第十五章：电功和电热
一、知识要点
（一）电能表和电功
5、电能表的读数是以前后两次的示数的差值。
6、电流做功的过程中，伴随着电能向其他形式能量的转化，电流做了多少功，电路中就消耗了多少电能。电流所做的功叫做电功。
2、对于纯电阻电路（电能全部转化为内能）而言，根据欧姆定律的公式，P=U2/R，P=I2R。
3、用电器在额定电压下正常工作的功率叫做额定功率，符号为P额。P额=U额.I额。
4、活动15.2“测量小电灯的电功率”说明：实验原理是P=UI，实验的电路图是
实验时测量的小灯泡的额定功率只有一个，就是当灯泡两端的电压达到额定电压时灯泡的电功率。
当U实 当U实=U额，P实=P额。 当U实>U额，P实>P额。 5、灯泡上的规格“PZ220表示额定电压是220V，额定功率是100W，通过公式 R=U2/P额，计算出灯丝的电阻，但是灯丝的电阻会随温度的变化而变化。 （三）电热器 电流的热效应 （四）家庭电路与安全用电 1、家庭电路是由进户线、电能表、总开关、熔断器、开关、插座、用电器组成，其中电能表是记录家庭消耗电能的仪器，总开关是控制家庭总电流的，熔断器是当电路中电流过大时自动切断短路。 2、家庭电路的火线和零线之间的电压是220V，在正常情况下，零线与大地之间的电压为零，火线与大地之间的电压是220V。 3、活动15 .4“观察三线插头与三线插座”说明：为了安全，三线插座的接线原则是“左零右火中接地”。 4、活动15.5“练习使用测电笔”说明：测电笔是用来辨别火线和零线的，使用时要将手接触笔尾的金属部分，测火线时，氖管发光，测零线时，氖管不发光。 5、安全用电主要包括设备安全和人身安全。 6、活动15.6“探究熔丝熔断的原因”说明：熔丝是用电阻率比较大、熔点较低的铅锑合金材料制成的。导致熔丝熔断的原因有一是电路发生短路故障，二是用电器总功率过大，归纳起来就是电路中的电流过大。线路连接处接触不良也会引起火灾。 7、触电是指人体内有一定强度的电流通过。触电的主要原因是接触到火线。 8、对人体安全的电压是不高于36V。 二、重难点例题分析 【例题1】（09齐齐哈尔）贝贝家将原来照明用的一只“220V 60W”的白炽灯，换成 一只亮度相同的“220V11W”的节能灯。若每天正常使用5h,则替换后一个月（按30天计算）可节约电能 kW·h。 【解析】节约的电能W=（P1—P2）t=（0.06—0.011）kW×30 ×5h=7.35 kW·h。 【答案】7.35 【例题2】（09辽宁本溪）学习了电能的知识后，小燕观察了家中的电能表的规格如图所示，她家同时使用的用电器总功率不能超过___________W，本月初抄表数如图1所示，,若本月应交电费66元,且电价为0.5元/度,则本月末抄表的示数为______________KW·h她家本月消耗的这些电能可供一盏“220V 40W”字样的白炽灯连续工作___________h. 【解析】从图中可知，这个电能表的额定电压为220V，允许通过的最大电流为，则用电器总功率不能超过220V×=4400W；本月交电费66元，则用电132 kW·h，现在的示数是5652.8 kW·h，月末示数应加上本月消耗的电能132 kW·h，应为5784.8kW·h；132 kW·h /0.04kW=3300 h。 【答案】4400；5784.8；3300。 【例题3】（09辽宁本溪）如图2所示的电路中，电源电压恒为6V，当开关S2断开，S1 、S3闭合时，电流表示数为，R1的电阻是________Ω。 当开关S2闭合，S1 、S3断开时，电压表的示数为2V，则R2的电功率为______W。 【解析】S2断开时，R1与R2并联，电流表测通过R1的电流，R1=U/I1 = 6V/=10Ω；只闭合S2时，R1与R2串联，电压表测R1两端电压，则R2端电压为6V—2V=4V，是R1电压的2倍，则R2的阻值也是R1的2倍即20Ω，其电功率P2 = U22/R2 = 4V）2/20Ω=0.8W。 