12.1 电路中的能量转化 【帮课堂】2024-2025学年高二物理 同步学与练（ 人教版2019必修第三册）

12.1 电路中的能量转化 ( 学习目标 ) 课程标准 物理素养 3.2.5 理解电功、电功率及焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。 3.2.6 能分析和解决家庭电路中的简单问题，能将安全用电和节约用电的知识应用于生活实际。 物理观念：通过实例分析，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的，加深对功与能量转化关系的认识。从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系。 科学思维：通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。 科学探究：通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。 科学态度与责任：联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。 ( 0 2 思维导图 ) 纯电阻电路与非纯电阻电路的比较 纯电阻电路 非纯电阻电路 实例 白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等 电动机、电解槽、日光灯等 电功与 电热 W＝UIt，Q＝I2Rt＝t W＝Q W＝UIt，Q＝I2Rt　W>Q 电功率 与热功率 P电＝UI，P热＝I2R＝， P电＝P热 P电＝UI，P热＝I2R，P电>P热 方法规律 1.在任何电路中，P电＝UI、P热＝I2R、W＝UIt、Q＝I2Rt都适用。 2.处理非纯电阻电路的计算问题时，要善于从能量转化的角度出发，紧紧围绕能量守恒定律，利用“电功＝电热＋其他能量”找等量关系求解。 3.在非纯电阻电路中，t既不表示电功也不表示电热，是没有意义的。 ( 0 3 知识梳理 ) （1） 课前研读课本，梳理基础知识： 一、电功和电热 1．电功：表达式W＝Uq＝UIt，指恒定电场对自由电荷做的功。 2．电功率：表达式P＝＝UI，表示电流做功的快慢。 3．焦耳定律：表达式Q＝I2Rt，表述：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。 4．热功率 (1)定义：单位时间内的发热量。 (2)表达式：P＝＝I2R。 [注意]　①对于纯电阻电路：P电＝P热＝IU＝I2R＝；②对于非纯电阻电路：P电＝IU＝P热＋P其他＝I2R＋P其他≠＋P其他。, 二、非纯电阻电路的特点 1.在任何电路中，P电＝UI、P热＝I2R、W＝UIt、Q＝I2Rt都适用。 2.非纯电阻电路不遵循欧姆定律，在非纯电阻电路中U＞IR，其中U为非纯电阻用电器两端电压，R为该用电器的电阻。 3.电流通过非纯电阻电路时，电流做功消耗的电能除了转化为内能外，还要转化成其他形式的能，如机械能、化学能等，即W＝E其他＋Q，P＝P热＋P其他。 4.在非纯电阻电路中，t既不表示电功也不表示电热，是没有意义的。 三、串、并联电路的电功率分配关系 1.在串联电路中，电功率与电阻成正比，即： P1∶P2∶P3∶…∶Pn＝R1∶R2∶R3∶…∶Rn。 2.在并联电路中，电功率与电阻成反比，即： P1∶P2∶P3∶…∶Pn＝∶∶∶…∶。 [注意]　无论电阻如何连接，电路消耗的总功率一定等于各个电阻消耗的功率之和。 ( 0 4 题型精讲 ) 【题型一】纯电阻电路能量分析 【典型例题1】如图所示，横截面都是正方形的三段导体，它们的材料和长度都相同，导体B刚好能嵌入导体A，导体C刚好能嵌入导体B，现将三段导体串联接入到同一电路中，则(　 ) A．导体C的电阻最大 B．导体A两端的电压最大 C．导体B消耗的电功率最大 D．三段导体在相等时间内产生的热量相等 解析：选D　由题知三个电阻的电阻率ρ相同，长度l相同，根据电阻定律R＝ρ，可知比较横截面积S即可比较三者电阻的大小，由几何知识得SA＝(L)2－(L)2＝L2，SB＝(L)2－(L)2＝L2，SC＝L2，所以三个电阻的阻值相等，故A错误；由于三个电阻串联且阻值相等，故根据串联电路的特点，则流过它们的电流相等，各自两端的电压，消耗的电功率，在相等时间内产生的热量均相等，故B、C错误，D正确。 【典型例题2】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 解析：选D　根据公式Q＝t可知，煮沸一壶水所需的热量为Q＝t0，当电压变为原来的时，所需热量没变，因此时间要变为原来的4倍，即4t0，A、B错误；当电压变为原来的时，时间要变为原来的16倍，即16t0，C错误，D正确。 【对点训练1】[多选]在如图甲所示的电路中，电源电动势为3 V，内阻不计，L1、L2为相同规格的小灯泡，这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，R为定值电阻，阻值为10 Ω。当开关S闭合后(　　) A．L1的电阻为1.2 Ω B．L1消耗的电功率为0.75 W C．L2的电阻为5 Ω D．L2消耗的电功率为0.1 W 解析：选BC　L1两端的电压为U＝3 V，由题图乙得此时的电流为I＝0.25 A，灯泡电阻R1＝＝12 Ω，A错误；L1消耗的功率P＝UI＝3×0.25 W＝0.75 W，B正确；若L2的电阻为5 Ω，则根据串联电路中电压与电阻成正比，可知此时L2两端的电压为1 V，由题图乙可求得此时L2中的电流为0.2 A，则L2的阻值为R2＝＝ Ω＝5 Ω，与假设一致，C正确；此时L2消耗的电功率P′＝U′I′＝1×0.2 W＝0.2 W，D错误。 