器功率為(IAIB)110V，所以C電路消耗電功率最小.三、非純電阻電路功率的分析與計算1.電動機的功率和效率(1)電動機的輸入功率是電動機消耗的總功率，P入UI.(2)電動機的熱功率是線圈上電阻的發(fā)熱功率，P熱I2r.(3)電動機的輸出功率是電動機將電能轉化為機械能的功率，P出IUI2r.(4)電動機的效率：100%100%.2.串、并聯(lián)電路的總功率(1)串聯(lián)電路：P總U總I(U1U2U3)IP1P2P3(2)并聯(lián)電路：P總UI總U(I1I2I3)P1P2P3從能量轉化的角度看，無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，無論是純電阻電路還是非純電阻電路，電路消耗的總功率均等于電路中各部分消耗的功率之和.例4(2018九江一中月考)有一個直流電動機，把它接入0.2V電壓的電路時，電動機不轉，測得流過電動機的電流是0.4A；把它接入2V電壓的電路中，電動機正常工作，工作電流是1A.(1)求這臺電動機的內阻；(2)求電動機正常工作時的輸出功率；(3)如在正常工作時，轉子突然被卡住，此時電動機的發(fā)熱功率為多大？答案(1)0.5(2)1.5W(3)8W解析(1)電動機不轉時電路為純電阻電路，由歐姆定律可知電動機線圈的內阻r0.5(2)電動機正常工作時電路為非純電阻電路，消耗的總功率P總UI21W2W線圈內阻的熱功率P熱I2r120.5W0.5W則電動機正常工作時的輸出功率P出P總P熱2W0.5W1.5W(3)電動機的轉子突然被卡住時，此時電路為純電阻電路，發(fā)熱功率PW8W.例5小型直流電動機(其線圈內阻為r1)與規(guī)格為“4V4W”的小燈泡并聯(lián)，再與阻值為R5的電阻串聯(lián)，然后接至U12V的電源上，如圖1所示，小燈泡恰好正常發(fā)光，電動機正常工作，求：圖1(1)通過電動機的電流；(2)電動機的輸出功率P出；(3)電動機的效率.答案(1)0.6A(2)2.04W(3)85%解析(1)流經燈泡的電流ILA1A流經電阻R的電流IRA1.6A流經電動機的電流IIRIL0.6A.(2)電動機消耗的總功率PULI40.6W2.4W電動機的熱功率P熱I2r(0.6)21W0.36W電動機的輸出功率P出PP熱2.4W0.36W2.04W(3)電動機的效率：100%100%85%.學科素養(yǎng)通過以上兩題使學生熟練掌握電功、電熱的基本公式，并能區(qū)別應用電功率、熱功率的相關公式進行相關計算，充分體現(xiàn)了“物理觀念”和“科學思維”的學科素養(yǎng).針對訓練如圖2所示，有一內電阻為4.4的電解槽和一盞標有“110V60W”的燈泡串聯(lián)后接在電壓為220V的直流電路兩端，燈泡正常發(fā)光，則()圖2A.電解槽消耗的電功率為120WB.電解槽的發(fā)熱功率為60WC.電解槽消耗的電功率為60WD.電路消耗的總功率為60W答案C解析燈泡正常發(fā)光，說明電解槽和燈泡均分得110V電壓，且干路電流II燈A，則電解槽消耗的電功率PP燈60W，A錯，C對；電解槽的發(fā)熱功率P熱I2R內1.3W，B錯；整個電路消耗的總功率P總220W120W，D錯.1.(對電功率的理解)如圖3所示，一幢居民樓里住著生活習慣各不相同的24戶居民，所以整幢居民樓里有各種不同的電器，例如電爐、電視機、微波爐、電風扇等.停電時，用歐姆表測得A、B間電阻為R；供電后，各家電器同時使用，測得A、B間電壓為U，進線電流為I，則計算該幢居民樓用電的總功率可以用的公式是()圖3A.PI2RB.PC.PIUD.PI2R答案C解析家用電器中有純電阻也有非純電阻，故總電功率只能用PUI來計算，C正確.2.(對焦耳定律的理解)(多選)一臺電動機的線圈電阻與一只電爐的電阻相同，都通過相同的電流且正常工作，在相同時間內()A.