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課時跟蹤檢測(十七) 電路中的能量轉化
A組—重基礎·體現綜合
1．有三個用電器，分別為筆記本電腦、電飯煲和電風扇，它們的額定電壓和額定功率均為“220 V,60 W”。現讓它們在額定電壓下工作相同時間，產生的熱量(　　)
A．筆記本電腦最多　　　 B．電飯煲最多
C．電風扇最多 D．一樣多
解析：選B　筆記本電腦在工作時是電能轉化為光能、內能和機械能等，電飯煲在工作時是電能只轉化為內能，電風扇在工作時是電能轉化為機械能和內能，所以在額定電壓下工作相同時間，消耗的電能相同，電飯煲轉化的內能最多，產生的熱量最多，B正確，A、C、D錯誤。
2.R1和R2分別標有“2 Ω　1.0 A”和“4 Ω　0.5 A”，將它們串聯后接入電路中，如圖所示，則此電路中允許消耗的最大功率為(　　)
A．1.5 W　　　　　　　　 B．3.0 W
C．5.0 W D．6.0 W
解析：選A　串聯電路中各用電器電流相同，最大允許電流應等于0.5 A，由P＝I2R，可知R1和R2在最大允許電流時的功率分別為0.5 W、1 W，故A項正確。
3．一臺電動機的額定電壓是220 V，額定電流是5 A，線圈電阻為0.5 Ω，則此電動機正常工作時每秒產生的熱量為(　　)
A．25 J B．12.5 J
C．110 J D．1 100 J
解析：選B　電動機正常工作時線圈電阻生熱Q＝I2r線t＝52×0.5×1 J＝12.5 J，所以每秒產生的熱量為12.5 J，A、C、D錯誤，B正確。
4．HWCP60型無線充電器的輸出額定電壓為5 V，輸出額定電流為2 A，某款手機的電池容量為4 200 mA·h，輸入額定電壓為3.82 V，則(　　)
A．無線充電器的內阻為2.5 Ω
B．無線充電器以額定電流工作時，發熱功率為10 W
C．手機電池充滿電時，儲存的化學能約為5.8×104 J
D．將手機電池從零電量充至滿電量時，消耗的總電能約為5.8×104 J
解析：選C　充電器的線圈電阻和充電器發熱功率無法用題中信息求出，A、B錯誤；根據公式E化＝qU，代入數據解得E化＝4.2×60×60×3.82 J＝5.8×104 J，C正確；充電過程還有額外的電池發熱、充電器發熱等，所以消耗的電能大于5.8×104 J，D錯誤。
5．一塊手機電池的背面印有如圖所示的一些符號，另外在手機使用說明書上還寫有“通話時間3 h，待機時間100 h”，則該手機通話和待機時消耗的功率分別約為(　　)
A．1.8 W,5.4×10－2 W B．3.6 W,0.108 W
C．0.6 W,1.8×10－2 W D．6.48 W,1.94 W
解析：選C　由題圖知U＝3.6 V，q＝500 mA·h，通話時間t＝3 h，由W＝Uq，P＝得P＝0.6 W；同理待機時間t′＝100 h，P′＝1.8×10－2 W，C對。
6．由于鋰離子電池的材料特性，在電池短路、過高或過低溫度、過度充電或放電等情況下都有可能引起電池漏液、起火或爆炸。為安全起見，中國民航總局做出了如表相關規定。某款移動電池(鋰離子電池)的參數如圖和下表所示，下列說法正確的是(　　)
容量 25 000 mA·h
重量 596 g
額定電壓 3.7 V
轉換率 85%
充電時間 15.5 h
A．25 000 mA·h中的mA·h是能量的單位
B．這款移動電池充滿電后所儲存的總化學能為92 500 W·h
C．乘飛機出行時，這款移動電池可以直接隨身攜帶
D．這款移動電池理論上能給3 200 mA·h的手機最多充電7次
解析：選C　根據q＝It可知，mA·h是電量的單位，故A錯誤；這款移動電池充滿電后所儲存的總化學能為W＝UIt＝Uq＝25 A·h×3.7 V＝92.5 W·h，故B錯誤；根據B項分析可知，乘飛機出行時，這款移動電池可以直接隨身攜帶，故C正確；這款移動電池理論上能給3 200 mA·h的手機最多充電N＝≈6.6，故最多充電6次，故D錯誤。
