新教材人教版20版必修三关键能力素养形成 121物理.docx

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新教材人教版20版必修三关键能力素养形成121物理

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关键能力·素养形成

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∶1D.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?

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∶1B.4∶1∶1

C.2∶1∶1D.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

【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3.6×103kW·h

B.1度等于3.6×106J

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=1kW·h=3.6×106J,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12h内消耗电能0.25kW·h,而电风扇在12h内消耗电能W=Pt=0.78kW·h,B项正确。

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?

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=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?

【解析】S闭合时,由P1=

得

R1=

=

Ω=121Ω。

S断开时,R1和R2串联,

由P2=

得

R2=

-R1=

Ω=1089Ω。

答案:

121Ω　1089Ω

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20mA,当电压为

1.4V时发红光;当电压为1.8V时发黄光;当电压为3.2V时发蓝光。

已知该显示屏面积为3m2,1m2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（　　）

A.1.0×102W　　　　　　B.1.0×103W

C.1.0×104WD.1.0×106W

【解析】选B。

当LED灯发蓝光时,两端的电压U=3.2V,通过的电流I=20mA=

0.02A,则每个LED灯的电功率P=UI=3.2×0.02W=0.064W。

1m2灯的数量为1.0×104个,若电压为3.2V,则总功率:

P总=nP=3.0×104×0.064W=1920W,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:

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=1.0Ω,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0.50V,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

2.0V（此电压为小电机的额定电压）,电流表的示数为0.4A,算出小电机消耗的电功率和热功率,并加以比较。

【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=0.50V,

由欧姆定律I=

=

=0.50A

则P电=UI=0.50×0.50W=0.25W

P热=I2R=0.502×1.0W=0.25W

P电=P热

（2）小电机转动时,

电机是非纯电阻元件,U=2.0V,I=0.40A,

P电=UI=2.0×0.40W=0.80W

P热=I2R=0.402×1.0W=0.16W

P电>P热

答案:

（1）0.25W,0.25W　电功率等于热功率

（2）0.80W,0.16W　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=20Ω,电动机的线圈电阻R2=10Ω,当开关S断开时,电流表的示数是1.5A,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3.5A,则电动机的热功率是（　　）

A.40WB.4WC.90WD.9W

【解析】选A。

开关断开时,由欧姆定律可知,电压U=IR1=1.5×20V=30V,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=3.5A-1.5A=2A,则电动机的热功率PQ=

R2=22×10W=40W,故A正确,B、C、D错误。

2.一台电风扇,内阻为20Ω,接上220V电压后,消耗功率66W,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=0.3A;

（2）线圈电阻发热功率PQ=I2r=1.8W;

机械功率P机=P-PQ=64.2W;

电动机的效率η=

=97.3%

答案:

（1）0.3A　

（2）1.8W　64.2W　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=I2Rt,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“220V60W”,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。

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