2020新教材高中物理第十二章电能能量守恒定律1电阻的测量练习含解析 人教版必修第三册

2020新教材高中物理第十二章电能能量守恒定律1电阻的测量练习含解析 人教版必修第三册

电阻的测量 一　电功和电功率 ‎1.电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功,静电力对电荷做功的过程,就是电荷的电势能转化为其他形式的能的过程。‎ ‎2.电功的计算公式:W=UIt=Pt ‎3.电功的单位:在国际单位制中电功的单位是焦耳,常用的单位是度,1度=1千瓦时=3.6×106焦耳。‎ ‎4.额定功率和实际功率:‎ 额定功率:用电器在额定电压下工作的功率。‎ 实际功率:用电器在实际电压下工作的功率。‎ ‎【思考·讨论】‎ 千瓦时是电功的单位还是电功率的单位?电能表是测量电路中消耗的电功率还是电功? (物理观念)‎ 提示:在公式W=Pt中如果电功率的单位是千瓦,时间的单位是小时,则电功的单位是千瓦时,电能表是测量电路中消耗电能的仪器,是计量电路中消耗的电功。‎ ‎【典例示范】‎ A、B、C三个灯泡按如图所示的方式连接时,各自消耗的实际功率相同,则RA∶RB∶RC为 (　　)‎ A.1∶1∶1　　　　　　 B.1∶2∶2‎ C.2∶1∶1 D.1∶4∶4‎ ‎【解题探究】‎ ‎(1)A、B、C三个灯泡是怎样连接的?‎ 提示:B、C两个灯泡并联后与灯泡A串联。‎ ‎(2)通过A、B、C三个灯泡的电流有什么关系?‎ - 10 -‎ 提示:B、C两个灯泡并联,两端的电压相同,即UB=UC,根据题意可知灯泡的实际功率相同,则B、C两灯泡的电阻相同,则通过A的电流是通过B或C电流的2倍,即IA=2IB=2IC。‎ ‎(3)实际功率的计算公式有哪些?‎ 提示:例题中A、B、C三个灯泡为电阻元件,根据P=UI,结合I=可得P=和P=I2R。‎ ‎【解析】选D。B、C两个灯泡并联,UB=UC,B、C两个灯泡消耗的实际功率相同,则由P= ,得RB=RC,IA=2IB=2IC,则由P=I2R,得RA∶RB∶RC =1∶4∶4,故选D。‎ ‎【规律方法】电功率与电阻的关系 ‎(1)在串联电路中电流处处相同,由P=I2R可知,电功率与电阻成正比。‎ ‎(2)在并联电路中电路两端的电压相同,由P=可知电功率与电阻成反比。‎ ‎【母题追问】‎ ‎1.在【典例示范】中如果A、B、C为相同规格的灯泡,则A、B、C实际消耗的功率之比为 (　　)‎ A.1∶1∶1 B.4∶1∶1‎ C.2∶1∶1 D.1∶4∶4‎ ‎【解析】选B。A、B、C三个灯泡规格相同,电阻相同,B、C两个灯泡并联,UB=UC,B、C两个灯泡消耗的实际功率相同,通过A的电流是通过B和C电流之和,即IA=2IB=2IC。则PA∶PB∶PC =4∶1∶1,故选B。‎ ‎2.(多选)如图所示的电路中,L1、L2是两个不同的小灯泡,a、b间有恒定的电压,它们都正常发光,当滑动变阻器的滑片向右滑动时,发生的现象是(　　)‎ A.L1亮度不变,L2变暗 B.L1变暗,L2变亮 C.电路消耗的总功率变小 D.流过滑动变阻器的电流变小 - 10 -‎ ‎【解析】选B、C、D。 变阻器滑片向右滑动时阻值增大,并联部分的电阻变大,分得电压变大,所以L2两端电压增大,L2变亮,L1分得电压变小,L1变暗,A错,B对;因为滑动变阻器电阻变大,总电阻变大,由P=可知,U一定时,P减小,即电路总功率减小,C对;又因为总电阻增大,总电流减小,而L2电压变大,电流变大,所以流过变阻器的电流减小,D正确。