【答案】10；0.8。 【例题4】（09哈尔滨）如图3所示，灯泡规格为“6V 3.6W”(灯丝电阻不变)，闭合开关，当滑动变阻器的滑片P移至a端时，电流表示数为；当滑片P移至b端时，电压表示数为4V，则 ( ) A、灯泡灯丝电阻是6Ω B、电源电压是10V C、滑动变阻器最大阻值是10Ω D、P在b端时，变阻器的功率是0．8W 【解析】灯L与RP 串联，电压表测RP两端电压，灯丝电阻RL = U额2/P额 = （6V）2/3.6W=10Ω，P在a端时电流为0．，则U=IRL=×10Ω=6V；P移至b端时，电压表示数为4V，是此时灯泡电压的2倍，则RP是RL的2倍即20Ω；此时它的功率为（4V）2/20Ω=0.8W。 【答案】D 【例题5】（09鸡西）同学们在“测量小灯泡的电功率”的实验中，选用的电源电压为6V，小灯泡的额定电压为2.5V，小灯泡的电阻约为10Ω，滑动变阻器上标有“30Ω lA”字样，如图4是小林同学没有连接完的实验电路。 (1)请你用笔画线代替导线，帮小林将实验电路连接完整； (2)连接完电路后，闭合开关，移动滑片，发现小灯泡始终不亮，且电压表有示数电流表没有示数，则故障的原因可能是 (3)故障排除后，闭合开关，移动滑片到某一位置，电压表的示数如图5甲所示，小灯泡两端电压为 V，要测量小灯泡的额定功率，应将滑片P向 端滑动； (4)当小灯泡止常发光时，电流表的示数如图5乙所示，则小灯泡的额定功率是 w． 【解析】本题考查测电功率的实验。（1）由题意知电流表要用0—的量程，滑动变阻器的连接方法是“一上一下”；（2）电压表有示数说明电路是通路，电流表无示数说明电流极小电阻极大，唯一的原因只能是小灯泡处断开，电压表串联在电路中；（3）此时电压表示数是2.2V（小量程），要测额定功率，应使电压表示数是2.5V，需减小变阻器连入电路中的阻值，滑片应向A端滑动；（4）电流表示数，P=UI=2.5V×=0.6W。 【答案】（1）如图6。（2）灯丝断开。（3）2.2；A（C、左）。（4）0.6。 【例题6】（09沈阳）在“测量小灯泡功率”的实验中，被测小灯泡的额定电压为2．5V，电源由两节新的干电池串联而成。 (1)请将如图7所示的实验电路补充完整； (2)闭合开关前，将滑动变阻器的阻值调到最大。闭合开关后，若发现小灯泡不亮，并且电压表和电流表的示数均较小，这是由于跟滑动变阻器的阻值相比，小灯泡的电阻值太_______(填“大”或“小”)的缘故； (3)移动滑动变阻器的滑片，使电压表的示数为______V时，小灯泡正常发光，此时电流表的示数如图8所示为_________A，则小灯泡的额定功率为________W； (4)再调节滑动变阻器滑片的位置使小灯泡的亮度变暗，这时小灯泡的实际功率比额定功率________(填“大”或“小”)。 【解析】（1）先根据电表的正负接线柱判定电流方向，并进一步确定电源正负极的连接，然后根据滑动变阻器“一上一下”的连接方法，确定所有连线；（2）电压表测的是小灯泡两端的电压，数值较小，说明小灯泡分得的电压较少，原因是其阻值较小；（3）小灯泡只有在额定电压2.5V时才能正常发光，电流表用的是小量程，示数是，P=UI=2.5V×=0.9W；（4）灯泡变暗，实际功率小于额定功率。 【答案】（1）如图9或10所示。（2）小。（3）2.5；0.36；0.9。（4）小。 【例题7】（09湖北黄冈）在测定标有“3.8V”小灯泡（阻值约为10）额定功率的实验中，所给的器材如下： 学生电源（有3、6、9V三档）、电阻=5、两块电流表（0—0.6—）、两只滑动变阻器（A、“5”，B、“10”）。请完成下列实验： （1）请根据图11甲中的电路，将图11乙中实物电路补充完整。 (2) 在这个实验中，你将选用学生电源的_______V档，选择_______（选填“A”、“B”）滑动变阻器。 （3）闭合开关前，滑动变阻器的滑片要置于_______端（选填“A”、“B”）。调节变阻器，灯泡正常发光时的电流表的示数如图11丙，则小灯泡的额定功率是_______W。 【解析】本题是在“伏安法测电功率”的基础上的变式题，综合考查分析综合整合知识的能力。补连电路要以电路图为依据，实物电路已将L与R串在一起，而电路图中是并联，应在L与R间建立分支点接出一干路到变阻器上面两个接线柱中一个，L与R另两端分别串联电流表后合并在一起。因小灯泡标有“3.8V”所电源应选用6V档；灯L电阻约10Ω，R1=5Ω，并联后总电阻约3.3Ω，再与变阻器串联，L要分得3.8V,I=U/R=3.8V/3.3Ω=>变阻器要选A；闭合开关前变阻器滑片要置于A端接入电路是阻值最大，电流最小可保持电路；A1测的是L的电流，此时为额定电流，电压为3.8V电阻约10Ω，电流不超过，所以电流表选用0～0量程，读数结果应为，P=UI=3.8V×=1.52W。 【答案】（1）图略（2）6V；A。（3）A；1.52W. 【例题8】(09沈阳)如图12甲所示是教科书上提供的“探究比较不同物质的吸热能力”的实验装置。实验方法是：用两个相同的酒精灯分别给质量相同的食用油和水加热，在吸收热量相同时，通过比较它们温度升高的多少来判断吸热能力的大小。小雨经过分析思考，将实验装置加以改进，如图12乙所示。 (1)与图甲的实验装置相比，图12乙的优点是：更容易控制___________相同。 (2)图乙的实验操作中存在一处错误：没有控制________相同。 【解析】（1）乙图将食用油和水一起加热，更容易控制二者吸收的热量。（2）乙图中食用油和水的液面相同，则水的质量要大于食用油的质量，二者质量不相等，会导致实验失败。【答案】（1）食用油和水吸收的热量。（2）食用油和水的质量。 【例题9】（09辽宁朝阳）为了探究电流产生的热量跟什么因素有关系，王军设计了如图13所示的甲、乙两装置。他将两段阻值不同的电阻丝（R1 (l)甲装置可探究电流产生的热量与_______是否有关。 (2)在这个实验中，电流产生热量的多少是通过_______________体现出来的，像这种用能直接观测的量来显示不易直接观测的量的方法叫“转换法”。这种方法在物理学的研究中经常用到，请你列举一列_____________________________________________. (3)在装置甲、乙的两次实验中，比较相同时间里气球A与C体积变化情况可探究电流产生的热量与____________________有关。 (4)若甲、乙两装置同时实验，在相同的通电时间里，A、B、C、D四个气球胀大的程度从大到小的排列顺序是__________________________. (5)教材上的该实验装置如图14所示（烧瓶与图中的相同）。 比较上图所示的两个实验，你认为较好的是图________装置，理由是：________________________ 【解析】探究问题主要注意方法，一般用控制变量法。对于不易显示的现象往往通过“转换法”放大效果。 (1)甲装置是两不同电阻串联，电流相同时间相同，影响电热的只有电阻；（2）电热多少不能直接显示，通过“转换法”转化为气体膨胀气球变大体现；此方面例子很多，如：研究声音是由振动产生时，用乒乓球的振动显示音叉的振动等。（3）乙装置是两电阻并联，电压相同流过R1电流比甲中时电流大，电阻、时间相同，比较A、C可探究电流的热量与电流有关（4）乙装置电流大，R2电阻大于R1，Q=U2t/R可比较C、D放热多少，放热多最多的是C，D多于B，用Q=I2Rt可比较A与B，最小的是A；（5）若选左图，理由是：气体热胀冷缩效果比固液态更明显，使实验现象更直观，时间更短。