【对点训练2】电子产品制作车间里常常使用电烙铁焊接电阻器和电容器等零件，技术工人常将电烙铁和一个灯泡串联使用，灯泡还和一只开关并联，然后再接到电压为220 V的交流电上(如图2所示)，下列说法正确的是(　　) A．开关接通时比开关断开时消耗的总电功率大 B．开关接通时，灯泡熄灭，只有电烙铁通电，可使消耗的电功率减小 C．开关断开时，灯泡发光，电烙铁也通电，消耗的总功率增大，但电烙铁发热较少 D．开关断开时，灯泡发光，可供在焊接时照明使用，消耗的总功率不变 答案　A 【题型二】家电、手机问题 【典型例题3】如图所示是某品牌吊扇的相关参数，g取10 m/s2，以下说法正确的是(　 ) A．吊扇正常工作时通过吊扇电机的电流为0.25 A B．天花板对吊杆的拉力大小等于50 N C．吊扇正常工作时消耗的电能用于对空气做功 D．吊扇边沿A点的最大线速度大小为896π m/s 解析：选A　由P＝UI可知，吊扇正常工作时通过吊扇电机的电流为I＝＝0.25 A，A正确；吊扇的质量为5 kg，则重力为50 N，吊扇正常工作时，对空气有向下的作用力，根据牛顿第三定律可知，空气对吊扇有向上的作用力，所以天花板对吊杆的拉力小于50 N，B错误；吊扇正常工作时，根据能量守恒UI＝P热＋P机可知，消耗的电能一部分变成热能，一部分输出为机械能，则吊扇正常工作时消耗的电能部分用于对空气做功，C错误；吊扇的直径为1.4 m，则半径为0.7 m，转速为n＝320 r/min＝ r/s，则A点的线速度为v＝2πnr＝π m/s，D错误。 【典型例题4】(多选)如图甲所示，用内阻为r1的充电宝为一手机充电，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r2，则时间t内(　 ) A．充电宝输出的电功率为UI－I2r1 B．充电宝的总功率为UI＋I2r1 C．手机电池产生的焦耳热为t D．手机电池增加的化学能为UIt－I2r2t 解析：选BD　充电宝的输出电压为U，输出电流为I，则充电宝输出的电功率为UI，故A错误；充电宝内的电流也是I，内阻为r1，所以充电宝产生的热功率为I2r1，则充电宝的总功率为P总＝UI＋I2r1，故B正确；由于充电宝是非纯电阻电路，U是充电宝的输出电压，所以不能用公式t计算手机电池产生的焦耳热，根据焦耳定律，可知电池产生的焦耳热应为I2r2t，故C错误；由题意可得，手机电池增加的化学能为UIt－I2r2t，故D正确。 【对点训练3】2019年12月7日至11日在日本东京举办了第十三届中日节能环保综合论坛，与会专家统计：每使用1度(千瓦时)电，就相应消耗了0.4 kg 的标准煤，同时产生0.272 kg碳粉尘，0.997 kg二氧化碳，0.03 kg二氧化硫，0.015 kg氮氧化物。济宁市约有200万家庭，根据下表提供的数据，估算我市由于这4种用电器待机一昼夜产生的二氧化碳的质量约为(　　) 每户普通家庭 用电器平均数 1台平板电视机 1台空调 1台洗衣机 1台台式电脑 每台用电器平均 待机功率(W) 1 4 2 3 A.4.8×103 kg B.4.8×104 kg C.4.8×105 kg D.4.8×106 kg 答案　C 解析　4种用电器待机一昼夜消耗的电能为E＝200×104×(1＋4＋2＋3)×10－3×24 kW·h＝4.8×105 kW·h，产生的二氧化碳的质量约为M＝0.997×4.8×105 kg＝4.8×105 kg。 【对点训练4】[多选]锂电池因能量密度高、绿色环保而广泛使用在手机等电子产品中。现用充电器为一手机锂电池充电，等效电路如图所示，充电器电源的输出电压为U，输出电流为I，手机电池的内阻为r，下列说法正确的是(　　) A．电能转化为化学能的功率为UI－I2r B．充电器输出的电功率为UI＋I2r C．电池产生的热功率为I2r D．充电器的充电效率为×100% 解析：选AC　充电器将电能转化为锂电池的化学能和内能，即UIt＝E化＋I2rt，充电器输出的电功率为UI，电池产生的热功率为I2r，据此可知，电能转化为化学能的功率为UI－I2r，充电器的充电效率为×100%，所以选项A、C正确。 【题型三】科学探究与电动机 【典型例题5】如图所示，在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘内壁放另一个圆环形电极接电源的正极做“旋转液体实验”，其中蹄形磁铁两极间正对部分的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度大小B＝0.2 T，磁铁上方为S极。电源的电动势E＝6 V，内阻未知，限流电阻R0＝4.8 Ω。闭合开关S后，当导电液体旋转稳定时理想电压表的示数恒为3.5 V，理想电流表示数为0.5 A。则(　 ) A．从上往下看，液体顺时针旋转 B．玻璃皿中两电极间液体的等效电阻为R＝7.0 Ω C．液体消耗的电功率为1.75 W D．1分钟内，液体里产生的热量为105 J 解析：选C　由于中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘内壁放一个圆环形电极接电源的正极，在电源外部电流由正极流向负极，因此电流由边缘流向中心，玻璃皿所在处的磁场方向竖直向上，由左手定则可知，导电液体受到的安培力沿逆时针方向，因此液体沿逆时针方向旋转，故A错误；对于非纯电阻元件，不满足欧姆定律，R≠＝7.0 Ω，B错误；液体消耗的电功率P＝UI＝1.75 W，C正确；1分钟电流做功为W＝Pt＝1.75×60 J＝105 J，由能量守恒可知电流做功转化为热能和液体的转动动能，因此1分钟内液体里产生的热量小于105 J，D错误。 【典型例题6】有一小型直流电动机，把它接入U1＝0.3 V的电路中时，电动机不转，测得流过电动机的电流为I1＝0.6 A；若把电动机接入U2＝3.0 V的电路中时，电动机正常工作，工作电流是I2＝1.0 A，求： (1)电动机正常工作时的输出功率是多少？ (2)如果电动机正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率是多大？ [解析]　(1)当U1＝0.3 V，I1＝0.6 A时，电动机不转，此时电动机为纯电阻，故电动机的内电阻为r＝＝0.5 Ω。 当U2＝3.0 V，I2＝1.0 A时，电动机正常工作，此时电动机为非纯电阻，则电动机的输出功率为P出＝U2I2－I22r＝2.5 W。 (2)当电动机正常工作被卡住时，电动机又为纯电阻，其热功率为P热＝＝18 W。 [答案]　(1)2.5 W　(2)18 W 【对点训练5】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880 J 答案　A 解析　电吹风吹热风时电热丝消耗的功率为P＝1 000 W－120 W＝880 W，对电热丝，由P＝可得电热丝的电阻为R＝＝ Ω＝55 Ω，选项A正确；由于不知道电动机线圈的发热功率，所以电动机线圈的电阻无法计算，选项B错误；当吹冷风时，电热丝没有工作，选项C错误；当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为120 J，选项D错误. 【对点训练6】在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路．当调节滑动变阻器R，使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为1.0 A和1.0 V；重新调节R，使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V．则当这台电动机正常运转时(　　) A．电动机的内阻为7.5 Ω B．电动机的内阻为2.0 Ω C．电动机的输出功率为30.0 W D．电动机的输出功率为26.0 W 答案　D 解析　因为电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为1.0 A和1.0 V，电动机在没有将电能转化为机械能时属于纯电阻电路，故说明电动机的内阻r＝＝＝1.0 Ω，选项A、B错误；当电动机正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V，则电动机的总功率为P总＝2.0 A×15.0 V＝30.0 W，此时电动机的发热功率为P热＝(2.0 A)2×1.0 Ω＝4.0 W，故电动机的输出功率为P出＝P总－P热＝30.0 W－4.0 W＝26.0 W，选项D正确． ( 0 5 0 1 强化训练 ) 【基础强化】 1．扫地机器人能有效清除地板上的灰尘等颗粒垃圾。若扫地机器人的电动机线圈电阻为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，则(　 ) A．通过线圈的电流小于 B．通过线圈的电流等于 C．电动机的电功率为I2r D．电动机输出的机械功率为UI 解析：选A　根据能量守恒定律有P电＝P热＋P出，即UI＝I2r＋P出，则I2r＜UI，可得I＜，故A正确，B错误；电动机的电功率P电＝UI，而I2r是电动机的内阻损耗的热功率，故C错误；电动机输出的机械功率P出＝P电－P热＝UI－I2r，故D错误。 2.如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图．电动机的内阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R＝10 Ω，直流电压U＝160 V，理想电压表示数UV＝110 V．试求： (1)通过电动机的电流； (2)输入电动机的电功率； (3)若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，求该重物的质量．(g取10 m/s2) 答案　(1)5 A　(2)550 W　(3)53 kg 解析　(1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压UR＝U－UV＝(160－110)V＝50 V， 流过电阻R的电流IR＝＝ A＝5 A， 即通过电动机的电流IM＝IR＝5 A. (2)电动机的电压UM＝UV＝110 V，输入电动机的电功率P电＝IMUM＝550 W. (3)电动机的发热功率P热＝IM2r＝20 W， 电动机输出的机械功率P出＝P电－P热＝530 W， 又因P出＝mgv， 所以m＝＝53 kg. 3.某扫地机器人电池容量2 000 mA·h，额定工作电压15 V，额定功率30 W，则下列说法正确的是(　 ) A．扫地机器人的电阻是7.5 Ω B．题中mA·h是能量的单位 C．扫地机器人正常工作时的电流是2 A D．扫地机器人充满电后一次工作时间约为4 h 解析：选C　根据题意，非纯电阻用电器无法计算电阻，A错误；题中mA·h是电荷量的单位，B错误；扫地机器人正常工作时的电流为I＝＝ A＝2 A，C正确；2 000 mA·h＝2 A·h，扫地机器人充满电后一次工作时间约为t＝＝1 h，D错误。 4.新能源电动汽车是当代生活中重要的交通工具。某品牌观光新能源电动车的动力电源上的铭牌标有“120 V　250 A·h”字样。假设工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率为3 kW。根据上述有关数据，下列说法不正确的是(　 ) A．电动汽车保持额定功率行驶的最长时间是10 h B．额定工作电流为25 A C．动力电源充满电后储存的电能为1.08×108 J D．