初中物理欧姆定律电功和电功率

第1页（共8页）初中物理欧姆定律.电功和电功率一、知识结构：二、学习方法指导：1、欧姆定律：导体中的电流，跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。表达式RUI。欧姆定律是电学中的一条重要基本定律，它揭示了导体中的电流、电压和电阻之间的关系。理解欧姆定律时，要注意以下几点。(1)对应性RUI中，I、U、R必须是同一段电路的同一个电阻的，同一个用电器的，或是整个电路的，即要一一对应，不能张冠李戴。在实际电路的计算中，往往有几段电路，每段电路都有各自对应的I、U、R，因此，在解题时，首先要明确研究的是哪一段电路，然后再找准与这一段电路相对应的I、U、R，并给“同一段电路”上的I、U、R标上同一种脚标。(2)时间性第2页（共8页）即使是同一个电路，由于开关的闭合、断开，滑动变阻器滑片的左、右移动，将引起电路中各部分电流和电压的变化，因此，必须保证RUI中的三个物理量是同一时间的值，切不可混淆电路结构变化前后的I、U、R的对应关系。(3)区别RUI和IUR的意义对RUI和IUR两式要有正确的理解，从数学角度看不出两式有什么本质的区别，但它们的物理意义不同，RUI表明导体中的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比，但对公式IUR也理解为导体的电阻跟这段导体两端的电压成正比，跟导体中的电流成反比那就错了。因为电阻是导体本身的一种性质，其大小是由导体的材料、长度和横截面积决定的，而与导体两端的电压及导体中的电流无关，也并不是导体两端的电压为零时，导体的电阻也为零，我们只不过是利用这一公式来测量计算导体的电阻，对同一导体来说IU是不变的，但对不同导体IU一般不同。2、额定功率和实际功率用电器在额定电压下的功率叫做额定功率。用电器的实际功率随着加在它两端的电压而改变。例如:“220V、100W”的灯泡，其额定电压是220V，在此电压下灯泡正常发光，消耗的实际功率是100W，这个功率叫额定功率。如果把此灯泡接在110V的电源上，灯泡消耗的实际功率小于100W。若将灯泡接在230V的电源上，灯泡消耗的实际功率将大于100W。3、灯泡的电阻:一只“220V、100W”的灯泡，在正常工作时的电阻可用P=RU2计算出来，即:R=U2/P=2202/100=484(欧)。若把此灯泡分别接在110V或230V的不同电源上时，灯泡的实际电阻发生变化，不再是正常发光的484欧。为计算方便若没有特别说明，通常我们可视为灯泡的电阻不变(即为正常发光时的数值)。4、对电热器来说，在原理上是一个电阻，电流通过电热器所做的电功，都消耗在电阻的发热上，即电能完全转化为内能。依据电功W=UIt和电功率P=UI，结合RUI或U=IR可有W=RU2t=I2Rt和P=RU2=I2R。有些用电装置，例如电动机、电解槽等，当电流通过时也会发热，这说明在它们的内部也有电阻；但同时还可获得机械能或化学能等除内能以外其他形式的能量，这种能量也是由电能在这些用电装置中转化来的。依据能的转化和守恒定律应有：在电动机中：输入的电能=输出的机械能+增加的内能第3页（共8页）在电解槽中：消耗的电能=产生的化学能+增加的内能若以单位时间来计量能量的转化，即以功率计算，则输入的电功率P入=IU，因电阻发热而消耗的电功率P热=I2R。显然，P入＞P热，即UI＞I2R，或U＞IR，即在这种电路中，对于RUI形式的欧姆定律不再成立(这种电路叫做非纯电阻电路，其中的电流、电压和电阻的相互关系不再能用RUI、U=IR的形式表述)。在非纯电阻电路中，电功W=UIt，电功率P=UI，但是电功W≠RU2t或W≠I2Rt；同样，电功率P≠U2/R或P≠I2R。5、解题步骤：(1)明确题意，根据题意和电路图分析电路结构和各电路元件在电路中所起的作用。(2)画出等效电路图，并在图上标明已知量和未知量。