電爐放熱與電動機放熱相等B.電爐兩端電壓小于電動機兩端電壓C.電爐兩端電壓等于電動機兩端電壓D.電動機消耗的功率大于電爐消耗的功率答案ABD3.(純電阻電路功率的分配及計算)把6個相同的電燈接成如圖4甲、乙所示兩電路，通過調節(jié)供電電壓與變阻器R1、R2的阻值，使兩組電燈均能正常發(fā)光，并且兩電路消耗的總電功率也相同，則R1、R2大小滿足()圖4A.R29R1B.R26R1C.R23R1D.R1R2答案A解析設每個燈泡正常發(fā)光時其電流為I，則題圖甲中總電流為3I，題圖乙中總電流為I；要使兩電路消耗的總電功率也相同，需使PR1PR2，即(3I)2R1I2R2，故R29R1，所以選項A正確.4.(非純電阻電路功率的計算)(2018清華附中期中)小電瓶車的電源電動勢為12V，電源內阻不計，電動機線圈電阻為1，當它以5m/s的速度在水平地面勻速行駛時，受到的摩擦力為7.2N，求此時通過電動機線圈的電流.答案6A解析電瓶車勻速運動時，F(xiàn)Ff7.2N，由PFv可知，電瓶車輸出功率：P7.25W36W，電動機的輸出功率P出UII2r36W，代入數(shù)據(jù)得：12II236計算得出：I6A.一、選擇題考點一電功、電功率1.室內有幾種用電器：1.5kW的電飯煲、200W的電冰箱、750W的取暖器、250W的電視機和2kW的空調器.如果進線處有13A的保險絲，供電電壓為220V，下列情況下不能同時使用的是()A.電飯煲和電冰箱B.取暖器和空調器C.電飯煲和空調器D.電冰箱、電視機和空調器答案C解析電路中允許的最大功率為PmUI2860W.用電器的功率之和大于Pm時，用電器就不可以同時使用，故C正確.2.如圖1所示為某兩個電阻的UI圖象，則電阻之比R1R2和把兩電阻串聯(lián)后接入電路時消耗功率之比P1P2及并聯(lián)后接入電路時消耗功率之比P1P2分別是()圖1A.212112B.211221C.121221D.122112答案A3.(多選)有兩個燈泡L1、L2，額定電壓皆為6V，額定功率分別為6W、3W，將它們接在電路中，下列說法正確的是()A.若將它們串聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為9WB.若將它們串聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為4.5WC.若將它們并聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為9WD.若將它們并聯(lián)接在電路中，兩燈泡的總功率最大為4.5W答案BC解析當兩燈泡串聯(lián)時，電流相等，L1的額定電流為I11A，電阻R16，L2的額定電流為I20.5A，電阻R212.要使兩燈泡不致被燒壞，電路中的最大電流為0.5A，最大功率為PmaxI22R1I22R24.5W，故A錯誤，B正確；當兩燈泡并聯(lián)時，電壓相等，當電壓為6V時，兩燈皆可正常發(fā)光，此時電路最大功率為9W，故C正確，D錯誤.4.A、B為“220V100W”的兩盞相同的燈泡，C、D為“220V40W”的兩盞相同的燈泡.現(xiàn)將四盞燈泡接成如圖2所示的電路，并將兩端接入電路，各燈實際功率分別為PA、PB、PC、PD.則實際功率的大小關系為()圖2A.PAPB，PCPDB.PAPDPBPCC.PDPAPBPCD.PBPCPDPA答案C解析根據(jù)R得，RARBRCRD.由電路圖知，UBUC，根據(jù)P知PBPC；因為IAID，根據(jù)PI2R知，PDPA.流過A、D的電流大于流過B、C的電流，由PI2R知，PAPB，PDPC，所以PDPAPBPC.考點二焦耳定律、熱功率5.關于電功W和電熱Q的說法正確的是()A.