(新教材)【人教版】20版必修三关键能力·素养形成-12.1(物理)

温馨提示：此套题为Word版，请按住Ctrl,滑动鼠标滚轴，调节合适的观看比例，答案解析附后。关闭Word文档返回原板块。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=Pt3.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∶1B.1∶2∶2C.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∶1C.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·hB.1度等于3.6×106JC.“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=I2Rt2.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:121Ω1089Ω2.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.1.0×102WB.1.0×103WC.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=0.25WP热=I2R=0.502×1.0W=0.25WP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=0.80WP热=I2R=0.402×1.0W=0.16WP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)1.8W64.2W97.3%【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WQ,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