若选右图，理由是：用温度计能较准确地测出煤油的温度变化，便于定量研究。 【答案】（1）电阻。(2)气球胀的程度大小。 (3)电流。(4)C、D、B、A。(5)左图理由：气体热胀冷缩效果比固液态更明显，使实验现象更直观，时间更短。右图理由：用温度计能较准确地测出煤油的温度变化，便于定量研究。 【例题10】（09辽宁朝阳）电热水壶已在家庭和宾馆广泛使用。 某种电热水壶的铭牌如图15所示。 （1）该电热水壶正常工作时的电阻是多少？ （2）该电热水壶正常工作时，烧开一壶水需要6min,其消耗的电能是多少？ 【解析】从铭牌上可以看出，这种电热水壶的额定电压是220V，额定功率是1000W，则其正常工作时的电阻R=U额2/P额 = （220V）2/1000W=48.4Ω；消耗的电能W=Pt=1KW×0.1h=0.1KWh。【答案】48.4Ω；0.1KWh。 【例题11】（09河南郑州）图16(a)是小黄家一台快速电热水壶，铭牌如左下表。为了测量它烧水时的实际功率，小黄和父亲合作进行了如下实验：关掉家里所有用电器，将该电水壶装了、的水，接入家庭电路中，闭合壶的开关，测得壶中的水从上升到所用的时间是3.5min。同时观察到家中电能表（见图（b）转过的转数正好为90转（r）。请根据相关信息求：（1）电热水壶中水的质量；（2）电热水壶中水吸收的热量；（3）电热水壶烧水的实际功率；（4）电热水壶加热的效率。 【解析】(1)水的质量m=V=1.0×/m3×0.6×10=. (2)水吸热Q吸=cm(t-t0)=4.2×103J/(Kg℃)××(100-20) ℃=2.016×105J. (3) 电热水壶烧水的实际功率Q=W=PT,P=2.016×105J/210S=960W. (4)加热的效率=Q/W=2.016×105J÷(90/1500×3.6×106J)= 93.3%。 【答案】(1)。（2) 2.016×105J. (3)960W。 (4)93.3%。 【例题12】（09黄冈）热熔胶在室温下为固体，加热到一定程度时变为较强粘性的液体，冷却后，将物体牢牢地粘在一起。如图17甲是热熔胶枪的外形，其内部有2只相同的PTC加热元件，电路如图17乙。单只PTC元件的电阻与温度的变化如图17丙所示。扣动扳机能使固体胶条向前挤压，联动开关S同时倒向A、B，枪口冒出胶液，松开扳机S同时倒向B、C。 （1）松开扳机时为预热状态，当温度为时，电路中的电流是多少？ （2）当温度为时，胶液有最佳粘性，已知一根胶条的质量为，若熔化胶需要吸收6.0J热量，试计算在正常情况下使用完一根胶条至少要多长时间？ （3）试根据PTC特性定性分析该装置能使温度稳定在附近的道理。 【解析】（1）由图丙可知时，电路中的电阻是880Ω，此时两个PTC是组成串联电路接220V电源，I=U/（R1+R2）=220V/（880Ω+880Ω）=，（2）熔化一根胶条要吸热Q吸=0.040×6.0J=24000J，加热到时，PTC电阻为1210Ω，要使时间最短，加热功率应最大，则两PTC要并联，总电阻为605Ω，加热功率为P=U2/R=（220V）2/605Ω=80W，最少加热时间为t=Q/P=24000J/80W=300s；由图可知，当温度达到时，如果温度升高，电阻会增大，根据P=U2/R知，电压不变加热功率会减小，升温会减慢，反之温度降低，电阻变小，发热功率变大，升温加快。这样温度就会在附近稳定下来。 【答案】（1）(2)300s（3）由图可知，当温度达到时，如果温度升高，电阻会增大，根据P=U2/R知，电压不变加热功率会减小，升温会减慢，反之温度降低，电阻变小，发热功率变大，升温加快。这样温度就会在附近稳定下来。 三、综合练习 （一）选择题 1．如图18中的几种用电器，额定功率最接近1000W的是（ ） 2．