‎ ‎【补偿训练】‎ ‎1.(多选)计算居民用电量时,常用的单位是“度”,对此,下列说法中正确的 是 (　　)‎ A.1度等于3.6×103 kW·h B.1度等于3.6×106 J C.“度”是电功率的单位 D.“度”是电功的单位 ‎【解析】选B、D。度是电功的单位,1度=1 kW·h=3.6×106 J,故选B、D。‎ ‎2.改革开放以来,人们的生活水平和生活质量有了较大的改善,电冰箱、空调、电视机等家用电器得到了普遍使用。根据图中铭牌上提供的信息,判断在12小时内正常使用的电冰箱与连续运转的电风扇消耗电能的情况是(　　)‎ A.电冰箱比电风扇消耗电能多 B.电风扇比电冰箱消耗电能多 C.电风扇与电冰箱消耗电能一样多 D.电冰箱比电风扇消耗电能可能多,也可能少 ‎【解析】选B。依据电冰箱铭牌可知,电冰箱在12 h内消耗电能0.25 kW·h,而电风扇在12 h内消耗电能W=Pt=0.78 kW·h,B项正确。‎ - 10 -‎ 二　焦耳定律与热功率 ‎1.电流通过电热水器时电流所做的功全部转化为导体的内能时。Q=W=UIt=I2Rt ‎2.电流通过电热水器时电流的电功率就是电流的发热功率。‎ P热===I2R ‎【思考·讨论】‎ ‎(1)如图所示是电烙铁和电熨斗,为什么这些用电器通电后会发热呢? (科学思维)‎ 提示:在金属导体中,在电场力作用下做加速运动的自由电子频繁地与离子碰撞,把定向移动的动能传给离子,使离子热运动加剧,将电能完全转化为内能。‎ ‎(2)电烙铁通电后,电烙铁的烙铁头热得能把金属熔化,而与电烙铁相连的导线却不怎么热,为什么? (科学思维)‎ 提示:电流通过导体时产生的热量 Q 等于电流I的二次方、导体的电阻 R 和通电时间t三者的乘积,因为烙铁头的电阻大,在通电电流和通电时间相同时,烙铁头产生的热量多,导线的电阻很小,产生的热量少,所以烙铁头的温度高于导线的温度。‎ ‎【典例示范】‎ 电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器,它们一般具有加热和保温功能,其工作原理大致相同。如图所示为某种电热式电器的简化电路图,主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S。当自动开关S闭合和断开时,用电器分别处于什么工作状态? ‎ ‎【解题探究】‎ ‎(1)当开关S闭合或断开时,电路的连接方式是怎样的?‎ 提示:开关S闭合时R2被短路,电路中只有R1;S断开时电阻R1和R2串联。‎ ‎(2)在解答本题时,P=UI、P=I2R和P=三个公式中用哪个最方便?‎ - 10 -‎ 提示:开关断开和闭合时用电器两端的电压不变,用P=最方便。‎ ‎【解析】由于是纯电阻电路,当开关S闭合时,R2被短路,电路中只有R1,此时用电器消耗的电功率为P1=;S断开时,P2=,故S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态。‎ 答案:S闭合时为加热状态　S断开时为保温状态 ‎【母题追问】‎ ‎1.在【典例示范】中用电器由照明电路供电,U=220 V,设加热时用电器的电功率为400 W,保温时用电器的电功率为40 W,则R1和R2分别为多大?‎ ‎【解析】S闭合时,由P1=得 R1== Ω=121 Ω。‎ S断开时,R1和R2串联,‎ 由P2=得 R2=-R1= Ω=1 089 Ω。‎ 答案:121 Ω　1 089 Ω ‎2.如图是常见的LED显示屏。