中考物理 基礎知識手冊 第十八章 電功和電功率.doc

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第十八章 電功和電功率 知識網絡構建 高頻考點透析 序號 考點 考頻 1 電能表的讀數及電能的計算 ★★★ 2 電功的公式 ★★ 3 電功率公式及其計算 ★★★ 4 額定功率和實際功率的區(qū)別 ★★★ 5 電功率的測量方法 ★★★ 6 焦耳定律的實驗探究及熱量的計算 ★★★ 第一講 電能和電熱 知識能力解讀 （一）電能與電功 1．電能：能量的一種形式。當電流通過各種電器設備時，電能可轉化為其他形式的能。 2．電流做功：電流通過用電器做功是將電能轉化為其他形式的能。如電流通過電動機做功，電能轉化為機械能；電流通過電爐做功，電能轉化為內能；電流通過電燈做功，電能轉化為內能和光能。因此，電流做功的過程實際就是電能轉化為其他形式能量的過程。電流做了多少功，就有多少電能轉化為其他形式的能量。 3．電功的大?。弘娏髟谀扯坞娐飞纤龅墓Γㄏ牡碾娔埽@段電路兩端的電壓、電路中的電流和通電時間都有關，都成正比。其計算公式是W=UIt，該公式對任何電路都適用。 4．電能與電功的單位：在國際單位制中，電能與電功的單位都是焦，符號是J。 。電功在生活中的常用單位是“度”，也叫“ ”，1度= 。 5．電能表：測量用電器在一段時間內消耗的電能的儀表。如圖所示，電能表上前后兩次的示數之差，就是用電器在這段時間內消耗的電能。 電能表上有幾個重要的參數應該注意： “220V”表示這個電能表應該在電壓為220 V的電路中使用； “10(20)A”表示這個電能表的標定電流為10 A，額定最大電流為20 A; “50 Hz”表示這個電能表在頻率為50 Hz的交流電路中使用； “600 revs/(kW˙h)”表示接在這個電能表上的用電器，每消耗1 kW˙h的電能，電能表上的轉盤轉過600轉。 （二）電功的導出式 由電功公式 和歐姆定律公式 ，可推導出公式 和。 注意： 適用于任何電路，而和只適用于純電阻電路。 （三）電熱 1．電流的熱效應：電流通過導體時電能轉化成內能，這種現象叫做電流的熱效應。 2．焦耳定律 (1)焦耳定律的內容：電流通過導體產生的熱量（簡稱為“電熱”）跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電時間成正比。 (2)焦耳定律公式： ，其中I、R、t均用國際單位制中的單位，Q的單位是J。對于一切電路求電熱都適用。 (3)焦耳定律的推導公式： ， ，只適用于純電阻電路。 3．電熱的利用和防止 (1)電熱器 電熱器是利用電流的熱效應來工作的加熱設備。電熱器的主要部件是發(fā)熱體，發(fā)熱體是由電阻率大、熔點高的材料制成的，發(fā)熱體的形狀根據它的功能、用途的需要可做成線狀、簪狀、片狀等。 (2)電熱的利用電暖氣片、電烙鐵、電熱毯、電飯鍋等，都是利用電流的熱效應來工作的。這些電熱器具有清潔衛(wèi)生、沒有環(huán)境污染、熱效率高等優(yōu)點，有的還可以方便地控制和調節(jié)溫度。如圖所示。 (3)電熱危害的防止 用電器中電流過大時，可能燒壞用電器，可能加速絕緣材料老化，還可能將用電器或導線絕緣部分燒壞甚至引起火災。 為了防止用電器使用時溫度過高，人們采取了許多措施。例如，電視機后蓋的散熱窗；電動機利用翼狀散熱片增加散熱面積；計算機機箱中安有小風扇把熱空氣驅走；電冰箱放置時背面要與墻壁保持一定距離等。 （四）純電阻電路和非純電阻電路 1．純電阻電路：電流通過用電器以發(fā)熱為目的。例如：電爐、電熨斗、電飯鍋、電烙鐵等。在純電阻電路中，電能全部轉化為內能，電功等于電熱，即 。 2．非純電阻電路：電流通過用電器以轉化為內能以外形式的能為目的，發(fā)熱不是其目的，而是不可避免的能量損失。