内容正文:
考点梳理 夯实基础
典例精讲 突破核心
第二部分 电学
第17课时 电能 电功 电功率
课堂检测 反馈提升
考点一
电能表
消耗的电能
作用 测量用电器在一段时间内
参数 220 V 在220 V的电路中使用
10(20) A 10 A表示 ,
20 A表示
2500 r/(kW·h)
读数 示数框最后一位为小数
该电能表的标定电流是10 A
该电能表的额定最大电流是20 A
接在这个电能表上的用电器每消耗
1 kW·h的电能,电能表上的转盘转过2500转
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2
(续表)
测量
差
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跟踪训练1 (2024长沙一模)如图17-1所示是小雨家的电能表,只打开家里的所有日光灯,1 h后,电能表的读数变成了619.9 kW·h,则此过程电流做的功为 kW·h。然后,将家里的所有日光灯换成亮度相同的LED灯,只打开所有的灯,观察到电能表的脉冲灯在5 min闪了40次,此过程消耗的电能为 kW·h。
图17-1
0.4
0.025
[解析]电能表的示数为619.5 kW·h,电流做的功为W=619.9 kW·h-619.5 kW·h=0.4 kW·h,电能表的脉冲灯闪了40次消耗的电能为W'==
0.025 kW·h。
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物理量 电能(电功)W 电功率P
含义 电流做功的过程,即电能转化为其他形式能的过程 电流在单位时间内所做的功,表示电流做功的
单位 单位: ;
常用单位:千瓦时(kW·h),俗称度,
1度=1 kW·h= J 单位: ;
常用单位:千瓦(kW);1 kW=
W
考点二
电能和电功率
快慢
焦耳(J)
3.6×106
瓦(W)
1000
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(续表)
物理量 电能(电功)W 电功率P
公式 ①W= (定义式);
②W= (适用所有电路);
③纯电阻电路(结合欧姆定律可推导):
W= ,W= ①P= (定义式);
②P= (测电功率原理);
③纯电阻电路(结合欧姆定律可推导):
P= ,P=
比例
关系
UIt
Pt
I2Rt
UI
I2R
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跟踪训练2 (2024凉山州)小灯泡上标有“6 V 3 W”的字样,则小灯泡正常发光时的电阻为 Ω。若将小灯泡接在电源电压为9 V的电路中,要使小灯泡正常发光,需要串联一个阻值为 Ω的定值电阻。
12
6
[解析]小灯泡正常发光时的电阻:RL==12 Ω;将小灯泡接在电源电压为9 V的电路中,要使小灯泡正常发光,则电路中电流为I==0.5 A,需要串联电阻的阻值为R==6 Ω。
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跟踪训练3 (2024长沙一模)如图17-2所示的电路中,电源电压为8 V,灯泡L上标有“3 V 0.6 W”的字样,闭合开关S,灯泡恰好正常发光,求:
(1)通过灯泡L的电流。
(2)电阻R的阻值。
(3)整个电路工作5 min消耗的电能。
图17-2
解:(1)因灯泡L恰好正常发光,由P=UI可知,通过灯泡L的电流:
IL==0.2 A。
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跟踪训练3 (2024长沙一模)如图17-2所示的电路中,电源电压为8 V,灯泡L上标有“3 V 0.6 W”的字样,闭合开关S,灯泡恰好正常发光,求:
(2)电阻R的阻值。
(3)整个电路工作5 min消耗的电能。
图17-2
(2)电阻R与灯泡串联,根据串联电路电压的规律可知,
电阻R两端的电压:UR=U-UL=8 V-3 V=5 V,
串联电路中电流处处相等,即IR=IL=0.2 A,电阻R的阻值:
R==25 Ω。
(3)整个电路工作5 min消耗的电能:
W=UIt=8 V×0.2 A×5×60 s=480 J。