电动汽车电动机的内阻为4.8 Ω 解析：选D　工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率为3 kW，则额定工作电流I＝＝25 A，B正确；根据Q＝It可得，电动汽车保持额定功率行驶的最长时间t＝＝10 h，A正确；动力电源充满电后储存的电能W＝UIt＝1.08×108 J，C正确；由所给条件无法求得电动汽车电动机的内阻，D错误。 5.如图为一种服务型机器人，其额定功率为48 W，额定工作电压为24 V。机器人的锂电池容量为20 A·h。则机器人(　　) A．额定工作电流为20 A B．充满电后最长工作时间为2 h C．电池充满电后总电量为7.2×104 C D．以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J 解析：选C　根据P＝UI可知，额定电流应该为2 A，选项A错。电源的容量为20 Ah，即当额定电流2 A下工作时，能够工作最长时间为10 h，选项B错误。电源充满电后的总电量为Q＝It＝20×3 600 C＝7.2×104 C，选项C正确。在额定电流下，机器人功率48 W即每秒消耗48 J，选项D错误。 6.额定电压都是110 V、额定功率PA＝110 W和PB＝40 W的两盏电灯，若接在电压是220 V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是(　　) 答案　C 解析　由P＝和已知条件可知RA<RB.对于A电路，由于RA<RB，所以UB>110 V，B灯烧毁两灯不能正常发光；对于B电路，由于RA<RB，A灯并联变阻器，并联电阻更小于RB，所以UB>110 V，B灯烧毁；对于C电路，B灯与变阻器并联，并联电阻可能等于RA，所以可能有UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光；对于D电路，若变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光；比较C、D两个电路，由于C电路中滑动变阻器功率为(IA－IB)×110 V，而D电路中滑动变阻器功率为(IA＋IB)×110 V，所以C电路消耗电功率最小． 【素养提升】 7.(多选)如图所示，闭合开关S后，电动机两端的电压为60 V，电动机恰好正常工作，此时质量m＝10 kg的物体以v＝1 m/s的速度被匀速提升，理想电流表的示数为2 A．重力加速度g＝10 m/s2，不计空气阻力．下列说法正确的是(　　) A．电动机的内阻为30 Ω B．电动机的内阻为5 Ω C．电动机的发热功率为100 W D．电动机正常工作的效率为83.3% 答案　BD 解析　由公式P＝UI＝mgv＋I2r，解得r＝5 Ω，选项A错误，B正确；电动机的发热功率P1＝I2r＝20 W，选项C错误；电动机正常工作的效率η＝×100%≈83.3%，选项D正确． 8．图甲表示某金属丝的电阻R随摄氏温度t变化的情况。把这段金属丝与电池、电流表串联起来(图乙)，用这段金属丝做测温探头，把电流表的刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简易温度计。下列说法正确的是(　 ) A．tA应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是线性关系 B．tA应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是非线性关系 C．tB应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是线性关系 D．tB应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是非线性关系 解析：选B　由题图甲可知，tA对应的电阻较小，由闭合电路的欧姆定律I＝可知，tA对应的电路中的电流较大，故tA应标在电流较大的刻度上；由于电流和电阻满足I＝，是非线性关系，而温度与电阻是线性关系，故温度与电流是非线性关系。综上可知，B正确。 9. (多选)如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的内阻R2＝10 Ω。当开关断开时，电流表的示数是0.5 A，当开关合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(　　) A.I＝1.5 A B.I＜1.5 A C.P＝15 W D.P＜15 W 答案　BD 解析　当开关S断开时，由欧姆定律U＝I1R1＝10 V；当开关S闭合后通过R1的电流仍为0.5 A，电动机的电流I2＜＝1 A，故电流表的电流I＜1.5 A，电动机的电功率P＝IU＜15 W，选项B、D正确。 10．某简易电吹风简化电路如图所示，其主要部件为电动机M和电热丝，部分技术参数如下表，电吹风在220 V电压下工作。下列说法正确的是(　　) 电吹风额定电压 220 V 电吹风额定功率 热风时：990 W 冷风时：110 W A.开关S1、S2都闭合时电吹风吹冷风 B.该电吹风中电动机的内电阻为440 Ω C.吹热风时电热丝的功率为990 W D.吹热风时通过电热丝的电流为4 A 答案　D 解析　由电路图可知，开关S1、S2都闭合时，电动机和电热丝同时接入电路，电吹风吹热风，故A错误；只闭合开关S2时，仅电动机接入电路，若电动机为纯电阻，则电阻为r＝ Ω＝440 Ω，由于电动机为非纯电阻，则内阻不为440 Ω，故B错误；开关S1、S2都闭合时，电动机和电热丝同时接入电路，电吹风吹热风，总功率为990 W，即为电动机的功率和电热丝的功率之和，则吹热风时电热丝的功率为880 W，故C错误；吹热风时通过电热丝的电流I＝ A＝4 A，故D正确。 11．