例如：電動機、電解槽、給蓄電池充電、日光燈等。在非純電阻電路中，電路消耗的電能( )可分為兩部分：大部分轉化為其他形式的能，一小部分不可避免地轉化為電熱( )。在這里，電功W不再等于電熱Q，應該是。 解題方法技巧 （一）怎樣解答有關電能表的問題 解答有關電能表的問題時注意三點：一是用電能表所示的后一次示數減去前一次示數（表盤上的最后一位數字是小數，不能把它當成整數來讀），就是用電器在這段時間內消耗的電能；二是弄清每消耗1 kW˙h的電能，電能表轉盤轉多少轉；三是用標定的電壓乘以額定最大電流就是電能表允許接入的用電器的最大功率。 （二）關于電能（電功）的計算 公式 適用于計算任何電路消耗的電能，使用時需注意式中各物理量必須是同一段電路上的和同一段時間內的。并注意歐姆定律、串并聯電路特點的綜合應用。如把歐姆定律公式 和其變形式 代入電功的計算公式，可得到電功的兩個推導公式和，但要注意這兩個公式只適用于純電阻電路。 （三）關于電熱的問題 1．焦耳定律的探究實驗題 解答這類問題時應明確：①這個實驗探究的是電流產生的熱量跟電流、電阻、通電時間的關系。②實驗中采用的方法是控制變量法，即先控制兩容器中液體質量相等，當探究電流產生的熱量跟電流的關系時，控制兩容器中電熱絲阻值相等，通電時間相等，通過兩電熱絲的電流不相等；當探究電流產生的熱量跟電阻的關系時，控制電流和通電時間都相等，兩容器中電熱絲的阻值不相等。③實驗中通過觀察U形管液面的變化判定產生熱量的多少，采用了轉換法。 2．焦耳定律公式 的應用 利用歐姆定律可將焦耳定律公式變換為： 或 。 必須注意：歐姆定律只對純電阻電路才成立，故和只適用于家用電爐、電烙鐵、電燈等可以看成純電阻電路的用電器。 在焦耳定律的運用中，對以上三個不同形式的公式，應該針對具體問題的條件選擇使用。例如，當幾個電阻串聯，因為流經各電阻的電流都相等，若通電時間也相等，根據公式可知，電阻產生的熱量與電阻R成正比；當幾個電阻并聯時，各電阻兩端的電壓都相等，若通電時間也相等，根據可知，電阻產生的熱量與電阻R成反比。 跨越思維誤區(qū) 電熱公式的應用易出錯 我們有時候誤以為電流通過導體產生熱量的過 程中，電能會全部轉化為內能而錯用公式。實際上電流通過用電器時，消耗的電能不一定全部轉化為內能，即電流做的功不一定全部用來產生熱量。導出公式只適用于電能全部轉化為內能的電路（純電阻電路），公式適用于任何電路。 物理思想方法 控制變量法 焦耳定律的公式為，要研究電熱Q與電阻R的關系，就要保持電流I和通電時間￡都相同；要研究電熱Q與電流I的關系，就要控制電阻R和通電時間t都相同。這種研究問題的方法叫控制變量法。 中考考點鏈接 （一）中考考點解讀 本講在中考中的難點是探究焦耳定律，重點是電能表、焦耳定律及其在生產和生活中的實際應用。題目類型多以選擇題、填空題、探究性實驗題、綜合性計算題等形式呈現。 （二）中考典題剖析 1．電能表的讀數與電費的計算 2．電能的計算 第二講 電功率 知識能力解讀 （一）電功率 1．電功率的定義：電功率是描述電流做功快慢的物理量，電功率等于電功與時間之比。 2．電功率的計算公式 (1)定義式（根據定義得到的公式）： 。 (2)常用公式： 。 (3)推導公式：（只適用于純電阻電路）。 3．電功率的單位：國際單位制單位是W，常用單位是kW。1W=1V˙A，1 kW=1000 W。 4．“千瓦時”的來歷：1 kW˙h表示電功率是1 kW的用電器用電1h所消耗的電能，即。 它與‘‘J”的換算關系： 。 （二）額定電壓和額定功率 1．額定電壓：用電器正常工作時的電壓，或用電器上標明的電壓（如圖所示），常用 來表示。用電器兩端電壓低于額定電壓時，用電器不能正常工作；高于額定電壓時，用電器易被燒壞。 2．