人教版高中物理选修3-1《焦耳定律》导学案

2.5 焦耳定律
【考点一】电功
公式推导：
某段电路的总电荷量q=It
静电力做功W=qU
∴电流做功W=UIt
(1)实质：电流做功实质上是对电荷做功的过程，也就是导体中的对自由电荷做功的过程。

(2)公式：．
(3)适用范围：普遍适用（一切电路）
(4)物理意义：电流做功的过程就是转化为其他形式的能量的过程。

电流做功在数值上等于电能转化为其他形式能量的数量，电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。

【考点二】电功率（重、难点）
(1)定义：在一段电路中，电流所做的功W与所用时间t的，用P表示。

（定义法）
(2)物理意义：表示电流做功的。

(3)公式：（式）单位：瓦特（W）
→P与W成正比，P与t成反比
→电功率在数值上等于电流所做的功
→推论：．
(4)适用范围：普遍适用（一切电路）
(5)两个功率
①额定功率：用电器长时间正常工作时的功率。

②实际功率：用电器实际工作时所消耗的功率。

(6)重要推论：，即无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和。

【考点三】焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量跟电流的成，跟导体的电阻及通电时间成。

(2)公式：．
→是焦耳通过实验发现的规律，属于实验定律
→推论：①(纯电阻电路)，②(纯电阻电路)
(3)适用范围：普遍适用（一切电路）
(4)物理意义：表明通过导体的电流具有。

【考点四】热功率（重点）
(1)意义：单位时间内所散发出的热量。

(2)公式：．
【考点五】电动机M（拓展，难点）
(1)概念：电动机是一种用电器，可以把电能转化为和。

(2)模型：在电路计算中，常把电动机等效为阻值等于其内阻的电阻r和无电阻的转动线圈串联而成，电流通过r时把电能转化为，而线圈把电能转化为。

(3)几个功率
①电动机消耗的总功率（电动机的输入功率）：．
②电动机的热功率：（热功率总是跟电阻有关）
③电动机的输出功率（电动机的机械功率）：（只能用能量守恒定律，欧姆定律不适用）
④电动机的工作效率：．
注意：题目中说“电风扇的扇叶被卡住而不能转动”，则此时电路可以看成纯电阻电路。

【考点六】纯电阻电路与非纯电阻电路（重、难点）
纯电阻电路非纯电阻电路
电路特点电路中只有纯电阻元件电路中不仅有纯电阻元件，还有能把电能转化为
其他形式的能量的用电器，如电动机
电路符号
电路规律欧姆定律适用，即欧姆定律不适用，即
能量关系电能全部转化为内能，即电能转化为内能和其他形式的能量，即
，
，
处理方法利用欧姆定律处理利用能量守恒定律处理
元件举例电阻、白炽灯、电炉丝、电熨斗、电饭锅电动机、电解槽、电容器
易错提醒：
①不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电功均用W=UIt，功率均用P=UI，热量均用Q=I2Rt，热功率均用P=I2R；若用其他变式，需要考虑是否为纯电阻电路。

②不能简单地认为只要有电动机的电路就是非纯电阻电路，当电动机不转动时，消耗的电能全部转化为内
能，此时电路的电动机可视为纯电阻电路。

【考点七】保温和加热问题（拓展）
两种电路
电路特点电压不变，串联电阻越多，总阻值越大，消耗
电功率越少。

电压不变，并联电阻越多，总阻值越小，消耗
电功率越多。

电路状态加热状态保温状态加热状态保温状态
消耗功率
电动机的电流为I，则（）
A．电动机内部发热功率为I2R
B．电动机的机械功率为IU
C．电动机的总功率为IU
D．电动机机械功率为IU－I2R
[典例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。

电动机内电阻r＝0.8 Ω，电路中另一电阻R ＝10 Ω，直流电压U＝210 V，电压表示数U V＝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)
[典例3](选做)如图所示，A为电解槽，M为电动机，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，电解槽内阻r A＝2 Ω，当K1闭合，K2、K3断开时，A示数6 A；当K2闭合，K1、K3断开时，A示数5 A，且电动机输出功率为35 W；当K3闭合，K1、K2断开时，A示数为4 A．求：
（1）电炉子的电阻及发热功率；
（2）电动机的内阻；
（3）在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率．
[基础演练]
1．(多选)关于电功，下列说法中正确的有（ ） A ．电功的实质是静电力所做的功 B ．电功是电能转化为其他形式能的量度
C ．静电力做功使金属导体内的自由电子运动的速率越来越大
D ．电流通过电动机时的电功率和热功率相等
2．下列关于电功、电功率和焦耳热的说法中正确的是（ ）
A ．电功率越大，电流做功越快，单位时间内电路中产生的焦耳热就越多
B ．在电路中能用W ＝UIt 求某用电器的电功，就能用W ＝I 2Rt 或W ＝U2
R t 求该用电器的电功
C ．在纯电阻的电路中，电流的电功率等于热功率
D ．焦耳热Q ＝I 2Rt 只适用于纯电阻电路
3．(多选)不考虑温度对电阻的影响，对一个“220 V 40 W”的灯泡，下列说法中正确的是（ ） A ．接在110 V 的电路上时的功率为20W B ．接在110 V 的电路上时的功率为10 W C ．接在440 V 的电路上时的功率为160 W D ．接在220 V 的电路上时的功率为40 W
4．A 、B 、C 三个灯泡，用如图所示的方式连接，各自消耗的实际功率相同，则R A ∶R B ∶R C 为（ ） A ．1∶1∶1
B ．1∶2∶2
C ．2∶1∶1
D ．1∶4∶4
5．如图为某品牌的扫地机器人，其内部电机的电阻为0.5Ω，额定功率为24W ，额定工作电压8V ，扫地机器人的锂电池容量9A∙h ，则该机器人正常工作时（ ） A ．额定工作电流为3A B ．额定工作电流为16A
C ．充满电后最长工作时间约为9h
D ．每秒消耗能量为128J
6．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S 1、S 2后，电动机正常工作，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，断开开关S 1，电吹风吹冷风。