(3)根据电功率公式、欧姆定律、串并联电路的特点，以及题目给定的条件列方程。(4)建立方程组，将已知数据带入方程，注意对应关系。三、例题分析：例1、如图所示的电路电压恒定不变，Rab＞R0，当滑片从a向b滑的过程中，问各物理量的变化情况及各量间的关系。[分析与解]这是一个动态物理问题，由于滑片P向b端滑动，变阻器接入电路的电阻Rx增大(1)R=R0+Rx，总电阻R增大I=XRRU0，电流表示数变小Uo=IRo定值电阻两端电压Uo变小Ux=U－Uo电压表示数变大(2)Po=(XRRU0)2Ro，定值电阻消耗的功率变小当Rx=0时，P0max=U2/R0当Rx=Rab时，P0min=(abRRU0)2Ro第4页（共8页）(3)P=Po+Px=XRRU02，电路消耗的总功率减小当Rx=0时，Pmax=U2/R0当Rx=Rab时，Pmin=abRRU02(4)Px=(XRRU0)2Rx=02024RRRRUXX当Rx=R0时，PXmax=U2/4Ro滑片移向b的过程中Rx增大，变阻器消耗的功率先变大后变小，函数图象如图2。当Rx＜Ro时，Px随Rx增大而增大。当Rx＞Ro时，Px随Rx增大而减少。注意：①滑片移向b的过程中Rx增大，当Rab＜Ro时，变阻器消耗功率逐渐变大。PXmax=(abRRU0)2Rab②当Rab=Ro时，变阻器消耗功率逐渐变大，PXmax=U2/4Ro(5)滑片移向b的过程中，Rx增大，Po:Px=I2Ro:I2Rx=Ro:Rx，Po:Px值变小Po:P总=I2Ro:I2(Ro+Rx)，Po:P总值变小。例2：如图所示的电路中，电源电压保持不变，电阻R1=10Ω，R2=20Ω，R3的阻值不等于零，当断开开关S后，电压表的示数为6V，当闭合开关S后电压表的示数可能是()A.11VB.10VC.9VD.8V[分析与解]这是一道求电压取值范围的习题，从题目中所给的条件可知定值电阻R3阻值未知，其限制条件为R3＞0，本题求在开关S闭合后电压表示数的取值范围。当S断开时，由电阻R1、R2和R3组成串联电路。U=U2(R1+R2+R3)/R2，即U=6(10+20+R3)/20——(1)当S闭合时，电阻R1被短路，R2、R3组成串联电路U=U2’(R2+R3)/R2，即U=U2’(20+R3)/20——(2)由(l)、(2)可得：6(10+20+R3)/20=U2’(20+R3)/20U2’=333206062020106RRR第5页（共8页）当R3→0时，U2’=9V当R3→∞时，U2’=6V∴S闭合后电压表取值范围为6V＜U2’＜9V，给定选项中只有D选项符合题意，因此选：D。说明：从题中可以看到建立的方程数比未知数的个数少，因而解题难度较大，必须灵活运用数学知识才能正确迅速进行物理问题的运算。可见解决物理问题时，数学知识是必不可少的。例3：已知电路由两个定值电阻、一个开关和电压为60V的电源用导线连成的，且电源电压恒定。当开关处于一状态时，电路的电功率为40W，当开关处于另一状态时，电路的电功率增加了20W，求两定值电阻的阻值。[分析与解]首先要清楚电源电压恒定的物理意义，根据欧姆定律，当电路“电压恒定”时，电路中的总电流与总电阻成反比，在这样条件的电路中，总电阻的改变是第一控制变量，由题目中“电压恒定”的条件，想方设法改变两电阻组成的电路的总阻值是解题关键。利用开关，“并联闭合短路，串联断开断路”的作用来改变两电阻组成的电路的总阻值，连接方式如图4、图5所示。(1)由图4所示：S断开，40602122121RRRRUP——①S闭合，606012121RRUP’————②联立①和②解得：R1=60Ω，R2=30Ω(2)由图5所示：S断开，406012122’’RRUP————③解③得：R1’=90ΩS闭合，———④222212122'90'906060'''''RRRRRRUp第6页（共8页）解④得：R2’=180Ω说明：开关的断开、闭合会引起电路结构的变化，全面考虑问题、正确画出两种连接方式的电路图是解答本题的关键。