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第十讲 电能与利用(二)
[知识新授]
一、电流的热效应
电流通过导体时电能转化成热能的现象叫做电流的热效应。
根据电功率的公式P＝UI和U＝IR，可得P＝I2R，它表示电流通过导体时产生热能的快慢。这个公式表明：
实验：探究电热与哪些因素有关？(如图)
(1)在电流相同的条件下，电能转化成热能的功率与导体的电阻成正比；
(2)在导体电阻相同的条件下，电能转化成热能的功率与电流的平方成正比。
在纯电阻电路中，电能全部转化为热能，由于导体产生的热量Q与电路消耗的电能W相等，因此计算电热的功率可用如下导出公式P＝，P＝UI，P＝。
二、焦耳定律、电热器
(1)电流通过导体时产生的热量跟电流的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。公式：Q＝I2Rt。
(2)电热器是利用电流的热效应制成的加热设备。发热体是由电阻率大、熔点高的合金丝绕在绝缘材料上做成的。其优点：①清洁卫生，②热效率高，③方便调控，缺点是非加热用电器工作时也产生热量。
(3)常见电热器类型
串联式
高温档P1=
低温档P2=
并联式
高温档P1=
低温档P2=
三、电动机
电吹风机和电熨斗通电时都会发热，哪种电器可以认为将电能全部转化成内(热)能？
电吹风机：电能转化成内能和机械能(由于有电动机的存在)
电熨斗：电能全部转化成内能
能量转化
功能计算
电热器
电能→内能
∵Q=W ∵W＝UIt
又根据欧姆定律U=IR
∴Q=W=UIt=I2Rt=U2t/R
电动机
电能→内能+机械能
∵W＝UIt W=Q+W机
∴UIt=I2Rt+W机
∴U>IR 所以欧姆定律在电动机的计算中不适用，切记！
特别提醒：小结：①、电能全部转化为热能时，Q=I2Rt =W=Pt =UIt
②、电能没有全部转化为热能时，Q=I2Rt ③、电流做多少功，就是消耗多少电能，也就是将多少电能转化成其他形式的能
④、纯电阻电路中，电流做多少功，就是将多少电能转化成内能。
[经典例题]
[例1]电风扇、电烙铁和电动机上都标有“220V 160W”字样，它们都在额定电压下工作相同时间，产生热量多的是(　　)
A．电风扇 B．电烙铁 C．电动机 D．一样多
[例2]电阻丝剪掉十分之一后，接入原来电路，则在相同时间内产生的热量与原来产生的热量之比为(　　)
A．10：9 B．1：10 C．10：1 D．9：10
[例3]要使电热器在单位时间内产生的热量减小到原来的一半，则应(　　)
A．电阻不变，使通过电热器的电流减小一半
B．电阻不变，使电热器两端的电压减小一半
C．电压不变，使电热器的电阻变为原来的2倍
D．电压不变，使电热器的电阻增大为原来的倍
[例4]如图所示的电路中，电源电压保持不变．闭合开关S，移动滑片，使电压表V1示数与电压表V2示数之比为2：1，此时R2的功率为P1；再次移动滑片，使电压表V1示数与电压表V2示数之比为1：2，此时R2的功率为P2，则P1：P2为(　　)
A．1：4 B．1：2 C．1：1 D．4：1
[例5]如图所示，是某电器内部的电路结构图，R1、R2为阻值相同的电热丝．不同的连接方式其发热功率不同．下列说法不正确的是(　　)
A．甲的发热功率与丙的发热功率相等
B．丁的发热功率是丙的发热功率的2倍
C．丙的发热功率是乙的发热功率的2倍
D．丁的发热功率是乙的发热功率的4倍
[例6]如图是直流电动机提升重物的示意图，电源电压为110V且保持不变，电路中的电流是5A，质量为50kg的重物在电动机带动下以0.9m/s 的速度匀速上升，不计各处摩擦，则电动机线圈的电阻是(g取10N/kg)(　　)
A．2Ω B．22Ω C．10Ω D．4Ω