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跟踪训练4 (2024长沙模拟)如图17-3所示电路,电源电压恒定,R1=20 Ω, R2=10 Ω,闭合开关S,电流表A1的示数为0.3 A。求:
(1)电源电压U。
(2)流过R2的电流I2。
(3)电路的总功率P。
图17-3
解:(1)闭合开关S,两电阻并联,电流表A测干路电流,电流表A1测量通过定值电阻R1的电流。由欧姆定律和并联电路电压的规律知,电源电压:
U=I1R1=0.3 A×20 Ω=6 V。
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跟踪训练4 (2024长沙模拟)如图17-3所示电路,电源电压恒定,R1=20 Ω, R2=10 Ω,闭合开关S,电流表A1的示数为0.3 A。求:
(2)流过R2的电流I2。
(3)电路的总功率P。
图17-3
(2)因为并联电路各支路两端电压相等,即U2=U=6 V,
则流过R2的电流:I2==0.6 A。
(3)由并联电路电流的规律知,干路电流:
I=I1+I2=0.3 A+0.6 A=0.9 A,
电路的总功率:P=UI=6 V×0.9 A=5.4 W。
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例 1 (2024怀化一模)小明家电能表如图17-4所示,已知他家中所有家用电器正常工作时的总功率为2200 W。市面上常见的空气开关规格有10 A、20 A、30 A,小明家应该选择 A的空气开关。小明将一个“220 V 1210 W”的电热水器接入电路,关闭其他用电器,只让该热水器工作,发现电能表上的转盘3 min内转了150转,此时他家的实
际电压为 V。
核心点一
电能表的相关计算
图17-4
10
200
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12
例 2 为了预防厨房天然气泄漏,大家都自觉安装了天然气泄漏报警装置,如图17-5所示是它部分电路的原理图,电源电压不变,R0为定值电阻,R是一个气敏电阻,其阻值会随天然气浓度的升高而变小,闭合开关S,若厨房出现天然气泄漏浓度升高,则下列判断正确的是 ( )
A.气敏电阻R的阻值变大
B.电压表的示数变小
C.通过电阻R0的电流变小
D.整个电路消耗的总功率变小
核心点二
动态电路中的电能、电功率变化问题
图17-5
B
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[解析]由电路图可知,定值电阻R0和气敏电阻R串联,电压表测R两端的电压。因气敏电阻R的阻值会随天然气浓度的升高而变小,所以,当厨房天然气浓度升高时,气敏电阻R的阻值变小,电路的总电阻变小,故A错误;R阻值变小,总电阻变小,由I=可知,电路中的电流变大,即通过电阻R0的电流变大,根据U=IR可知,R0两端的电压变大,根据串联电路的电压关系可知,R两端的电压变小,即电压表的示数变小,故B正确、C错误;电源电压不变,根据P=UI可知,电路消耗的总功率变大,故D错误。
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例 3 (2024长沙一模)(双选)如图17-6所示,电源电压保持不变。闭合开关S,滑动变阻器的滑片P由图示位置向右滑动时,下列说法正确的是( )
A.小灯泡L与滑动变阻器R串联
B.电压表V示数变大
C.电流表A1和A2示数都变小
D.小灯泡L亮度不变
图17-6
CD
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[解析]由图示电路图可知,灯泡L和滑动变阻器并联,电压表测电源电压,电流表A1测通过R的电流,电流表A2测干路电流,故A错误;电压表始终测量电源电压,电源电压保持不变,所以电压表示数不变,故B错误;滑片向右移动过程,滑动变阻器接入电路的阻值变大,电源电压不变,通过滑动变阻器的电流变小,电流表A1示数变小,根据并联电路互不影响,通过灯泡L的电流不变,小灯泡L亮度不变,由并联电路电流的规律知干路的电流变小,电流表A2示数变小,故C、D正确。
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例 4 电路图类 (2024邵阳模拟)如图17-7所示的电路,电源电压恒为6 V,电阻R1的阻值为3 Ω,滑动变阻器允许通过的最大电流为2 A,电流表量程为0~3 A。将滑动变阻器滑片移动到最右端,闭合开关S,电流表示数为2.5 A。求:
(1)通过R1的电流。
(2)滑动变阻器R2的最大阻值。
(3)在安全范围内,滑动变阻器R2在10 s内消耗的最大电能。
核心点三
电功、电功率的相关计算
图17-7
解:由电路图知两电阻并联,电流表测量干路中的电流。
(1)通过R1的电流:I1==2 A。
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例 4 电路图类 (2024邵阳模拟)如图17-7所示的电路,电源电压恒为6 V,电阻R1的阻值为3 Ω,滑动变阻器允许通过的最大电流为2 A,电流表量程为0~3 A。将滑动变阻器滑片移动到最右端,闭合开关S,电流表示数为2.5 A。求:
(2)滑动变阻器R2的最大阻值。
图17-7
(2)将滑动变阻器滑片移动到最右端,滑动变阻器接入电路的电阻最大,此时通过R2的电流:
I2=I-I1=2.5 A-2 A=0.5 A,
滑动变阻器R2的最大阻值:R2==12 Ω。
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例 4 电路图类 (2024邵阳模拟)如图17-7所示的电路,电源电压恒为6 V,电阻R1的阻值为3 Ω,滑动变阻器允许通过的最大电流为2 A,电流表量程为0~3 A。将滑动变阻器滑片移动到最右端,闭合开关S,电流表示数为2.5 A。求:
(3)在安全范围内,滑动变阻器R2在10 s内消耗的最大
电能。
图17-7
(3)由于电流表的量程为0~3 A,通过滑动变阻器的电流最大为=I大-I1=3 A-2 A=1 A,
在安全范围内,滑动变阻器R2在10 s内消耗的最大电能:W=Ut=6 V×1 A×10 s=60 J。
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例 5 图像类 (2024广安)如图17-8甲所示电路,电源电压恒定不变,电流表量程是0~0.6 A,电压表量程是0~3 V。闭合开关S,在滑动变阻器R的滑片从最右端向左滑到a点的过程中,滑动变阻器R和灯泡L的U-I图像如图乙所示,当滑片在a点时灯泡L恰好正常发光。下列说法正确的是 ( )
A.电源电压为4 V
B.灯泡L正常发光时的电阻为6 Ω
C.电路中允许的最大功率为2.25 W
D.电压表测量的是滑动变阻器R两端的电压
图17-8
C
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[解析]由电路图可知,L与R串联,电流表测电路中电流,电压表测灯泡两端电压。当滑动变阻器R的滑片从最右端向左滑到a点的过程中,滑动变阻器接入电路的阻值减小,电路中总电阻减小,由欧姆定律可知,电路中电流增大,则灯泡两端电压增大,由串联电路电压特点可知,滑动变阻器两端电压减小,因此上半部分图像是R的U-I图像,下半部分图像是L的U-I图像。当滑片在a点时灯泡L恰好正常发光,则由图乙可知此时IL=0.5 A,UL=1.5 V,UR=3 V;由串联电路电压特点可知,电源电压U=UR+UL=3 V+1.5 V=4.5 V;灯泡L正常发光时的电阻为RL==3 Ω。因灯泡正常发光时的电流为0.5 A,因此电路中允许的最大功率为P大=UIL=4.5 V×0.5 A=2.25 W。
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例 6 比值类 (2024枣庄)如图17-9所示,电源电压保持不变,R2=2R1,滑动变阻器标有“20 Ω 1 A”字样,闭合S1,断开S2,滑动变阻器的滑片P位于最右端时,电压表的示数为3 V,电路的总功率为P1;当闭合S2,断开S1,滑动变阻器的滑片P移至中点时,电压表示数为1.2 V,电路的总功率为P2,下列说法正确的是 ( )
A.P1∶P2=4∶5
B.电源电压为12 V
C.R1的阻值为40 Ω
D.电路的最大功率为2.7 W
图17-9
D