例4：如图6所示电路中，电源电压恒定，滑动变阻器最大阻值为20Ω。当开关S1断开、S2闭合,滑动变阻器滑片P位于变阻器的b端时,电压表○V1示数为4V；当开关S1闭合、S2断开,滑动变阻器滑片P位于变阻器中点时,电压表○V1示数为2V,电流表○A1示数为0.4A,灯泡L2正常发光。求:(1)此时电压表○V3的示数为多少?(2)灯泡L2的额定功率为多少?(温度对灯丝电阻的影响忽略不计)[分析与解]图6涉及的电路元件达11个之多。电路计算问题中，首先要识别电路，识别电路图关键要抓住一个“去”字:①去掉开路部分;②去掉短路部分;③去掉电压表。电压表的内阻认为无穷大，视为开路，可直接去掉;④去掉电流表，电流表的内阻认为很小,可将电流表换成一段导线。首先，将图6中的电流表和电压表去掉,则可得到图7,这就简单多了。当开关S1断开、S2闭合,滑动变阻器滑片P位于b端时,S1处开路,L1被短路,则去掉这两部分,从而得到图8;当开关S1闭合、S2断开,S2处开路,滑动变阻器被短路,则去掉这两部分,从而得到图9。解:当开关S1断开,S2闭合时,灯泡L2与滑动变阻器R串联。这时电压表○V1测量滑动变阻器两端电压。U2=IR2=(UR/R)R2U=U2+UR=(UR/R)R2+UR,U=4R2/20+4—————①当开关S1闭合,S2断开时,灯泡L1和灯泡L2串联。这时,电压表○V1测量灯泡L1两端电压,电流表○A1测量串联电路中的第7页（共8页）电流。U=U2’+U1’=I’R2+U1’U=0.4R2+2——————②由式①、②解得，灯泡L2的电阻R2=10Ω，电源电压，即电压表○V3的示数U=6V，故灯泡L2的额定功率为：P2=I’2R2=(0.4A)2×10Ω=1.6W说明:搞清每种情况下的电路结构是解题的关键，这也是此题考查的主要目的之一。例5、有一种电冰箱，只有在压缩机工作时才消耗电能。将一台这样的电冰箱单独接在标有“3000r/kWh”字样的电能表上，测得电冰箱压缩机连续工作10min，电能表的表盘转过了75转。求:(1)这台电冰箱压缩机的功率多大?(2)如果测得该电冰箱某一天耗电为1.2kWh，设压缩机每次连续工作时间都是15min,并且每次工作后的间歇时间也都相等,那么,它的间歇时间的可能值是多少min?(设电冰箱压缩机工作时功率保持不变,计算结果保留整数)[分析与解](1)电能表的转盘转过75转,压缩机所消耗的电能为：W=1kWh×75/3000=0.025kWh故电冰箱压缩机的功率为：P=WtW1506010106.3025.06(2)压缩机连续工作一次消耗的电能为：W’=Pt’=150×15×60=1.35×105J24小时内压缩机启动的次数为：n=321035.1106.32.156’总WW次又在24h内压缩机工作的总时间为：t1=nt’=32×15min=480min在24h内压缩机间歇的总时间为：t2=t－t1=24×60min－480min=960min故在24h内，压缩机停机的次数最少为31次，最多为33次。所以，压缩机最长间歇时间为：t2’=t2/31=960min/31=31min压缩机最短时间间歇为：t2”=t2/33=960min/33=29min即压缩机的间歇时间在29~31min之间。说明：这是一道典型的STS型试题，主要考查学生灵活使用电功率定义式P=W/t的能力和利用电能表测定用电器功率的方法。解这类问题的关键是，要搞清电能表所标3000r/kWh的含义及了解电冰箱压缩机的工作规律。第8页（共8页）例6、在测小灯泡电功率的实验中，如果实验器材完好无缺，但经常碰到下列几种不正常的情况，请分析原因并设法排除。实验电路如图10所示:1.闭合开关后，灯泡发光，但瞬间灯丝熔断，电路不工作，○A示数为零，○V示数很大。分析：变阻器Ro接入电路的电阻太小，灯泡两端的电压大于额定电压，强电流将灯丝熔断。解决的办法是：将滑动变阻器的滑片移至阻值最大处，更