一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上(其内电阻可忽略不计)，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A，通过洗衣机电动机的电流是0.50 A，则下列说法中正确的是(　　) A．电饭煲的电阻为44 Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω B．电饭煲消耗的电功率为1 555 W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W C．1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J，洗衣机电动机消耗的电能为 6.6×103 J D．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍 解析：选C　由于电饭煲是纯电阻元件，所以R1＝＝44 Ω，P1＝UI1＝1 100 W，其在1 min内消耗的电能W1＝UI1t＝6.6×104 J，洗衣机为非纯电阻元件，所以R2≠，P2＝UI2＝110 W，其在1 min内消耗的电能 W2＝UI2t＝6.6×103 J，其热功率P热≠P2，所以电饭煲发热功率不是洗衣机电动机发热功率的10倍。综上可知C正确。 12.如图甲，电路中电源电动势为3.0 V，内阻不计，L1、L2、L3为三个相同规格的小灯泡，小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示。当开关闭合后，下列说法中正确的是(　　) A．L1中的电流为L2中电流的2倍 B．L3的电阻约为1.875 Ω C．L3的电功率约为0.75 W D．L2和L3的总功率约为3 W 解析：选B　由图像可知，灯泡两端的电压变化时，灯泡的电阻发生变化，L2和L3的串联电阻并不是L1电阻的两倍，根据欧姆定律知L1中的电流不是L2中电流的2倍，A错误；由于不计电源内阻，所以L2和L3两端的电压均为1.5 V，由题图乙可知此时灯泡中的电流为I＝0.8 A，电阻R＝＝1.875 Ω，B正确；L3的电功率P＝UI＝1.5×0.8 W＝1.2 W，C错误；L2和L3的总功率P′＝2P＝2.4 W，D错误。 13.[多选]下表列出了某品牌电动自行车及所用电动机的主要技术参数，不计其自身机械损耗。若该车在额定状态下以最大运行速度行驶，则(　　) 自重 40 kg 额定电压 48 V 载重 75 kg 额定电流 12 A 最大行驶速度 20 km/h 额定输出功率 350 W A．电动机的输入功率为576 W B．电动机的内电阻为4 Ω C．该车获得的牵引力为104 N D．该车受到的阻力为63 N 解析：选AD　电动机的输入功率为P入＝UI＝48×12 W＝576 W，A正确；电动机的发热功率为P＝I2r＝P入－P出，代入数据解得：r＝1.6 Ω，B错误；由vm＝20 km/h＝ m/s，根据P出＝Fvm，解得F＝63 N，且当该车速度最大时，F＝f＝63 N，故C错误，D正确。 14.(多选)如图所示的甲、乙、丙、丁四种电路中，合上开关S后，滑片P由a向b滑动，则(　　) A．在甲中灯泡L的功率一直变大 B．在乙中灯泡L的功率先变小后变大 C．在丙中灯泡L的功率先变小后变大 D．在乙中灯泡L的功率先变小后变大 答案　AB 解析　题图甲中电路闭合开关S后，滑片P由a向b滑动，滑动变阻器接入电路的阻值减小，则总阻值减小，根据闭合电路欧姆定律可知，干路电流增大，通过灯泡L的电流增大，消耗的功率变大，故A正确；题图乙中电路闭含开关S后，其变阻器Pa和Pb部分并联，当滑片P由a向b滑动过程中，滑动变阻器接入电路的阻值先增大后减小，所以电路中的电流先减小后增大，灯泡在干路上，通过灯泡的电流也是先减小后增大，所以灯泡消耗的功率先减小后增大，故B正确；题图丙中电路闭合开关S后，滑片P由a向b滑动过程中，电路中的总电阻减小， 所以电路中的电流一直增大，则灯泡消耗的电功率一直增大，故C错误；题图丁中电路闭合开关S后，当滑片P由a向b滑动过程中，灯泡两端电压一直增大，所以灯泡消耗的功率一直增大，故D错误． 【能力培优】 15.（多选）如图所示，用输出电压为1.4 V、输出电流为100 mA的充电器对内阻为2 Ω的镍－氢电池充电．下列说法正确的是(　　) A．电能转化为化学能的功率为0.12 W B．充电器输出的电功率为0.14 W C．充电时，电池消耗的热功率为0.02 W D．充电器把0.14 W的功率储存在电池内 答案　ABC 解析　充电器对电池的充电功率为P总＝UI＝0.14 W，电池充电时的热功率为P热＝I2r＝0.02 W，所以电能转化为化学能的功率为P化＝P总－P热＝0.12 W，因此充电器把0.12 W的功率储存在电池内，故A、B、C正确，D错误． 16．（多选）在如图甲所示的电路中，L1、L2、L3为三个相同规格的小灯泡，这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示．当开关S闭合后，电路中的总电流为0.25 A，则此时(　　) A．L1两端的电压为L2两端电压的2倍 B．L1消耗的电功率为0.75 W C．L2的电阻为12 Ω D．L1、L2消耗的电功率的比值大于4∶1 答案　BD 解析　电路中的总电流为0.25 A，L1中电流为0.25 A，由小灯泡的伏安特性曲线可知电压为3.0 V，故L1消耗的电功率为P＝UI＝0.75 W，选项B正确．根据并联电路规律，L2中电流为0.125 A，由小灯泡的伏安特性曲线可知电压大约为0.3 V，L1两端的电压大约为L2两端电压的10倍，选项A错误．由欧姆定律可知L2的电阻大约为R＝＝ Ω＝2.4 Ω，选项C错误．