7．電動平衡車因其便利性被年輕人所喜歡，變成了日常通勤的交通工具。平衡車依靠人體重心的改變，來實現車輛的啟動、加速、減速、停止等動作。下表所示為某款電動平衡車的部分參數，若平衡車以最大速度行駛時，電機恰好達到額定功率，則下列說法中正確的是(　　)
電池輸出電壓 36 V 電池總容量 50 000 mA·h
電機額定功率 900 W 最大速度 15 km/h
充電時間 2～3小時 百公里標準耗電量 6 kW·h
A.電池最多輸出的電能約為1 800 J
B．充滿電的平衡車以額定功率行駛的最長時間約為2 h
C．該平衡車以最大速度行駛時牽引力約為60 N
D．該平衡車在標準情況下能行駛的最大里程約為3 km
解析：選B　電池最多輸出的電能為W＝qU＝50 000×10－3×3 600×36 J＝6.48×106 J，故A錯誤；由儲存的電能除以額定功率可求得時間為t＝ s＝7 200 s＝2 h，故B正確；根據功率公式，則有F＝＝ N＝216 N，故C錯誤；由電池總電量除以百公里標準耗電量即可求得行駛里程x＝×100 km＝30 km，故D錯誤。
B組—重應用·體現創新
8.(多選)電飯鍋工作時有兩種狀態：一種是鍋內水燒開前的加熱狀態，另一種是鍋內水燒開后保溫狀態。如圖所示是電飯鍋電路原理示意圖，K是感溫材料制造的開關。下列說法中正確的是(　　)
A．其中R2是供加熱用的電阻絲
B．當開關K接通時電飯鍋為加熱狀態，K斷開時為保溫狀態
C．要使R2在保溫狀態時的功率為加熱狀態的一半，則R1∶R2＝2∶1
D．要使R2在保溫狀態時的功率為加熱狀態時一半，則R1∶R2＝(－1)∶1
解析：選ABD　由P＝得：當接通K時，電阻變小，功率變大，處于加熱狀態；當斷開K時，電阻變大，功率變小，處于保溫狀態。由上可知，R2是供加熱用的電阻絲，故A、B正確；要使R2在保溫狀態時的功率為加熱狀態的一半，由P＝I2R可得：電阻R2在保溫與加熱狀態下的電流之比為1∶ ，所以(R1＋R2)∶R2＝∶1。則R1∶R2＝(－1)∶1，故C錯誤，D正確。
9．如圖所示，電路中8個電阻的阻值r相同，r＝1 Ω，另3個電阻阻值均為R＝4 Ω，還有一個電阻阻值R0＝2 Ω，將a、b與電源相連，電路中總電流為2 A，則電路消耗的總功率為P，其中R0上消耗的功率為P0，則(　　)
A．P＝24 W，P0＝ W
B．P＝12 W，P0＝ W
C．P＝16 W，P0＝ W
D．P＝16 W，P0＝ W
解析：選C　2r與R0串聯的總電阻為4 Ω，再與R并聯的電阻為2 Ω，等于R0的電阻值，依此類推，ab間的總電阻為R總＝2r＋R0＝2R0＝4 Ω，根據P＝I2R知電路消耗的總功率為P＝I總2R總＝22×4 W＝16 W；R0的電流與總電流的關系為＝××＝，則得I0＝I總＝×2 A＝ A，R0上消耗的功率為P0＝I02R0＝×2 W＝W，故選C。
10.(多選)如圖所示是某型號電吹風的電路圖，它主要由電動機M和電熱絲R構成。已知電吹風的額定電壓為220 V，吹冷風時的功率為120 W，吹熱風時的功率為1 000 W。則(　　)
A．當S1斷開、S2閉合時，電吹風吹冷風
B．電熱絲的電阻為50 Ω
C．無論吹冷風還是吹熱風，流經電動機的電流均為 A
D．電吹風吹熱風5分鐘后，約耗電0.5 kW·h
解析：選AC　當S1斷開、S2閉合時，電動機正常工作，電熱絲處于斷路狀態，則電吹風吹冷風，故A正確；根據題目條件可知，電熱絲的功率為P＝1 000 W－120 W＝880 W，因此電熱絲的電阻為R＝＝ Ω＝55 Ω，故B錯誤；依題意，知無論吹冷風還是吹熱風，電動機M的功率均為120 W，根據功率的計算公式P＝UI得，流過電動機的電流為I＝＝ A＝ A，故C正確；電吹風吹熱風5分鐘后，消耗的電能為W＝P2t＝1 000 W× h＝ kW·h，故D錯誤。
11．有一小型直流電動機，把它接入U1＝0.3 V的電路中時，電動機不轉，測得流過電動機的電流為I1＝0.6 A；若把電動機接入U2＝3.0 V的電路中時，電動機正常工作，工作電流是I2＝1.0 A，求：
(1)電動機正常工作時的輸出功率是多少；
(2)如果電動機正常工作時，轉子突然被卡住，此時電動機的發熱功率是多大。
