物理必修 第三册1 电路中的能量转化导学案

第十二章　电能　能量守恒定律

1　电路中的能量转化

基础过关练

题组一　电功和电功率

1.(2023浙江宁波北仑中学期中)如图所示,某扫地机器人电池容量为2 000 mA·h,额定工作电压为15 V,额定功率为30 W,则下列说法正确的是              (　　)

A.该扫地机器人正常工作时的电流是2 A

B.该扫地机器人的电阻是7.5 Ω

C.题中mA·h是能量的单位

D.该扫地机器人充满电后能够正常工作的时间为4 h

2.(2023北京一零一中学期中)电饭锅工作时有两种状态:一种是锅内的水烧干以前的加热状态,另一种是水烧干以后的保温状态。如图所示是电饭锅的电路图,R1是电阻,R2是加热用的电热丝,S是自动开关,下列说法正确的是              (　　)

A.开关S接通时,电饭锅处于保温状态

B.开关S接通时,电饭锅处于加热状态

C.当R1∶R2=1∶1时,R2在保温状态下的功率是加热状态下功率的一半

D.当R1∶R2=1∶1时,R2在保温状态下的功率是加热状态下功率的四分之一

3.A、B两灯的额定电压都是110 V,A灯的额定功率PA=100 W,B灯的额定功率PB=40 W,若将两灯同时接入电压恒为220 V的电路上,且使两灯均能正常发光,同学们设计了如图所示的甲、乙两种电路,则甲、乙两电路消耗的电功率之比为              (　　)

A.2∶7　　　B.2∶5　　　C.5∶7　　　D.3∶7

4.(2023湖南衡阳月考)四盏灯连接如图所示,灯L1、L2上标有“110 V、100 W”,灯L3、L4上标有“110 V、40 W”,当在A、B两点加上220 V电压时,最暗和最亮的灯泡分别是              (　　)

A.L1和L2　　　B.L3和L4

C.L1和L3　　　D.L2和L4

题组二　焦耳定律

5.(2023湖北十堰月考)某一电阻值可变的用电器,当电阻为R时,通过的电流为I,在时间t内产生的热量为Q;若将电阻调为2R,电流变为I,则在时间t内产生的热量为              (　　)

A.Q

6.(2023江西临川一中期中)如图甲所示,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,现将三段导体按图乙所示方式接入电路中,则闭合开关后              (　　)

A.导体A、B、C的电阻之比为3∶2∶1

B.导体A、B、C两端的电压之比为1∶2∶3

C.流过导体A、C的电流之比为1∶1

D.导体A、B、C在相等时间内产生的热量之比为1∶1∶4

题组三　电路中的能量转化

7.(2023江苏南京金陵中学期中)内阻为r的电动机与阻值为R的电阻串联在电路中,电动机正常工作,此时电动机两端的电压与电阻两端电压均为U,电路中的电流为I,电动机消耗的电功率为PM,电路的总功率为P总。则              (　　)

A.PM=I2r　　　B.PM=

C.P总=+I2R

8.(2022北京海淀期中)现有一台排风扇,如图所示,排风扇电动机的线圈电阻为 0.2 Ω,当它两端电压为110 V时,通过的电流为5 A。则这台排风扇              (　　)

A.每分钟消耗的电能是33 000 J

B.每分钟产生的热量为300 J

C.输出功率是545 W

D.工作效率是82.5%

9.(2023山东师范大学附中期中)如图所示,将一盏标有“40 V、20 W”的灯泡和一电阻为4.4 Ω的电解槽串联后,接在电压为80 V的直流电路两端,灯泡正常发光,则              (　　)

A.电路消耗的总功率为20 W

B.电解槽消耗的电功率为20 W

C.电解槽的发热功率为20 W

D.电解槽的输出功率为20 W

10.(2023浙江台州山海协作体联考)如图所示的电路中,电源电压U恒为36 V,闭合开关S,调节滑动变阻器R,当电动机停止转动时,理想电流表和理想电压表的示数分别为0.5 A和34 V。重新调节R使电动机恢复正常运转,此时电流表和电压表的示数分别为2.0 A和12 V。则下列说法正确的是              (　　)

A.电动机的线圈电阻为4 Ω

B.电动机的线圈电阻为68 Ω

C.电动机正常运转时发热功率为16 W

D.电动机正常运转时的输出功率为32 W

11.(2023福建厦门外国语学校月考)某款机器人为数十家医院提供配送服务,该机器人正常工作时电源输出电压为30 V,输出电流为5 A,整机质量为30 kg。在某次配送服务时承载药品质量为20 kg,匀速行驶速度为1.2 m/s,在行驶过程中受到的阻力大小为总重力的0.2倍,重力加速度g取10 m/s2。不计其他能量损耗,则:

(1)该机器人正常工作时电源的输出功率多大?

(2)该机器人匀速行驶时的机械功率多大?

(3)该机器人内部电阻多大?