L2消耗的电功率为P＝UI＝0.3×0.125 W＝0.037 5 W，故L1、L2消耗的电功率的比值大于4∶1，选项D正确． 17.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＜I2 B.＞ C.＝ D.＜ 答案　D 解析　电动机和小电珠串联接入电路，故I1＝I2，A错误；电动机是非纯电阻用电器，满足I2＜，小电珠是纯电阻用电器，满足I1＝，又I1＝I2，故＜，可得＜，D正确． ( 8 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 12.1 电路中的能量转化 ( 学习目标 ) 课程标准 物理素养 3.2.5 理解电功、电功率及焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。 3.2.6 能分析和解决家庭电路中的简单问题，能将安全用电和节约用电的知识应用于生活实际。 物理观念：通过实例分析，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的，加深对功与能量转化关系的认识。从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系。 科学思维：通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。 科学探究：通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。 科学态度与责任：联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。 ( 0 2 思维导图 ) 纯电阻电路与非纯电阻电路的比较 纯电阻电路 非纯电阻电路 实例 白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等 电动机、电解槽、日光灯等 电功与 电热 W＝UIt，Q＝I2Rt＝t W＝Q W＝UIt，Q＝I2Rt　W>Q 电功率 与热功率 P电＝UI，P热＝I2R＝， P电＝P热 P电＝UI，P热＝I2R，P电>P热 方法规律 1.在任何电路中，P电＝UI、P热＝I2R、W＝UIt、Q＝I2Rt都适用。 2.处理非纯电阻电路的计算问题时，要善于从能量转化的角度出发，紧紧围绕能量守恒定律，利用“电功＝电热＋其他能量”找等量关系求解。 3.在非纯电阻电路中，t既不表示电功也不表示电热，是没有意义的。 ( 0 3 知识梳理 ) （1） 课前研读课本，梳理基础知识： 一、电功和电热 1．电功：表达式W＝Uq＝ ，指恒定电场对自由电荷做的功。 2．电功率：表达式P＝＝ ，表示电流做功的 。 3．焦耳定律：表达式Q＝ ，表述：电流通过导体产生的热量跟 成正比，跟导体 的 及 成正比。 4．热功率 (1)定义：单位时间内的发热量。 (2)表达式：P＝＝I2R。 [注意]　①对于纯电阻电路：P电＝P热＝IU＝I2R＝；②对于非纯电阻电路：P电＝IU＝P热＋P其他＝I2R＋P其他≠＋P其他。, 二、非纯电阻电路的特点 1.在任何电路中，P电＝UI、P热＝I2R、W＝UIt、Q＝I2Rt都适用。 2.非纯电阻电路不遵循欧姆定律，在非纯电阻电路中U IR，其中U为非纯电阻用电器两端电压，R为该用电器的电阻。 3.电流通过非纯电阻电路时，电流做功消耗的电能除了转化为内能外，还要转化成其他形式的能，如机械能、化学能等，即W＝ ＋Q，P＝P热＋ 。 4.在非纯电阻电路中，t既不表示电功也不表示电热，是 意义的。 三、串、并联电路的电功率分配关系 1.在串联电路中，电功率与电阻成 ，即： P1∶P2∶P3∶…∶Pn＝R1∶R2∶R3∶…∶Rn。 2.在并联电路中，电功率与电阻成 ，即： P1∶P2∶P3∶…∶Pn＝∶∶∶…∶。 [注意]　无论电阻如何连接，电路消耗的总功率一定等于各个电阻消耗的功率之和。 ( 0 4 题型精讲 ) 【题型一】纯电阻电路能量分析 【典型例题1】如图所示，横截面都是正方形的三段导体，它们的材料和长度都相同，导体B刚好能嵌入导体A，导体C刚好能嵌入导体B，现将三段导体串联接入到同一电路中，则(　 ) A．导体C的电阻最大 B．导体A两端的电压最大 C．导体B消耗的电功率最大 D．三段导体在相等时间内产生的热量相等 【典型例题2】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 【对点训练1】[多选]在如图甲所示的电路中，电源电动势为3 V，内阻不计，L1、L2为相同规格的小灯泡，这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，R为定值电阻，阻值为10 Ω。当开关S闭合后(　　) A．L1的电阻为1.2 Ω B．L1消耗的电功率为0.75 W C．L2的电阻为5 Ω D．L2消耗的电功率为0.1 W 【对点训练2】电子产品制作车间里常常使用电烙铁焊接电阻器和电容器等零件，技术工人常将电烙铁和一个灯泡串联使用，灯泡还和一只开关并联，然后再接到电压为220 V的交流电上(如图2所示)，下列说法正确的是(　　) A．开关接通时比开关断开时消耗的总电功率大 B．开关接通时，灯泡熄灭，只有电烙铁通电，可使消耗的电功率减小 C．开关断开时，灯泡发光，电烙铁也通电，消耗的总功率增大，但电烙铁发热较少 D．开关断开时，灯泡发光，可供在焊接时照明使用，消耗的总功率不变 【题型二】家电、手机问题 【典型例题3】如图所示是某品牌吊扇的相关参数，g取10 m/s2，以下说法正确的是(　 ) A．吊扇正常工作时通过吊扇电机的电流为0.25 A B．天花板对吊杆的拉力大小等于50 N C．吊扇正常工作时消耗的电能用于对空气做功 D．