已知电吹风的额定电压为220 V ，吹热风时的功率为1 000 W ，吹冷风时的功率为120 W ，关于该电吹风，下列说法正确的是（ ） A ．当电吹风吹热风时，电热丝每秒消耗的电能为1 000 J B ．当电吹风吹冷风时，电热丝每秒消耗的电能为120 J C ．电热丝的电阻为55 Ω
D ．电动机线圈的电阻为1 210
3
Ω
[课堂自测]
1．(多选)对计算任何类型的用电器的电功率都适用的公式是（ ）
A ．P ＝I 2R
B ．P ＝U2R
C ．P ＝IU
D ．P ＝W
t
2．关于电功和电热，下面说法正确的是（ ） A ．任何电路中的电功W =UIt ，电热Q =I 2Rt 且W =Q
B ．任何电路中的电功W =UIt ，电热Q =I 2Rt 但W 有时不等于Q
C ．电功W =UIt 在任何电路中都适用，Q =I 2Rt 只在纯电阻电路中适用
D ．电功W =UIt ，电热Q =I 2Rt ，只适用于纯电阻电路 3．一个直流电动机，线圈电阻是0.5Ω，当它两端所加电压为6V 时，通过电动机的电流是2A 。

由此可
知（ ）
A ．电动机消耗的电功率为10W
B ．电动机发热的功率为10W
C ．电动机输出的机械功率为10W
D ．电动机的工作效率为20% 4．(多选)一个标有“1 kΩ，40 W”的电阻器，下列说法正确的是（ ） A ．允许长期通过它的最大电流是0.2 A B ．额定电压是200 V
C ．在额定电压下消耗的功率为40 W
D ．加50 V 电压时消耗的功率为40 W 5．(多选)电阻R 和电动机一起串联在电路中，如图所示．已知电阻R 跟电动机线圈的电阻相等，开关接通后，电动机正常工作．设电阻R 和电动机两端的电压分别为U 1、U 2，经过时间t ，电流通过电阻R 做的功为W 1，产生的电热为Q 1；电流通过电动机做的功为W 2，产生的电热为Q 2，则有（ ） A ．U 1＜U 2，Q 1＝Q 2 B ．W 1＝W 2，Q 1＝Q 2 C ．W 1＜W 2，Q 1＜Q 2
D ．W 1＜W 2，Q 1＝Q 2
6．2020Robotex 世界机器人大会京津冀选拔赛于10月1日在北京开幕，大会中出现如图所示的一种服务型机器人，其额定功率为48W ，额定工作电压为24V ，机器人的锂电池容量为20A·h 。

则机器人（ ） A ．额定工作电流为20A B ．充满电后最长工作时间为2h C ．电池充满电后总电量为
D ．以额定电流工作时毎秒消耗能量为20J
7．如图所示是一直流电动机工作时的电路图．电动机内阻r ＝0.8 Ω，电路中另一电阻R ＝10 Ω，直流电压U ＝160 V ，电压表示数U V ＝110 V ．试求： （1）通过电动机的电流； （2）输入电动机的电功率； （3）电动机输出的机械功率．
[巩固提升]
1．电压都是110 V，额定功率P A＝100 W，P B＝40 W的灯泡两盏，若接在电压为220 V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是（）
2．有一内阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V,60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端，灯泡正常发光，则（）
A．电解槽消耗的电功率为120 W
B．电解槽消耗的电功率为60 W
C．电解槽的发热功率为60 W
D．电路消耗的总功率为60 W
3．如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的绕组的电阻R2＝10
Ω.当电键打开时，电流表的示数是0.5
A，当电键合上后，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
耗的电功率应是（）
A．I＝1.5 A
B．I＜1.5 A
C．P＝15 W
D．P＜15 W
4．如图所示，电源电压恒定，当滑动变阻器触头自左向右滑行时，灯泡L1、L2的亮度
变化情况是（）
A．L1变亮，L2变暗
B．L1变暗，L2变亮
C．L 1、L2均变暗
D．L1、L2均变亮
5．如图所示，R1＝2 Ω，R2＝10 Ω，R3＝10
Ω，A、B两端接在电压恒定的电源上，则（）
A．S断开时，R1与R2的功率之比为5∶1
B．S闭合时通过R1与R2的电流之比为2∶1
C．S断开与闭合两种情况下，电阻R1两端的电压之比为2∶1
D．S断开与闭合两种情况下，电阻R2的功率之比为7∶12
6．(多选)我国已经于2012年10月1日起禁止销售100W及以上的白炽灯，以后将逐步淘汰白炽灯。