[例7]空气能热水器的工作原理是：空气能热水器在工作时，从空气中吸收的热量为Q，消耗的电能为W，通过热交换使水吸收的热量为Q吸，即Q吸=Q+W．某型号的空气能热水器电功率为1400W，工作时消耗的电能W是水吸收热量Q吸的三分之一．当用此热水器将100kg的水从15℃加热到55℃时，所用的加热时间是　 　s．(水的比热容为4.2×103J/kg?℃)．
[例8]如图所示的实验装置中，三个相同的烧瓶A、B、C内部都盛有质量和初温均相等的液体，其中，A、B烧瓶中装的是煤油，C瓶中装的是水，A、B、C瓶中电阻丝的阻值分别为RA、RB、RC，且RA＜RB=RC．(假设实验中没有任何热损失)
(1)小明用该装置探究“电流通过导体产生的热量与电阻大小的关系”，他应该观察比较　 　两瓶中温度计的示数变化情况，其中　 　瓶中的液体温度升高得更快一些．
(2)小红用该装置完成“比较水和煤油吸热升温的情况”的实验，她应该观察比较　 　、C两瓶中温度计的示数变化情况，实验中水和煤油吸热的多少是通过　 　来反映的(选填“温度计示数”或“加热时间”)．该实验中装有　 　(选填“水”或“煤油”)的烧瓶中温度计示数变化较大．
[例9]如图为一电水壶的电路原理图，S是温控开关，R1是电热管，R2是定值电阻．当电水壶将水迅速加热到预定温度时，S自动切换而使水壶处于保温状态．已知加热时R1的功率为1936W，保温时R1的功率为100W．加热4min即可将壶中质量为1.2kg、初温为20℃的水烧开．不计温度对R1和R2电阻值的影响，已知当地气压为1标准大气压，c水=4.2×103J/(kg?℃)．求：
(1)电水壶加热时的电流；
(2)电水壶的加热效率；
(3)R2的阻值．
[例10]中国游客在日本抢购马桶盖的消息引发国人热议，其实这款马桶盖为中国杭州生产．说明书部分内容和加热电路图如图所示．闭合开关S保温座圈开始加热，再闭合开关S0洗净装置喷出热水．[已知C水=4.2×103J/(kg?℃)]试问：
额定电压
220V
洗净装置
出水量
0.8kg/min
加热功率
1600W
保温座圈功率
50W
(1)R2的阻值是多少？
(2)若洗净装置喷水时将水由20℃加热到40℃，该装置加热的效率是多少？
[课后作业]
1．一阻值为60Ω的电热丝接在电源上，通过它的电流为2A，通电1min产生的热量为(　　)
A．1.2×102J B．3.6×103J C．7.2×103J D．1.44×104J
2．如图所示电路中，电源电压为6V，滑动变阻器连入的电阻R为5Ω．S闭合时小灯泡正常发光，电流每分钟在R产生的热量是12J，则灯泡的额定功率为(　　)
A．1 W B．3 W C．6 W D．12 W
3．如图所示，将两根电阻丝R1、R2分别插入甲、乙两瓶等量煤油中，串联接入电路，通电一段时间后，R1、R2产生的热量之比为Q1：Q2=4：9；设通过R1、R2的电流分别为I1、I2，则下述结论正确的是(　　)
A．R1：R2=4：9 B．R1：R2=2：3 C．I1：I2=4：9 D．I1：I2=2：3
4．白炽灯泡在发光时，灯丝的温度达到2000℃以上，而连接灯泡的导线却没有明显发热，这主要是因为(　　)
A．导线绝缘皮隔热 B．导线散热快
C．导线中的电流小 D．导线电阻小
5．如图所示，当开关闭合时，电路中的电流为1A，电压表V2的示数是l0V，定值电阻R的阻值为4Ω，电动机M的线圈电阻为1Ω，不计摩擦，下列说法正确的是(　　)
A．电压表V1的示数为4V
B．电路消耗的总功率是5W
C．通电lmin电流通过电动机产生的热量是60J
D．通电lmin电动机产生的机械能是360J
6．如图是我国西部某地区风力发电的外景．下表给出了在不同风速下一台风车获得的能量．若此地平均风速为15m/s，1台这样的风车10min获得的风能是　 　J；若某时间内风速为12m/s，一台风车工作1h所产生的电能可以供18只“220V﹣100W”灯泡正常工作8h，则18只“220V﹣100W”灯泡正常工作8h需要电能　 　kw?h，这台风车发电效率为　 　．