額定功率：用電器在額定電壓下工作時的功率叫額定功率，用 來表示。用電器上所標出的功率一般為額定功率。 （三）實際電壓和實際功率 1．實際電壓：用電器實際工作時的電壓，常用 來表示。 2．實際功率：用電器實際消耗的電功率，常用 來表示。 說明：每個用電器的額定電壓值和額定功率值只有一個，而實際電壓和實際功率可以有無數個。額定電壓和額定功率與實際電壓和實際功率的關系如下表。 電壓關系 電功率關系 用電器工作情況 用電器正常工作 用電器不能正常工作 易損壞用電器 （四）串、并聯電路中的電功率分析 1．電路中（不論是串聯電路還是并聯電路）所有用電器的總功率都等于各用電器的電功率之和，即。 2．對于同一用電器而言，它在不同電壓下的電功率之比，等于它相應的電壓的二次方之比，即 。 3．由公式 得可知，額定電壓相同，額定功率不同的用電器，額定功率越大，它本身的電阻就越??；額定功率越小，它本身的電阻就越大。 4．額定電壓相同、額定功率不同的兩個燈泡并聯在同一電路中，額定功率小的燈泡的實際功率小，其亮度較??；額定電壓相同、額定功率不同的兩個燈泡串聯在同一電路中，額定功率小的燈泡的實際功率大，其亮度較大。 （五）伏安法測小燈泡的電功率 1．實驗原理：P=UI。 2．實驗器材：電源、開關、導線若干、小燈泡、電壓表、電流表、滑動變阻器。 3．實驗電路圖：如圖所示。 4．實驗步驟 (1)按照電路圖連接好電路，便小燈泡在額定電壓下發(fā)光，測出小燈泡的電功率，并記錄在表格中。 (2)使小燈泡兩端的電壓為額定電壓的1.2倍，觀察小燈泡的發(fā)光情況，測出小燈泡的電功率，并記錄在表格中。 (3)使小燈泡兩端的電壓低于額定電壓，觀察小燈泡的發(fā)光隋況，測出小燈泡的電功率，并記錄在表格中。 5．實驗記錄表格 序號 電壓U/V 電流I/A 電功率P/W 亮度 1 2 3 6．實驗注意事項 (1)選擇的器材規(guī)格要合適，例如滑動變阻器允許通過的最大電流要大于小燈泡的額定電流。 (2)連接電路時開關應斷開，滑動變阻器的滑片要滑到連入電路最大阻值處。 (3)使小燈泡兩端的電壓高于額定電壓時，要注意觀察電壓表的示數變化，以免電壓過高，燒壞小燈泡。 注意：本實驗的3次測量與電阻的3次測量不同。測電阻的3次測量是為了求平均值減小誤差，而本實驗測電功率的3次測量是為了測不同電壓下的實際功率并比較燈泡的亮度，故在本實驗中不能取平均值。 （六）利用電能表和停表測家用電器的電功率 1．實驗原理：。 2．實驗方法：要測量某家用電器的電功率，可將其他用電器關掉，只讓該用電器在電路中單獨工作，觀察電能表的轉盤轉過的圈數N，同時用停表測出所用的時間t(s)，若電能表表盤上標有3 000 r/(kW˙h)， 則該家用電器的電功率大小為 。 解題方法技巧 （一）求電流和電阻 額定電壓和額定功率的隱含條件：用電器上所標的額定電壓和額定功率隱含著用電器正常工作時的電流和用電器的電阻，可以用下面的公式進行計算。 正常工作時的電流，用電器的電阻 。 （二）求實際電流和實際功率的方法 已知用電器的額定電壓、額定功率，可以計算出 它在實際電壓下的實際電流和實際功率，其計算方法 是：先算出電阻并認為其不變，，然后再分別計算： ，或。 （三）電功率的測量 1．伏安法測小燈泡的電功率 2．利用電能表和停表測家用電器的電功率 家用電器消耗的電能可用電能表測量，每只電能表上標有電路每消耗1 kW˙h電能，電能表上的轉盤轉過的轉數n。如一只電能表上標有3 000 r/(kW˙h)，表示每消耗1 kW˙h的電能，電能表的轉盤轉3 000轉。 還有一種電子式電能表，其表盤上“n imp/(kW˙h)”的含義是每消耗1 kW˙h的電能，指示燈閃爍n次。 若測得某用電器工作時間t(s)內指示燈閃爍了N次， 則該用電器的電功率為 。 