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[解析]闭合S1,断开S2,滑动变阻器的滑片位于最右端时,R1与R串联,电压表的示数为3 V,此时电路中的电流为I1==0.15 A;当闭合S2,断开S1,滑动变阻器的滑片移至中点时,R2与R串联,电压表示数为1.2 V,此时电路中的电流为I2==0.12 A,则P1∶P2=UI1∶UI2=I1∶I2=0.15 A∶0.12 A= 5∶4,A错误。由题意得U=I1R1+3 V=0.15R1+3 V;U=I2R2+1.2 V= 0.12R2+1.2 V。R2=2R1,解得U=6 V,R1=20 Ω,R2=40 Ω,B和C均错误。
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当闭合S1、S2,滑动变阻器的滑片位于最左端时,滑动变阻器接入电路的阻值为0,电阻R1与R2并联,电路的总电阻最小,总电流最大,电路的总功率最大,此时通过R1的电流为I1'==0.3 A,通过R2的电流为I2'== 0.15 A,电路中的总电流为I=I1'+I2'=0.3 A+0.15 A=0.45 A,电路的最大功率为P=UI=6 V×0.45 A=2.7 W,D正确。
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例 7 实际应用类 (2024湖南联考)学校利用过氧乙酸气体对办公室、教室等进行熏蒸消毒。某兴趣小组设计了一个简易检测仪,检测教室空气中过氧乙酸气体的浓度,其电路原理如图17-10甲所示。电源电压恒为
12 V,R0为定值电阻,过氧乙酸气体传感器Rt的阻值随过氧乙酸气体浓度ρ的变化关系如图乙所示,已知R0=20 Ω。
图17-10
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(1)未消毒时(即过氧乙酸气体的浓度为0),电压表示数为多少?
(2)当整个电路的电功率为3.6 W时,求此时Rt的阻值。
(3)某次消毒后对过氧乙酸气体的浓度进行检测时,电压表示数为8 V,请通过
计算判断该次消毒为不合格、合格还是超标。(消毒标准如下:当ρ<
0.15 g/m3时为不合格;当0.15 g/m3≤ρ<0.3 g/m3时为合格;当ρ≥0.3 g/m3时为超标)
图17-10
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解:(1)闭合开关,R0、Rt串联,电压表测量R0两端的电压。
当教室内空气没有消毒(即过氧乙酸气体的浓度为0)时,过氧乙酸气体传感器Rt的阻值为60 Ω,电路的总电阻R=R0+Rt=20 Ω+60 Ω=80 Ω,
电路中的电流为I==0.15 A,电压表的示数为U0=IR0=0.15 A×20 Ω =3 V。
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例 7 实际应用类 (2024湖南联考)学校利用过氧乙酸气体对办公室、教室等进行熏蒸消毒。某兴趣小组设计了一个简易检测仪,检测教室空气中过氧乙酸气体的浓度,其电路原理如图17-10甲所示。电源电压恒为
12 V,R0为定值电阻,过氧乙酸气体传感器Rt的阻值随过氧乙酸气体浓度ρ的变化关系如图乙所示,已知R0=20 Ω。
(2)当整个电路的电功率为3.6 W时,求此时Rt的阻值。
图17-10
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(2)当整个电路的电功率为3.6 W时,根据P=UI知,电路中电流为I'== 0.3 A,
电路的总电阻为R'==40 Ω,Rt的阻值为Rt'=R'-R0=40 Ω-20 Ω=
20 Ω。
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例 7 实际应用类 (2024湖南联考)学校利用过氧乙酸气体对办公室、教室等进行熏蒸消毒。某兴趣小组设计了一个简易检测仪,检测教室空气中过氧乙酸气体的浓度,其电路原理如图17-10甲所示。电源电压恒为
12 V,R0为定值电阻,过氧乙酸气体传感器Rt的阻值随过氧乙酸气体浓度ρ的变化关系如图乙所示,已知R0=20 Ω。
图17-10
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(3)某次消毒后对过氧乙酸气体的浓度进行检测时,电压表示数为8 V,请通过
计算判断该次消毒为不合格、合格还是超标。(消毒标准如下:当ρ<
0.15 g/m3时为不合格;当0.15 g/m3≤ρ<0.3 g/m3时为合格;当ρ≥0.3 g/m3时为超标)
图17-10