吊扇边沿A点的最大线速度大小为896π m/s 【典型例题4】(多选)如图甲所示，用内阻为r1的充电宝为一手机充电，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r2，则时间t内(　 ) A．充电宝输出的电功率为UI－I2r1 B．充电宝的总功率为UI＋I2r1 C．手机电池产生的焦耳热为t D．手机电池增加的化学能为UIt－I2r2t 【对点训练3】2019年12月7日至11日在日本东京举办了第十三届中日节能环保综合论坛，与会专家统计：每使用1度(千瓦时)电，就相应消耗了0.4 kg 的标准煤，同时产生0.272 kg碳粉尘，0.997 kg二氧化碳，0.03 kg二氧化硫，0.015 kg氮氧化物。济宁市约有200万家庭，根据下表提供的数据，估算我市由于这4种用电器待机一昼夜产生的二氧化碳的质量约为(　　) 每户普通家庭 用电器平均数 1台平板电视机 1台空调 1台洗衣机 1台台式电脑 每台用电器平均 待机功率(W) 1 4 2 3 A.4.8×103 kg B.4.8×104 kg C.4.8×105 kg D.4.8×106 kg 【对点训练4】[多选]锂电池因能量密度高、绿色环保而广泛使用在手机等电子产品中。现用充电器为一手机锂电池充电，等效电路如图所示，充电器电源的输出电压为U，输出电流为I，手机电池的内阻为r，下列说法正确的是(　　) A．电能转化为化学能的功率为UI－I2r B．充电器输出的电功率为UI＋I2r C．电池产生的热功率为I2r D．充电器的充电效率为×100% 【题型三】科学探究与电动机 【典型例题5】如图所示，在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极接电源的负极，沿边缘内壁放另一个圆环形电极接电源的正极做“旋转液体实验”，其中蹄形磁铁两极间正对部分的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度大小B＝0.2 T，磁铁上方为S极。电源的电动势E＝6 V，内阻未知，限流电阻R0＝4.8 Ω。闭合开关S后，当导电液体旋转稳定时理想电压表的示数恒为3.5 V，理想电流表示数为0.5 A。则(　 ) A．从上往下看，液体顺时针旋转 B．玻璃皿中两电极间液体的等效电阻为R＝7.0 Ω C．液体消耗的电功率为1.75 W D．1分钟内，液体里产生的热量为105 J 【典型例题6】有一小型直流电动机，把它接入U1＝0.3 V的电路中时，电动机不转，测得流过电动机的电流为I1＝0.6 A；若把电动机接入U2＝3.0 V的电路中时，电动机正常工作，工作电流是I2＝1.0 A，求： (1)电动机正常工作时的输出功率是多少？ (2)如果电动机正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率是多大？ 【对点训练5】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880 J 【对点训练6】在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路．当调节滑动变阻器R，使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为1.0 A和1.0 V；重新调节R，使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V．则当这台电动机正常运转时(　　) A．电动机的内阻为7.5 Ω B．电动机的内阻为2.0 Ω C．电动机的输出功率为30.0 W D．电动机的输出功率为26.0 W ( 0 5 0 1 强化训练 ) 【基础强化】 1．扫地机器人能有效清除地板上的灰尘等颗粒垃圾。若扫地机器人的电动机线圈电阻为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，则(　 ) A．通过线圈的电流小于 B．通过线圈的电流等于 C．电动机的电功率为I2r D．电动机输出的机械功率为UI 2.如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图．电动机的内阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R＝10 Ω，直流电压U＝160 V，理想电压表示数UV＝110 V．试求： (1)通过电动机的电流； (2)输入电动机的电功率； (3)若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，求该重物的质量．(g取10 m/s2) 3.某扫地机器人电池容量2 000 mA·h，额定工作电压15 V，额定功率30 W，则下列说法正确的是(　 ) A．扫地机器人的电阻是7.5 Ω B．题中mA·h是能量的单位 C．扫地机器人正常工作时的电流是2 A D．扫地机器人充满电后一次工作时间约为4 h 4.新能源电动汽车是当代生活中重要的交通工具。某品牌观光新能源电动车的动力电源上的铭牌标有“120 V　250 A·h”字样。假设工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率为3 kW。根据上述有关数据，下列说法不正确的是(　 ) A．电动汽车保持额定功率行驶的最长时间是10 h B．额定工作电流为25 A C．动力电源充满电后储存的电能为1.08×108 J D．电动汽车电动机的内阻为4.8 Ω 5.如图为一种服务型机器人，其额定功率为48 W，额定工作电压为24 V。机器人的锂电池容量为20 A·h。则机器人(　　) A．额定工作电流为20 A B．充满电后最长工作时间为2 h C．电池充满电后总电量为7.2×104 C D．