现有一显示屏是由某种型号的LED灯组成的,每只灯在不同电压下发出不同颜色的光,发光时的工作电流均为20 mA,当电压为 ‎1.4 V时发红光;当电压为1.8 V时发黄光;当电压为3.2 V时发蓝光。已知该显示屏面积为3 m2,1 m2灯的数量为1.0×104个,则当整个显示屏所有LED灯都发光时,LED灯的总功率最接近 (　　) ‎ - 10 -‎ A.1.0×102 W　　　　　　 B.1.0×103 W C.1.0×104 W D.1.0×106 W ‎【解析】选B。当LED灯发蓝光时,两端的电压U=3.2 V,通过的电流I=20 mA=‎ ‎0.02 A,则每个LED灯的电功率P=UI=3.2×0.02 W=0.064 W。1 m2灯的数量为1.0×104个,若电压为3.2 V,则总功率:P总=nP=3.0×104×0.064 W=1 920 W,可知在四个选项中,最接近的是B选项。故B正确,A、C、D错误。‎ ‎【补偿训练】‎ ‎1.关于公式①P=UI,②P=I2R,③P=,下列说法正确的是 (　　)‎ A.公式①适用于任何电路的电功率 B.公式②适用于任何电路的电功率 C.公式①、②、③均适用于任何电路的电功率 D.公式①只适用于纯电阻电路的电功率 ‎【解析】选A。P=UI适用于任何电路计算电功率,则A正确,D错误;P=I2R,适用于任何电路计算热功率,但在非纯电阻电路中不能用于计算电功率,则B错误;②、③只适用于纯电阻电路的电功率,则C错误。‎ ‎2.下列四个图像中,最能正确地表示家庭常用的白炽灯泡在不同电压下消耗的电功率P与电压平方U2之间的函数关系的是 (　　)‎ ‎【解析】选C。灯泡消耗的功率P=,随着电压的增大,灯泡消耗的功率增大,温度升高,其电阻R增大,=,则P-U2图像切线的斜率减小,故C正确。‎ 三　纯电阻电路与非纯电阻电路中的能量问题 ‎1.两种电路:‎ - 10 -‎ ‎2.功能关系:‎ 纯电阻电路 非纯电阻电路 ‎【思考·讨论】‎ ‎(1)焦耳定律适用范围是? (科学思维)‎ 提示:焦耳定律适用于纯电阻电路,也适用于非纯电阻电路。‎ ‎(2)电功率和热功率的区别和联系是什么? (科学思维)‎ 提示:①区别:电功率是指某段电路的全部电功率,或这段电路上消耗的全部电功率,决定于这段电路两端电压和通过的电流强度的乘积。热功率是指在这段电路上因发热而消耗的功率。决定于通过这段电路电流强度的平方和这段电路电阻的乘积。‎ ‎②联系:对纯电阻电路,电功率等于热功率;对非纯电阻电路,电功率等于热功率与其他形式的功率之和。‎ ‎【典例示范】‎ 取一个玩具小电机,其内阻R=1.0 Ω,把它接在如图所示的电路中。‎ ‎(1)先夹住电机轴,闭合电键,小电机不转。调整滑动变阻器的阻值,使电压表的示数为0.50 V,记下电流表的示数,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。‎ ‎(2)再松开夹子,使小电机转动,调整滑动变阻器的阻值,使电压表的示数为 ‎2.0 V(此电压为小电机的额定电压),电流表的示数为0.4 A,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。 ‎ - 10 -‎ ‎【审题关键】‎ 序号 信息提取 ‎①‎ 电路的连接,电机与滑动变阻器的连接 ‎②‎ 先夹住电机轴,闭合电键,小电机不转 ‎③‎ 再松开夹子,使小电机转动 ‎【解析】(1)小电机不转时,电机是一个纯电阻元件,‎ 电机的内阻与滑动变阻器串联,U=0.50 V,‎ 由欧姆定律I===0.50 A 则P电=UI=0.50×0.50 W=0.25 W P热=I2R=0.502×1.0 W=0.25 W P电=P热 ‎(2)小电机转动时,‎ 电机是非纯电阻元件,U=2.0 V,I=0.40 A,‎ P电=UI=2.0×0.40 W=0.80 W P热=I2R=0.402×1.0 W=0.16 W P电>P热 答案:(1)0.25 W,0.25 W　电功率等于热功率 ‎(2)0.80 W,0.16 W　电功率大于热功率 ‎【素养训练】‎ ‎1.电动机与电阻R1并联,如图所示,电阻R1=20 Ω,电动机的线圈电阻R2=10 Ω,当开关S断开时,电流表的示数是1.5 A,当开关S闭合后,电动机转动起来,电路两端的电压不变,此时电流表读数为3.5 A,则电动机的热功率是(　　)‎ A.40 W B.4 W C.90 W D.9 W - 10 -‎ ‎【解析】选A。开关断开时,由欧姆定律可知,电压U=IR1=1.5×20 V=30 V,当开关闭合时,流过R1的电流不变,则由并联电路分流原理可知,流过电动机的电流IM=3.5 A-1.5 A=2 A,则电动机的热功率PQ=R2=22×10 W=40 W,故A正确,B、C、D错误。‎ ‎2.一台电风扇,内阻为20 Ω,接上220 V电压后,消耗功率 66 W,问:‎ ‎(1)电风扇正常工作时通过电动机的电流是多少?‎ ‎(2)电风扇正常工作时转化为内能的功率是多少?转化为机械能的功率是多少?电动机的效率是多少?‎ ‎【解析】(1)由P=UI可得电流I== A=0.3 A;‎ ‎(2)线圈电阻发热功率PQ=I2r=1.8 W;‎ 机械功率P机=P-PQ=64.2 W;‎ 电动机的效率η==97.3%‎ 答案:(1)0.3 A　(2)1.8 W　64.2 W　97.3%‎ ‎【补偿训练】‎ ‎1.如图所示电路,电动机M转动起来后,将滑动变阻器的滑动触头向左移动时,电动机中产生的电热Q随电压表测得的电压U和电流表测得的电流I而变化的情况是(电动机线圈的电阻可以认为是不变的) (　　)‎ A.Q跟电流I的平方成正比 B.Q跟电压U的平方成正比 C.Q跟电压U与电流I的乘积成正比 D.Q跟电压U与电流I的比值成正比 ‎【解析】选A。根据焦耳定律,电流通过用电器产生的热量Q=I2‎ - 10 -‎ Rt,其中I是电路中的电流,R是用电器的电阻,A正确;在纯电阻电路中,用电器只发光发热,电流做功把所有的电能都转化为内能,所以Q=W=UIt,即Q与电压U和电流I的乘积成正比,但电动机M在电路中除把部分电能转化为内能Q外,还把部分的电能转化成机械能,此时W>Q,所以C不正确;同样,只有在纯电阻电路中,欧姆定律I=才成立,所以Q=I2Rt=t,即热量Q与电压的平方成正比,在电动机电路中,欧姆定律不成立,也就不能得出这个结论了,B不正确;由于在电动机电路中欧姆定律I=不成立,R≠,D不正确。‎ ‎2.有三个用电器,分别为日光灯、电烙铁和电风扇,它们的额定电压和额定功率均为“220 V 60 W”,现让它们在额定电压下工作相同时间,产生的热量(　　)‎ A.日光灯最多　　　 　 B.电烙铁最多 C.电风扇最多 D.一样多 ‎【解析】选B。电风扇、电烙铁和日光灯额定电压、额定功率相同,相同时间内消耗的电能相等,而电风扇消耗的电能大部分转化为机械能,日光灯消耗的电能大部分转化为光能,电烙铁消耗的电能全部转化为内能,所以产生的热量电烙铁最多,故B正确,A、C、D错误。‎ - 10 -‎