答案与分层梯度式解析

第十二章　电能　能量守恒定律

1　电路中的能量转化

基础过关练

1.A　扫地机器人正常工作时的电流为I= A=2 A,故A正确;根据题意可知扫地机器人是非纯电阻用电器,无法计算扫地机器人的电阻,故B错误;题中mA·h是电荷量的单位,故C错误;2 000 mA·h=2 A·h,扫地机器人充满电后能够正常工作的时间为t= h=1 h,故D错误。

2.BD　根据电路图可知,开关闭合时,R1被短路,只有R2接入电路,开关断开时,两电阻串联,由P=可知,开关接通时电饭锅处于加热状态,A错误,B正确;当R1∶R2=1∶1时,保温时的电流是加热时的一半,由P=I2R2可知,R2在保温状态下的功率为加热状态下功率的四分之一,C错误,D正确。

3.C　A灯的额定电流为IA= A,B灯的额定电流为IB= A,甲电路的功率为P甲=IAU=200 W,乙电路的功率为P乙=(IA+IB)U=280 W,甲、乙两电路消耗的电功率之比P甲∶P乙=5∶7,故C正确。

4.B　根据P=可得R1=R2<R3=R4;题图所示电路中,L2、L3并联后与L1、L4串联,根据串、并联电路的特点可得I3<I2<I1=I4;根据P=I2R可得P4>P1,P1>P2;根据P=可得P2>P3,所以P4>P1>P2>P3,最暗的是L3,最亮的是L4,B正确。

5.B　根据焦耳定律,当电流为I时,有Q=I2Rt,当电流为I时,有Q1=Q,B正确。

6.D　根据题意可得,导体A的横截面积为SA==L2,导体B的横截面积为SB=-L2=L2,导体C的横截面积为SC=L2,故A、B、C的横截面积相等,由R=ρ可知A、B、C的电阻相等。由串、并联电路的特点和欧姆定律可知,导体A、B、C两端的电压之比为1∶1∶2,流过导体A、B、C的电流之比为1∶1∶2,由Q=I2Rt可知,导体A、B、C在相等时间内产生的热量之比为1∶1∶4,故A、B、C错误,D正确。

7.B　电动机消耗的功率为PM=UI,又I=,联立得PM=,A错误,B正确;电路的总功率为P总=PR+PM,又PR=UI==I2R,PM=UI=,则P总=UI+,C、D错误。

易错警示　本题中电动机为非纯电阻用电器,欧姆定律不适用,即I≠,PM≠≠I2r。I2r是电动机的热功率,PM等于电动机的输出功率与热功率之和。

8.ABC　排风扇的电功率P=UI=110×5 W=550 W,每分钟消耗的电能E=Pt=550×60 J=33 000 J,选项A正确;每分钟产生的热量为Q=I2rt=52×0.2×60 J=300 J,选项B正确;排风扇的输出功率P出=UI-I2r=545 W,选项C正确;排风扇的工作效率是η=×100%=99%,选项D错误。

9.B　灯泡正常发光,流过电路的电流大小为I==0.5 A。电路消耗的总功率P总=80×0.5 W=40 W,A错误;电解槽两端的电压为U1=80 V-40 V=40 V,电解槽消耗的电功率P1=U1I=40×0.5 W=20 W,B正确;电解槽的发热功率为P1'=I2r=0.5×0.5×4.4 W=1.1 W,C错误;电解槽的输出功率P输=P1-P1'=20 W-1.1 W=18.9 W,D错误。

易错警示　求电功、电热需要注意:

(1)所求的电路中是否含有非纯电阻用电器。

(2)若电路是纯电阻电路,如白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅、电烙铁等构成的电路,电流做功全部转化为内能,电功等于电热,即W=Q或IUt=I2Rt,在计算电热和电功时,可采用公式W=Q=UIt=Pt=I2Rt=t中任一形式进行计算。

(3)若电路是非纯电阻电路,如电路中含有电动机、电解槽、日光灯等,或给蓄电池充电的电路,电流做功除转化为内能外,还转化为机械能、化学能等,此时有W>Q,即IUt>I2Rt,此种情况下,电功只能用公式W=IUt进行计算,电热只能用公式Q=I2Rt计算。

10.ACD　电动机的线圈电阻为r= Ω=4 Ω,A正确,B错误;电动机正常运转时的发热功率为P热=r=22×4 W=16 W,输入功率为P入=(U-U2)I2=(36-12)×2 W=48 W,故输出功率为P出=P入-P热=32 W,C、D正确。

11.答案　(1)150 W　(2)120 W　(3)1.2 Ω

解析　(1)该机器人正常工作时电源的输出功率为

P=UI=30×5 W=150 W

(2)该机器人匀速行驶时受到的阻力大小为

f=0.2(M+m)g=0.2×(30+20)×10 N=100 N

其机械功率为P机=Fv=fv=100×1.2 W=120 W

(3)该机器人内部电阻的热功率为

P热=P-P机=150 W-120 W=30 W

又P热=I2r

可得该机器人内部电阻为r= Ω=1.2 Ω