平均风速(m/s)
5
10
15
20
25
30
1s内获得的能量(×104J)
4
8
12
16
20
24
7．如图所示是一种电热水龙头和它的电路简图．旋转手柄可使扇形开关S同时接触两个相邻触点，从而控制流出的水为冷水、温水或热水．已知R1、R2是电热丝，R2=55Ω，温水档的电功率是2.2kW．求：
(1)当流出水为温水时，接入电阻的值；
(2)当流出水为温水时，该水龙头1min消耗的电能若由燃油燃烧提供，所需燃油的质量；(燃油的热值为4.4×107 J/kg)
(3)若该水龙头1min能放出约1kg的温水，效率为84%，则温水升高的温度．
8．如图甲所示，某型号的电饭锅有两个档位，分别是高温烧煮和保温焖饭档，其原理如图乙所示(虚线框内为电饭锅的发热部位)．已知R1=44Ω．
(1)开关S置于　 　档(选填“1”或“2”)时是高温烧煮档，它的功率是多大？
(2)电饭锅在高温烧煮档正常工作8min产生的热量是多少？
(3)若已知此电饭锅保温焖饭档的功率是高温烧煮档功率的二十分之一，则 R2的阻值为多大？
9．如图是某品牌电吹风的原理图．当开关S闭合时，电动机开始工作，使电吹风处于“冷风档”； 当开关 S、S0都闭合时，使电吹风处于“热风档”．下表给出了电吹风正常工作时的部分主要参数．(忽略温度对电阻的影响)
额定电压
220V
电源频率
50Hz
冷风电功率
55W
热风电功率
165W
求：
(1)电吹风吹冷风时的电流大小；
(2)电热丝的电阻．
10．(建栏期中)如表是从某电暖水瓶的铭牌上摘录下的几个参数．图甲是它的电路原理示意图，E1、E2是两个指示灯，1、4和2、3是两个触点开关，触点开关由手动绝缘杠杆控制闭合，由永久磁铁和感温软磁体等组成(如图乙所示)的装置控制断开，当加热胆内的水温达到90℃时，触点开关就会自动断开，俗称“跳闸”．放在内胆给水加热的电热丝R的阻值为44Ω，电阻R1的阻值为2420Ω，指示灯E1、E2的电阻很小，可忽略不计．(设家庭电路电压220V恒定不变，电热丝R及电阻R1、R2的阻值不随温度变化．
额定电压
220V
频率
50HZ
额定容量
1.5L
电热丝保温功率
44W
(1)如图乙所示的装置能控制电路断开，说明感温软磁体的　 　跟温度有关．将插头插入家庭电路的插座，向上按动绝缘杠杆，使触点闭合，电暖水瓶处于　 　状态(填加热或保温)．
(2)小杨在内胆装上1L温度为20℃的冷水，加热5min后开关跳闸，则这段时间内电暖水瓶对电能的利用率是多少？
(3)R2的阻值是多少？
[参考答案]
[经典例题]
1．B．
2．A．
3．C．
4．C．
5．A．
6．D．
7．4000．
8．(1)A、B；B；(2)B；加热时间；煤油．
9．(1)电水壶加热时的电流为8.8A；
(2)电水壶的加热效率约为86.8%；
(3)R2的阻值为85Ω．　
10．(1)R2的阻值是968Ω；
(2)若洗净装置喷水时将水由20℃加热到40℃，该装置加热的效率是70%．

[课后作业]
1．D．
2．A．
3．A．
4．D．
5．C．
6．7.2×107；14.4；15%．
7．(1)当流出水为温水时，接入电阻的值为22Ω；
(2)当流出水为温水时，该水龙头1min消耗的电能若由燃油燃烧提供，所需燃油的质量为3g；
(3)若该水龙头1min能放出约1kg的温水，效率为84%，则温水升高的温度为26.4℃．　
8．(1)2；
(2)电饭锅在高温烧煮档正常工作8min产生的热量是5.28×105J；
(3)R2的阻值为836Ω．
9．(1)电吹风吹冷风时的电流为0.25A；
(2)电热丝的电阻为440Ω．
10．(1)磁性强弱；加热；
(2)这段时间内电暖水瓶对电能的利用率是87.5%；
(3)R2的阻值是176Ω．

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