下列四组物体中，在通常情况下属于绝缘体的一组是（ ） A．钢尺、瓷碗、大地 B．固体食盐、纯净水、煤油 C．铅笔芯、食盐水、玻璃杯 D．钢制刀片、铝制饭勺、人体 3．下列关于安全用电的说法中，正确的是（ ） A．在家庭电路中，一定要安装保险丝或空气开关 B．人只要跟火线接触，就一定会发生触电事故 C．所有家用电器的外壳都一定要接地 D．我们可以靠近高压或低压带电体，但一定不能接触它们 4．判断电灯亮度的主要依据是（ ） A．电功 B．电功率 C．额定电流 D．额定电压 5．当温度一定时，比较两根镍铬合金丝电阻的大小，下列说法中正确的是（ ） A．长的合金丝的电阻大 B．长度相同时，粗的合金丝的电阻大 C．细的合金丝的电阻大 D．粗细相同时，长的合金丝的电阻大 6、在家庭电路中安装电能表是为了测量（ ） A．电流的强弱 B．电压的高低 C．电流做功的快慢 D．电流做功的多少 7．有A、B、C三盏灯，A灯标有“220V 25W”字样，B灯标有“110V 25W”字样，C灯标有“36V 25W”字样。当它们在额定电压下工作时，通过三盏灯的电流I和电功率P相比（ ） A．I和P一样大 B．P一样大，A灯I最大 C．P一样大，C灯I最大 D．I一样大，B灯P最小 8．如图所示的几种家用电器正常工作时，电流接近的是（ ） 9、李明同学家的所有家用电器都不工作了，他用测电笔检查时，发现所有的家用电器都不带电，保险丝也没有断，发生此现象的原因最不可能的是( ) A．停电了； B．进户火线断了； C．保险丝接线处接触不良； D．火线与零线相碰了 10．如图20所示电路图中，定值电阻R1＜R2＜R3。下列说法正确的是（ ） A．开关S断开时，电压表V1、V2的示数均为零 B．开关S闭合后，通过电阻R1的电流最大 C．开关S闭合后，电压表V1的示数大于V2的示数 D．开关S闭合后，两块电压表的示数之和等于电源两端电压 11．如图21所示电路的电源两端电压不变，R为定值电阻。开关S闭合后，在滑动变阻器的滑片P由A向B移动的过程中，下列判断正确的是（ ） A．电流表的示数变小 B．电压表V1的示数变小 C．电压表V2的示数变小 D．电压表V2示数与电流表示数的比值变大 12．把标有“6V 3W”的小灯泡L与最大阻值为100的滑动变阻器RW 连接在总电压恒为18V 的电路中，如图22所示。电流表和电压表选择的量程分别为“0～0”和“0～15V”。 要求闭合开关S后，两电表的示数均不超过所选量程的最大测量值，且灯泡L两端电压不超 过额定值（设灯丝电阻不变）。下列说法正确的是（ ） A．电路中允许通过的最大电流为 B．小灯泡L消耗电功率的最小值为1.5W C．滑动变阻器RW允许调节的范围是24Ω～60Ω D．小灯泡L和滑动变阻器RW总电功率的最大值为10.8W （二）填空题 13．经验证明，只有____________的电压对人体才是安全的。 14．在家庭电路中，因电流过大导致空气开关“跳闸”的原因有：⑴电路中发生短路故障； ⑵电路中用电器的__________过大。 15．某同学家有电视机一台、洗衣机一台，电冰箱一台，照明灯四盏，它们的额定电压都是220V。若要它们正常工作，这些用电器应 联在家庭电路中。当所有用电器都正常工作时，他家电路中 (填物理量名称)变为最小。(设通电时间一定) 16．额定电压为4V的小电动机正常工作时，测得通过它的电流为，通电2min，小电动 机消耗电能__________ J。 17．某养鸡场有一台电热孵卵器，其发热体由两条110的电阻丝并联组成。如果通过发热 体的电流是，通电10s该发热体产生的热量为______________ J。 18．某宿舍内有“PZ220的电灯20盏，“220V 60W”的彩电10台，这些电器同时使用 时，消耗的总功率是 W。 