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(3)电压表的示数为8 V,根据欧姆定律可知电路中的电流I″==0.4 A,
根据串联电路的电压特点可知Rt两端的电压为Ut=U-U0'=12 V-8 V=4 V,
过氧乙酸气体传感器Rt的阻值为Rt″==10 Ω,
从图乙可知过氧乙酸气体浓度为0.3 g/m3,则该次消毒超标。
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例 8 (2024怀化一模)实验小组的小亮在做“测量小灯泡电功率”的实验。所用器材如下:两节新干电池,标有“2.5 V”字样相同规格的小灯泡若干,两个滑动变阻器R1“10 Ω 1 A”,R2“20 Ω 2 A”,开关、导线若干。
(1)小亮连接电路过程中有一处错误,请在图17-11甲中只改动一根导线,使电路连接正确。(在应改动的导线上打“×”,
用笔画线代替导线画出正确的接法)
图17-11
如图所示
核心点四
测量小灯泡的电功率
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(2)将电路连接正确后,小亮不慎将灯丝断了的小灯泡接入了电路中,闭合开关,电压表的示数情况是 ,电流表的示数情况是 。(均选填“示数为零”或“有较大示数”)
图17-11
有较大示数
示数为零
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(3)更换灯泡后,小亮为探究小灯泡两端电压变化时电功率的变化情况,于是移动滑片P,依次测得3组数据,将电压表和电流表示数记录如表所示,其中第1次实验时电流表表盘如图乙所示,此时电路中的电流为 A。
(4)小灯泡正常发光时的电功率为 W。
图17-11
实验次数 电压/V 电流/A 电功率/W 灯泡亮度
1 1 较暗
2 2.5 0.28 正常发光
3 2.8 0.29 较亮
0.2
0.7
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【拓展】小亮发现电压为1 V时,测得的实际功率并不等于其额定功率的0.16。请你帮他分析出现这种现象的主要原因是
。
图17-11
小灯泡灯丝的电阻随温度
的降低而减小
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D
1.(2024广元)如图17-12所示是小英家的电能表表盘示意图,她断开其他用电器,只将电饭煲单独接入电路中正常工作1 min,发现电能表转盘转过10 r。下列说法正确的是 ( )
A.电能表是测量电流的仪表
B.电能表允许通过的最大电流是10 A
C.电能表表盘示数为10226 kW·h
D.电饭煲正常工作10 min,消耗电能6×105 J
图17-12
[解析]电能表是测量电功的仪表,A错误;电能表允许通过的最大电流是20 A,B错误;电能表表盘示数为1022.6 kW·h,C错误;电饭煲正常工作10 min,消耗的电能:W=10××3.6×106 J=6×105 J,D正确。
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37
2.(2024长沙模拟)如图17-13所示是小柯连接的电路,开关闭合后,发现灯L2比L1亮,关于该电路分析正确的是 ( )
A.L2的实际功率比L1的实际功率小
B.通过L2的电流比L1的电流大
C.L2两端电压比L1两端电压小
D.L2的电阻比L1的电阻大
图17-13
D
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[解析]由图可知,两个灯泡串联,串联电路中电流处处相等,所以通过两灯的电流相等;灯泡的亮度由灯泡的实际功率决定,L2比L1亮,所以L2的实际功率比L1的实际功率大,故A、B错误。通过两灯的电流相等,且L2的实际功率比L1的实际功率大,由P=I2R可知,L2的电阻比L1的电阻大;由U=IR知,L2两端电压比L1两端电压大,故C错误,D正确。
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3.(2024长沙三模)如图17-14所示电路,闭合开关后,将滑动变阻器的滑片从最右端向左移动一小段距离的过程中( )
A.电流表示数变小