假设某同学研究白炽灯得到某白炽灯的伏安特性曲线如图所示。

图象上A点与原点的连线与横轴成ɑ角，A点的切线与横轴成β角，则（）
A．白炽灯的电阻随电压的增大而减小
B．在A点，白炽灯的电阻可表示为
C．在A点，白炽灯的电功率可表示为U0I0
D．在A点，白炽灯的电阻可表示为
[真题再现]
1．(2011·全国卷)(多选)通常一次闪电过程历时约0.2～0.3
s，它由若干个相继发生的闪击构成。

每个闪击持续时间仅40～80
9μs，电荷转移主要发生在第一个闪
击过程中。

在某一次闪电前云地之间的电势差约为1.0
10
×V，云地间距离约为1 km；第一个闪击过程中云地间转移的电荷量约为6 C，闪击持续时间约为60 μs。

假定闪电前云地间的电场是均匀的。

根据以上数据，下列判断正确的是（）A．闪电电流的瞬时值可达到1×105 A
B．整个闪电过程的平均功率约为1×1014 W
C．闪电前云地间的电场强度约为1×106 V/m
D．整个闪电过程向外释放的能量约为6×106 J
[学霸来战]
1．(多选)电饭锅工作时有两种状态。

一种是锅内水烧干前的加热状态，另一种是锅内水烧干后保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，K是感温材料制造的开关。

下列说法中正确的是（）
A．其中R2是供加热用的电阻丝
B．当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态
C．要使R2在保温状态时的功率为加热状态的一半，应为2：1
D．要使R2在保温状态时的功率为加热状态时一半，应为
2．某一用直流电动机提升重物的装置，如图3所示，重物质量m＝50 kg，电源的电压为U＝110 V，不计电源内阻及各处摩擦，当电动机以v＝0.90 m/s的恒定速度向上提升重物时，电路中的电流I＝5 A，由此可知电动机线圈的电阻R为多少？
3．电热毯、电饭锅等是人们常用的电热式家用电器，他们一般具有加热和保温功能，其工作原理大致相同．图甲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．
（1）当自动开关S闭合和断开时，用电器分别处于什么状态？
（2）用电器由照明电路供电(U＝220V)设加热时用电器的电功率为400W，保温时用电器的电功率为40W，则R1和R2分别为多大？
（3）若将图甲中的自动开关S换成理想的晶体二极管D，如图乙所示，其他条件不变，求该用电器工作1小时消耗的电能．
[课后作业]
1．某电阻的阻值为5Ω，通过的电流为2A，则它在10s的时间内产生的热量为（）
A．100J B．200J C．20J D．2J
2．一台电动机，额定电压为100 V，电阻为1 Ω.正常工作时，通过的电流为5 A，则电动机因发热损失的功率为（）
A．500 W B．25 W
C．1 000 W D．475 W
3．如图所示，A、B两点间电压为18 V，R1＝0.2 Ω，电动机M的内阻也是0.2 Ω，线路中的
电流是25 A，则此电路中电能转化为机械能的效率是（）
A．72% B．28%
C．55.6% D．44.4%
4．如图所示，三个电阻的阻值相同，在AB间接上电源后，三个电阻的功率之比为（）
A．4∶1∶1
B．1∶4∶4
C．2∶1∶1
D．1∶2∶2
5．(多选)在如图所示的电路中，输入电压U恒为8 V，灯泡L标有“3 V,6 W”
字样，电动机线圈的电阻R M＝1 Ω。

若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是（）
A．电动机的输入电压是5 V
B．电动机的效率是80%
C．流过电动机的电流是2 A
D．整个电路消耗的电功率是10 W
6．电动玩具汽车的直流电动机电阻一定，当加上0.3V电压时，通过的电流为
0.3A，此时电动机没有转动.当加上3V电压时，电流为1A，这时电动机正常工
作．则( )
A．电动机的电阻是3B．电动机正常工作时的发
热功率是3W
C．电动机正常工作时消耗的电功率是4W D．电动
机正常工作时机械功率是2W
7．如图所示的电路中，电阻R1＝1 Ω，R2＝2 Ω，R3＝3 Ω，在A、
B间接电源，S1、S2都打开，此时电阻R1、R2、R3消耗的功率之
比P1∶P2∶P3＝；当S1、S2都闭合时，电阻R1、R2、R3消耗的功率之比P1′∶P2′∶P3′＝。

8．规格为“220 V,36 W”的排气扇，线圈电阻为40 Ω，求：
（1）接上220 V的电源后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；
（2）如果接上(1)中电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率．。