解析：(1)當U1＝0.3 V，I1＝0.6 A時，電動機不轉，此時電動機為純電阻，故電動機的內電阻為r＝＝0.5 Ω，當U2＝3.0 V，I2＝1.0 A時，電動機正常工作，此時電動機為非純電阻，則電動機的輸出功率為P出＝U2I2－I22r＝2.5 W。
(2)當電動機正常工作被卡住時，電動機又為純電阻，其熱功率為P熱＝＝18 W。
答案：(1)2.5 W　(2)18 W
12．太陽能汽車是一種環保型的“綠色汽車”，人們正致力研究著。有一輛玩具汽車靠太陽能電池供電，該電池的太陽能集光板面積為600 cm2，太陽能電池電動勢為30 V，內阻為3 Ω。現使玩具汽車在水平路面上勻速行駛，其太陽能集光板正對太陽，測得電流強度為2 A。已知電動機的直流電阻為2 Ω，太陽光垂直照射到地面上單位面積的輻射功率為1.6×103 W/m2。
(1)求玩具汽車勻速行駛時，太陽能集光板把太陽能轉化為電能的效率；
(2)這輛玩具汽車的總重為80 N，在水平路面上行駛的阻力是車重的，這輛玩具車在水平路面上的最大速度是多大？
解析：(1)玩具汽車勻速行駛時太陽能電池的總功率
P1＝EI＝30×2 W＝60 W
太陽能集光板的接收功率
P2＝600×10－4×1.6×103 W＝96 W
太陽能集光板把太陽能轉化為電能的效率為
η＝×100 %＝62.5 %。
(2)玩具汽車以最大速度勻速行駛時，f＝F＝0.2G，
電動機的輸出功率為P出＝EI－I2(r＋R)＝Fv，
解得v＝2.5 m/s。
答案：(1)62.5%　(2)2.5 m/s
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1　電路中的能量轉化
核心素養點擊
物理觀念 (1)通過實例分析，理解電能轉化為其他形式的能是通過電流做功來實現的，加深對功與能量轉化關系的認識。
(2)通過推導電功公式和焦耳定律，理解電功、電功率和焦耳定律的內涵。
科學思維 從能量的轉化和守恒角度分析非純電阻電路中的能量轉化，理解電功和電熱的區別和聯系。
科學態度與責任 (1)能用焦耳定律解釋生產、生活中的相關現象。
(2)聯系生活中的電風扇、空調、電動機等電器設備，體會能量轉化與守恒思想，增強理論聯系實際的意識。
1．填一填
(1)電流轉化為其他形式的能，是通過 做功來實現的。
(2)電流做功的實質：導體中的 對自由電荷的靜電力在做功。
(3)靜電力的功：電流在一段電路中所做的功等于電路兩端的電壓U、電路中的電流I、通電時間t三者的 。即W＝ 。
電流
恒定電場
乘積
UIt
2．判斷
(1)電功與電能的單位是相同的，因此，電功就是電能。 ( )
(2)電流做的功越多，電功率越大。 ( )
(3)電流做功的過程實質上就是靜電力對自由電荷做功的過程。 ( )
×
×
√
3．想一想
如圖所示，已知電路兩端的電勢差為U，電路中的電流為I，電荷從左端到達右端所用的時間為t，則在t時間內通過導體某截面的電荷量是多少？把這些電荷從左端移到右端，電場力做功是多少？
提示：由電流的定義式可得通過某截面的電荷量q＝It，根據靜電力做功的公式W＝qU，可得W＝UIt。
1．填一填
(1)焦耳定律：電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成 ，跟導體的電阻及通電時間成 。即：Q＝ 。
(2)熱功率：電流通過導體發熱的功率P熱＝ 。
(3)電路中的能量轉化
①電動機工作時能量轉化關系：電動機從電源獲得的能量，一部分轉化為機械能，還有一部分轉化為 。
②功率關系：P電＝P機＋P損。
③電池充電時能量轉化關系：電能轉化為 能和內能。
正比
正比
I2Rt
I2R
內能
化學
2．判斷
(1)非純電阻電路中，電熱Q的表達式仍為Q＝I2Rt。 ( )
(2)熱功率與電功率是相同的。 ( )
(3)電流通過筆記本電腦時，電功與電熱不相等。 ( )
√
×
√
3．想一想
(1)電吹風工作時，將電能轉化為什么能？電熨斗工作時，將電能轉化為什么能？
提示：電吹風工作時，把電能轉化為內能和機械能。電熨斗工作時，將電能轉化為內能。
(2)公式W＝UIt、W＝I2Rt應用時應注意什么？W＝UIt可以計算熱量嗎？