19、标有“6V 6W”的灯泡，如果接在15V的电路中并使其正常发光，应 联一个阻值为 Ω的电阻。 20、如图23所示，已知阻值相等的三个电阻R1、R2和R3连接在总电压不变的电路中。开关 S闭合、S1断开时，干路中的电流为I 。两个开关都闭合后，通过电阻R1的电流I1＝ __________。（用I表示） （三）实验与探究题 21．如图24所示，电能表的读数是________ kWh。 22．在图25所示电路图的〇里填上电流表或电压表的符号，使电阻R1与R2并联。 23．张华同学在探究通过导体的电流与其两端电压的关系时，将记录的实验数据通过整理做 出了图26所示的图像，根据图像，下列说法正确的是_______（填序号）。 A．导体甲的电阻大于导体乙的电阻 B．在导体乙的两端加1V的电压时，通过导体乙的电流为 C．将导体甲、乙并联接到电压为3V的电源上时，通过导体的总电流为 D．将导体甲、乙串联接到电压为3V的电源上时，通过导体的总电流为 24．目前有些城市或地区的路灯照明系统已开始使用太阳能。白天，太阳能转化为电能，并 储存在蓄电池内。夜晚，蓄电池向照明灯供电，使照明灯发光。请完成下面的框图，使其正 确反映上述过程中能量转化的情况。 25．小刚同学在实验室测量标有“2.5V”字样的小灯泡的电功率。⑴请你帮助小刚同学在下面的方框内画出实验电路图。 ⑵小刚同学连接的部分实验电路如图27所示。请你帮助他将电路连接完整。 ⑶开关S闭合前，应把图中滑动变阻器的滑片P置于______（填“A”或“B”）端。 ⑷小刚同学在闭合开关S后，发现灯泡L不发光，电流表的示数为零，电压表的示数为3V。产生此故障的原因可能是下列情况中的________。（填写序号） A．灯座处短路 B．灯座处断路 C．灯泡的灯丝断了 D．电流表断路 ⑸排除故障后，闭合开关S，调节滑动变阻器，顺序 读取实验数据如图28所示。 ⑹实验测得小灯泡的额定功率为________W。 ⑺小刚同学根据表格中的数据计算后发现：在不同 电压下，小灯泡灯丝的电阻不相等。你认为造成这种结果的原因 是_________________________________。 26．爱动脑筋的小刚在探究“在通电时间相同时，电流通过导体产生的热量跟电流、电阻的关系”的活动中，设计了如图29所示的电路。在三个相同的烧瓶中装有质量相同的煤油，用电阻丝（R甲＝R丙≠R乙）给烧瓶中的煤油加热，然后观 察并记录烧瓶中温度计示数的变化情况，就可以对电阻丝 放热的多少进行比 较。请你仔细观察小刚设计的实验电路，并回答下列问题： ⑴研究电热跟电阻的关系时，应该比较________两个烧瓶中 温度计的示数变化情况。 ⑵研究电热跟电流的关系时，应该比较________两个烧瓶中温度计的示数变化情况。 （四）计算题 27．将标有“××V 10W”的小灯泡L与R＝10的电阻按如图30所示方式连接。闭合开关S后，电压表的示数为8V，电流表的示数为。设小灯泡灯丝电阻不变。 求：（1）小灯泡L的电阻。 （2）小灯泡L的额定电压。 28．如图31所示的电路中，电源两端电压保持不变,R1=15Ω。只闭合开关S1，将滑片P移至滑动变阻器R2的中点时，电压表V2的示数为8/3 V，电流表A的示数为I1=4/。只闭合开关S1，将滑片P移至滑动变阻器R2的B端时，电流表A的示数为。 求：（1）电阻R3的阻值 （2）电源电压 (3)滑动变阻器R2的最大阻值。 参考答案 13、不高于36V 14、总功率 15、并 总电阻 16、240 17、2200 18、1400 19、串 9 20、1.5I 21、931 .6 22 、左电压表，右电流表 23、B 24 、化学能 电能 25、（3）B （4）C （6）0.9 (7) 灯丝电阻随温度变化 26、（1）甲乙 （2）甲丙 27、（1）40欧 （2）20V 28、（1）10欧（2）8V（3） 10欧