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，且WQB.在任何電路中都有WUIt、QI2Rt，但W不一定等于QC.WUIt、QI2Rt均只有在純電阻電路中才成立D.WUIt在任何電路中都成立，QI2Rt只在純電阻電路中才成立答案B解析WUIt是電功的定義式，適用于任何電路，QI2Rt是焦耳熱的定義式，也適用于任何電路，如果是純電阻電路，則WQ，在非純電阻電路中WQ，B對，A、C、D錯.考點三純電阻、非純電阻電路6.有一臺電風扇，額定電壓為220V，額定電功率為50W，線圈電阻為0.4.當電風扇在額定電壓下工作時，關于它的線圈電阻每分鐘產生的熱量是多少，有四位同學計算如下，其中正確的是()A.QI2Rt20.460J1.24JB.QPt5060J3000JC.QIUt22060J3000JD.Qt60J7.26106J答案A解析電風扇正常工作時產生的熱量是由于線圈發(fā)熱產生的，所以每分鐘產生的熱量為QI2Rt1.24J，A正確.7.(多選)(2018山師附中期末)日常生活用的電吹風中有電動機和電熱絲，電動機帶動風葉轉動，電熱絲給空氣加熱，得到熱風可將頭發(fā)吹干.設電動機線圈的電阻為R1，它與電阻為R2的電熱絲相串聯(lián)，接到直流電源上，電吹風兩端電壓為U，通過的電流為I，消耗的電功率為P，則以下選項正確的是()A.IUPB.IUPC.PI2(R1R2) D.PI2(R1R2)答案BC解析根據(jù)題意可知，通過電吹風的電流為I，它兩端的電壓為U，所以它消耗的電功率PUI，A項錯誤，B項正確；電吹風內部有兩部分電阻，一是電熱絲的電阻，二是電動機線圈的電阻，所以熱功率為I2(R1R2)，因為有一部分電能轉化為電動機的機械能，所以PI2(R1R2)，C項正確，D項錯誤.8.(2018河北正定中學段考)一個電飯煲和一臺洗衣機并聯(lián)接在輸出電壓為220V的交流電源上(電源內阻忽略不計)，均正常工作.用電流表分別測得通過電飯煲的電流是5.0A，通過洗衣機電動機的電流是0.50A，則下列說法中正確的是()A.電飯煲的電阻為44，洗衣機電動機線圈的電阻為440B.電飯煲消耗的電功率為1555W，洗衣機電動機消耗的電功率為155.5WC.1min內電飯煲消耗的電能為6.6104J，洗衣機電動機消耗的電能為6.6103JD.電飯煲發(fā)熱功率是洗衣機電動機發(fā)熱功率的10倍答案C解析由于電飯煲是純電阻用電器，所以R144，P1UI11100W，其在1min內消耗的電能W1UI1t6.6104J，洗衣機為非純電阻用電器，所以R2440，P2UI2110W，其在1min內消耗的電能W2UI2t6.6103J，其熱功率P熱P2，而P110P2，所以電飯煲發(fā)熱功率不是洗衣機電動機發(fā)熱功率的10倍，只有選項C正確.9.電阻R和電動機串聯(lián)接到電路中，如圖3所示，已知電阻R跟電動機線圈的電阻值相等，開關接通后，電動機正常工作.設電阻R和電動機兩端的電壓分別為U1和U2，經過時間t，電流通過電阻R做功為W1，產生熱量為Q1，電流通過電動機做功為W2，產生熱量為Q2，則有()圖3A.U1U2，Q1Q2B.U1U2，Q1Q2C.W1W2，Q1Q2D.W1W2，Q1Q2答案A解析電動機是非純電阻，其兩端電壓U2IRU1，B錯；電流做的功W1IU1t，W2IU2t，因此，W1W2，C錯；產生的熱量由QI2Rt可判斷Q1Q2，A對，D錯.二、非選擇題10.(2017啟東中學高一下期末)如圖4所示，M為電動機，N為電爐子，電爐子的電阻R4，電動機的內阻r1，恒定電壓U12V.當S1閉合、S2斷開時，理想電流表A示數(shù)為I1；當S1、S2同時閉合時，理想電流表A示數(shù)為I25A.求：圖4(1)理想電流表