提示：W＝UIt普遍適用，而W＝I2Rt只適用于純電阻電路。在純電阻電路中，可以應用W＝UIt計算熱量，而在非純電阻電路中不能應用W＝UIt計算熱量。
【重難釋解】
1．串聯電路功率關系
(1)各部分電路電流I相同，根據P＝I2R，各電阻上的電功率與電阻成正比(純電阻電路)。
(2)總功率P總＝UI＝(U1＋U2＋…＋Un)I＝P1＋P2＋…＋Pn。
解題指導：
(1)電路的總功率等于各用電器消耗的功率之和。
(2)串聯電路中，功率與電阻成正比；并聯電路中，功率與電阻成反比。
[解析]　若要兩燈均正常發光，亦即每燈的電壓均為110 V，對A電路，因為RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110 V，B燈將被燒壞；對B電路，UB＞U并，B燈將被燒壞；對C電路，RA可能等于B燈與變阻器并聯后的電阻，所以UA可能等于UB，等于110 V，兩燈可能正常發光，且電路消耗總功率為200 W；對D電路，滑動變阻器電阻可能等于兩燈并聯后總電阻，可能有UA＝UB＝U并＝110 V，兩燈可能正常發光，且電路中消耗總功率為280 W。綜上可知，C正確。
[答案]　C
【素養訓練】
1．(2024·廣東1月學考)LED燈是一種新型半導體節能燈。已知某型號的LED燈珠正常工作時，兩端電壓為1.4 V，電流為20 mA。一廣告牌用該型號LED燈珠的總數量為40 000顆，那么該廣告牌上的燈珠全部點亮正常工作時，消耗的電功率為(　　)
A．500 W　　　　　　 B．800 W
C．1 120 W D．1 500 W
解析：該廣告牌上的燈珠全部點亮正常工作時，消耗的電功率為P＝nUI＝
40 000×1.4×20×10－3 W＝1 120 W，故選C。
答案：C　
2．一車載加熱器(額定電壓為24 V)發熱部分的電路如圖所示，a、b、c是三個接線端點，設ab、ac、bc間的功率分別為Pab、Pac、Pbc，則 (　　)
A．Pab>Pbc B．Pab＝Pac
C．Pac＝Pbc D．Pab3．某款高科技的鋰離子多功能電池有兩路電壓輸出設計，如圖所示。一路為環狀凹槽電極，該路經由電路輸出電芯電壓，額定電壓為3.7 V；另一路為與干電池電極完全相同的中心柱狀電極，經由變換電路輸出額定電壓1.5 V，下表為該電池的各項參數。下列說法正確的是 (　　)
型號 PH5 標準容量 810 mA·h(3.7 V)
3 000 mW·h(1.5 V)
電芯 鋰聚合物 輸出電流(最大) 1 500 mA(3.7 V)
2 000 mA(1.5 V)
標準電壓 DC1.5 V/3.7 V 電池壽命 大于500次完全充放電(根據使用情況而異)
A．使用環狀凹槽電極時，電池的能量是2 916 J
B．使用環狀凹槽電極時，在最大輸出電流工作狀態下能工作約2 h
C．使用中心柱狀電極時，電池的電量是10 800 C
D．使用中心柱狀電極時，在最大輸出電流工作狀態下能工作約1 h
【重難釋解】
1．純電阻電路與非純電阻電路
(1)純電阻電路：電流通過純電阻電路做功時，電能全部轉化為導體的內能。
(2)非純電阻電路：含有電動機或電解槽等的電路稱為非純電阻電路。在非純電阻電路中，電流做功將電能除了部分轉化為內能外，還轉化為機械能或化學能等其他形式的能。
2．純電阻電路和非純電阻電路的比較
3．電動機的功率和效率
(1)電動機的輸入功率是電動機消耗的總功率，P入＝UI。　
(2)電動機的熱功率是線圈上電阻的發熱功率，P熱＝I2r。　
(3)電動機的輸出功率是電動機將電能轉化為機械能的功率，P出＝UI－I2r。
解題指導：
(1)電動機停止轉動，電路為純電阻電路。
(2)電動機正常運轉，電路為非純電阻電路。
[遷移·發散]
上述典例中，若電動機以v＝1 m/s勻速豎直向上提升重物，該重物的質量為多少？(g取10 m/s2)
【素養訓練】
4．(多選)某電動機正常工作時所加電壓U＝220 V，通過的電流I＝10 A，電動機線圈電阻r＝0.5 Ω，則電動機正常工作時，下列選項正確的有(　　)
A．線圈的發熱功率為50 W