B.电压表示数变小
C.灯泡的功率变大
D.电路总功率变大
图17-14
D
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[解析]分析电路图可知该电路为并联电路,电压表测量电源的电压,电流表测量干路中的电流,由于电源电压不变,移动滑片时,电压表示数不变,故B错误;并联电路各支路互不影响,移动滑片时,通过灯泡的电流不变,灯泡的功率不变,灯泡的亮度不变,故C错误;闭合开关,当滑动变阻器滑片向左滑动时,变阻器接入电路的阻值变小,根据欧姆定律可知,通过滑动变阻器的电流变大,根据并联电路的电流规律可知,干路中的电流变大,电流表示数变大,故A错误;电源电压不变,根据P=UI可知,电路消耗的总功率变大,故D正确。
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4.(2024岳阳模拟)如图17-15所示电路,电源电压和定值电阻R0保持不变,闭合开关S,调节电阻箱R的阻值,当R=6 Ω时,电流表示数为0.25 A;当R=9 Ω时,电流表示数为0.2 A。则R0= Ω;当电路中电流为0.4 A时,R和R0的功率之比为 。
图17-15
6
1∶4
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[解析]当R=6 Ω,I=0.25 A时,则电源电压U=I(R+R0)=0.25 A×(6 Ω+R0)①,当R'=9 Ω,I'=0.2 A时,则电源电压U=I'(R'+R0)=0.2 A×(9 Ω+R0)②,解①②得:R0=6 Ω,U=3 V。当电路中的电流I″=0.4 A时,根据欧姆定律可知,电路中的总电阻R总==7.5 Ω,所以此时电阻箱的电阻R″=R总-R0=7.5 Ω-
6 Ω=1.5 Ω,根据公式P=I2R可知,电流相等时,功率与电阻成正比,所以R和R0的功率之比P∶P0=R″∶R0=1.5 Ω∶6 Ω=1∶4。
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5.(2024湖南联考)如图17-16甲所示电路,电源电压恒为3 V,闭合开关S时,两个电流表的示数分别如图乙、丙所示,则通过灯L2的电流为 A;灯L1两端的电压为 V,此时灯L1正常发光,则其额定功率是 W。
图17-16
0.6
3
1.2
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[解析]由图可知,灯L1、L2并联,电流表A1测干路电流,电流表A2测通过L1的电流;并联电路中干路电流等于各支路电流之和,由指针位置可得,电流表A1所选量程为0~3 A,干路电流I=1 A,电流表A2所选量程为0~0.6 A,通过灯L1的电流I1=0.4 A,则通过灯L2的电流I2=I-I1=1 A-0.4 A=0.6 A。根据并联电路的电压特点,灯L1两端的电压等于电源电压,即U=3 V。灯L1正常发光,则其额定功率是P1=UI1=3 V×0.4 A=1.2 W。
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6.(2024长沙一模)小亚用如图17-17甲所示的电路测量小灯泡的电功率,所用器材有:电压恒为6 V的电源、额定电压为2.5 V的小灯泡(正常工作时的电阻约为10 Ω)、滑动变阻器R1(10 Ω 2 A)、滑动变阻器R2(100 Ω 2 A)、电压表、电流表、开关和导线若干。
(1)闭合开关S后,小亚发现小灯泡不发光,电流表无示数,电压表有示数,则故障原因可能是: 。
(2)排除故障后,调节滑动变阻器
的滑片P,使电压表示数为2.5 V,
电流表示数如图乙所示,则小灯
泡的额定功率为 W。
图17-17
小灯泡断路
0.6
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(3)小灯泡正常工作时的电阻为 Ω。(结果保留一位小数)
(4)实验中,小亚选用了滑动变阻器R2来进行实验,但他发现这样做不便于精确调节电压(电流)。为了既能完成实验,又便于调节,可以采取的最合理的办法是: 。
图17-17
10.4
再将R1串联到电路中,R2起粗调作用,R1起细调作用
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$$