以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J 6.额定电压都是110 V、额定功率PA＝110 W和PB＝40 W的两盏电灯，若接在电压是220 V的电路上，使两盏电灯均能正常发光，且电路中消耗功率最小的电路是(　　) 【素养提升】 7.(多选)如图所示，闭合开关S后，电动机两端的电压为60 V，电动机恰好正常工作，此时质量m＝10 kg的物体以v＝1 m/s的速度被匀速提升，理想电流表的示数为2 A．重力加速度g＝10 m/s2，不计空气阻力．下列说法正确的是(　　) A．电动机的内阻为30 Ω B．电动机的内阻为5 Ω C．电动机的发热功率为100 W D．电动机正常工作的效率为83.3% 8．图甲表示某金属丝的电阻R随摄氏温度t变化的情况。把这段金属丝与电池、电流表串联起来(图乙)，用这段金属丝做测温探头，把电流表的刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简易温度计。下列说法正确的是(　 ) A．tA应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是线性关系 B．tA应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是非线性关系 C．tB应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是线性关系 D．tB应标在电流较大的刻度上，且温度与电流是非线性关系 9. (多选)如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的内阻R2＝10 Ω。当开关断开时，电流表的示数是0.5 A，当开关合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(　　) A.I＝1.5 A B.I＜1.5 A C.P＝15 W D.P＜15 W 10．某简易电吹风简化电路如图所示，其主要部件为电动机M和电热丝，部分技术参数如下表，电吹风在220 V电压下工作。下列说法正确的是(　　) 电吹风额定电压 220 V 电吹风额定功率 热风时：990 W 冷风时：110 W A.开关S1、S2都闭合时电吹风吹冷风 B.该电吹风中电动机的内电阻为440 Ω C.吹热风时电热丝的功率为990 W D.吹热风时通过电热丝的电流为4 A 11．一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上(其内电阻可忽略不计)，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A，通过洗衣机电动机的电流是0.50 A，则下列说法中正确的是(　　) A．电饭煲的电阻为44 Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω B．电饭煲消耗的电功率为1 555 W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W C．1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J，洗衣机电动机消耗的电能为 6.6×103 J D．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍 12.如图甲，电路中电源电动势为3.0 V，内阻不计，L1、L2、L3为三个相同规格的小灯泡，小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示。当开关闭合后，下列说法中正确的是(　　) A．L1中的电流为L2中电流的2倍 B．L3的电阻约为1.875 Ω C．L3的电功率约为0.75 W D．L2和L3的总功率约为3 W 13.[多选]下表列出了某品牌电动自行车及所用电动机的主要技术参数，不计其自身机械损耗。若该车在额定状态下以最大运行速度行驶，则(　　) 自重 40 kg 额定电压 48 V 载重 75 kg 额定电流 12 A 最大行驶速度 20 km/h 额定输出功率 350 W A．电动机的输入功率为576 W B．电动机的内电阻为4 Ω C．该车获得的牵引力为104 N D．该车受到的阻力为63 N 14.(多选)如图所示的甲、乙、丙、丁四种电路中，合上开关S后，滑片P由a向b滑动，则(　　) A．在甲中灯泡L的功率一直变大 B．在乙中灯泡L的功率先变小后变大 C．在丙中灯泡L的功率先变小后变大 D．在乙中灯泡L的功率先变小后变大 【能力培优】 15.（多选）如图所示，用输出电压为1.4 V、输出电流为100 mA的充电器对内阻为2 Ω的镍－氢电池充电．下列说法正确的是(　　) A．电能转化为化学能的功率为0.12 W B．充电器输出的电功率为0.14 W C．充电时，电池消耗的热功率为0.02 W D．充电器把0.14 W的功率储存在电池内 16．（多选）在如图甲所示的电路中，L1、L2、L3为三个相同规格的小灯泡，这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示．当开关S闭合后，电路中的总电流为0.25 A，则此时(　　) A．L1两端的电压为L2两端电压的2倍 B．L1消耗的电功率为0.75 W C．L2的电阻为12 Ω D．L1、L2消耗的电功率的比值大于4∶1 17.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＜I2 B.＞ C.＝ D.＜ ( 8 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$