B．線圈的發熱功率為96 800 W
C．電動機消耗的電功率為2 200 W
D．電動機對外做功的功率為2 150 W
解析：線圈的發熱功率為P熱＝I2r＝102×0.5 W＝50 W，故A正確，B錯誤；電動機消耗的電功率為P＝UI＝220×10 W＝2 200 W，故C正確；電動機對外做功的功率為P機械＝P－P熱＝2 200 W－50 W＝2 150 W，故D正確。
答案：ACD
答案：B　
6．某電動機提升重物的裝置如圖所示，電源的電壓為120 V，不計內阻。重物的質量m＝50 kg。當電動機以v＝0.9 m/s的恒定速度向上提升重物時，電路中的電流強度I＝5 A，重力加速度g取10 m/s2，則下列判斷不正確的是 (　　)
A．電動機消耗功率600 W B．電動機的機械功率450 W
C．電動機線圈電阻為6 Ω D．電動機線圈電阻為24 Ω
解析：電動機消耗功率P＝UI＝600 W，選項A正確，不符合題意；電動機的機械功率P機＝mgv＝450 W，選項B正確，不符合題意；對電動機P－P機＝I2r，解得電動機線圈電阻為r＝6 Ω，選項C正確，不符合題意，選項D錯誤，符合題意。
答案：D　
一、培養創新意識和創新思維
1．某商場安裝了一臺傾角為30°的自動扶梯，該扶梯在電壓為380 V的電動機帶動下以0.5 m/s的恒定速率向斜上方移動，電動機的最大輸出功率為4.9 kW。不載人時測得電動機中的電流為5 A，若載人時扶梯的移動速率與不載人時相同，忽略電動機內阻的熱損耗，則不載人時扶梯運行的電功率是多大？若輸送一個人的功率為120 W，則這臺自動扶梯可同時乘載多少人？
二、注重學以致用和思維建模
2．家電待機耗電問題常常被市民所忽略。北京市電力公司曾舉辦“計量日進您家”活動，免費上門為市民做家庭用電耗能診斷分析。在上門實測過程中，技術人員發現電視機待機一天的耗電在0.2千瓦時左右，小小機頂盒一天的待機耗電更是高達0.4千瓦時。據最新統計溫州市的常住人口約1 000萬人，參考下表數據，估算每年溫州市家庭用電器待機耗電約為 (　　)
A．4×106千瓦時　　　　　　　 B.4×109千瓦時
C．4×1012千瓦時 D．1×1013千瓦時
家庭常用電器 電視機 洗衣機 空調 電腦
戶均數量/臺 2 1 2 1
電器待機功耗/(W·臺－1) 10 20 40 40
解析：溫州的常住人口約1 000萬人，平均每戶的人口按3人計算，溫州大約有330萬戶家庭，所有用電器待機的總功率P＝(2×10＋20＋2×40＋40)W＝160 W，溫州市家庭用電器待機一年的耗電量為：W＝330×104×160×10－3×365×24 kW·h≈4.62×109千瓦時，故B正確，A、C、D錯誤。故選B。
答案：B　
3．如圖甲所示，用充電寶為一手機電池充電，其等效電路如圖乙所示。在充電開始后的一段時間t內，充電寶的輸出電壓U、輸出電流I可認為是恒定不變的，設手機電池的內阻為r，則時間t內 (　　)
解析：充電寶的輸出電壓為U、輸出電流為I，所以充電寶輸出的電功率為P＝UI，A錯誤；手機電池充電電流為I，所以手機電池產生的熱功率為Pr＝I2r，而充電寶的熱功率應為充電寶的總功率減去輸出功率，根據題目信息無法求解，B、C錯誤；輸出的電能一部分轉化為手機的化學能，一部分轉化為電池的熱能，故根據能量守恒定律可知手機電池儲存的化學能為W＝UIt－I2rt，D正確。
答案：D　
4．下表是某品牌電動自行車的主要技術參數。
質量m＝60 kg的人騎該電動自行車在水平路面上以6 m/s的速度勻速行駛，受到的阻力是人與車總重的0.02。重力加速度g取10 m/s2。
(1)若以這一速度連續行駛10 min，電動機至少做多少功？
(2)行駛過程中通過電動機的電流多大？
整車質量 40 kg 蓄電池工作電壓 36 V
最高車速 25 km/h 一次充電電耗 0.6 kW·h
電動機效率 75% 充電時間 8 h
最大騎行噪聲 62 dB 一次充電連續行駛里程 50 km

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