跨越思維誤區(qū) 實際功率和額定功率區(qū)分不清 誤以為用電器的實際功率就是額定功率，其實用電器的實際功率會隨它兩端電壓的變化而變化。處理這類問題時，一定要根據實際電壓進行分析、計算。 物理思想方法 分析歸納法 分析歸納法是指對物理現象或物理數據進行分析，然后得出結論的方法。這種方法在物理上應用非常廣泛。運用這種方法的步驟是：得到有用的實驗現象或實驗數據，對于這些物理現象或實驗數據的變化規(guī)律以及相互關系進行分析，找出其中的規(guī)律。 中考考點鏈接 （一）中考考點解讀 電功率的計算與測量是中考考查的重點內容，在每年各地的中考題中均有出現，近年來常與熱學、力學等知識綜合命題。常以選擇題、填空題、實驗探究題、計算題等形式呈現。 （二）中考典題剖析 1．動態(tài)電路中各物理量的判斷 2．兩擋用電器電功率的判斷 3．測小燈泡的電功率 第三講 生活用電 知識能力解讀 （一）家庭電路的組成 1．家庭電路的組成 主要組成部分有進戶線、電能表、總開關、保險裝置、用電器、導線等。如圖所示。 2．家庭電路各部分的作用及連接方法 (1)進戶線：一根叫火線，另一根叫零線，火線和零線之間有220 V電壓，它們構成家庭電路的電源（火線和大地間有220 V電壓，零線和大地間沒有電壓）。 (2)電能表：其作用是測量用戶在一定時間內消耗的電能，裝在干路上。電能表的銘牌標有電壓值U和電流值I，電路中可使用的用電器的總功率P≤UI。 (3)總開關：其作用是控制整個家庭電路的通斷，裝在干路上。安裝閘刀開關時，上端為靜觸頭，接輸入導線，切不可倒裝。 (4)保險絲：a．保險絲是用鉛銻合金制作的，電阻比較大，熔點比較低；b．當電路中的電流過大時能自動熔斷而切斷電路，起保險作用；c保險絲應串聯在電路中，絕對不允許用鐵絲、銅絲代替保險絲；d．保險絲的選擇原則是保險絲的額定電流等于或稍大于電路中最大正常工作電流。 說明： 在實際生活中有些地區(qū)已經用空氣開關取代了保險絲，其作用是相似的。當電路中電流過大時，空氣開關能自動斷開（俗稱“跳閘”），以保護電路。 (5)插座：給可移動的家用電器供電，插座應并聯在電路中，插座可分為兩孔插座和三孔插座。三孔插座中一個孔應接地(見圖18-3-2)。 (6)開關：可以控制所在電路的通斷，開關應和被控制的用電器串聯。 (7)用電器：直接利用電能工作的器件，各個用電器應并聯接入電路。 （二）試電筆 用來辨別火線和零線的工具。構造：由筆尖金屬體、大電阻、氖管、彈簧和筆尾金屬體等組成。如圖所示。 2．使用時，用手接觸筆尾金屬體，如圖所示。將筆尖接觸被測電路，若碰到的是火線，則氖管發(fā)光；若碰到的是零線，則氖管就不會發(fā)光。 （三）避雷針 避雷針是針狀金屬物，裝在建筑物的頂端，用粗導線與埋在地下的金屬板相連，以保持與大地的良好接觸。當帶電云層接近時，大地中的異種電荷被吸引至避雷針的尖端，并由于尖端放電而釋放到空氣中，與云層中的電荷中和，達到避雷的目的。 高壓輸電線最上面的兩條導線也是用來防雷的。 （四）家庭電路中電流過大的原因 1．發(fā)生短路，即火線和零線直接連接。例如，電線絕緣皮刮破、老化，連接線路時不小心等情況造成火線、零線直接連接；連接用電器時發(fā)生短路等。 2．用電器的總功率過大。例如，居民樓里電爐子、電暖氣、微波爐等大功率的用電器插在一個插座上讓它們同時工作，導致電流過大燒毀保險絲或造成跳閘等。 （五）家庭電路的安裝 為用電安全，家庭電路的安裝要遵循以下幾項原則： 1．開關應先接在火線上再與用電器串聯；大功率用電器的保險盒應接在火線上，不能接在零線上。 2．火線不能直接接入燈座，必須先經過保險絲、開關后才能接入。 3．螺口燈座的螺旋套只允許接在零線上，絕不允許接在火線上，因為正常情況下，零線是接地的，對地沒有電壓，所以在裝卸燈泡時，人們不慎碰到燈泡的螺旋也不會發(fā)生觸電事故。 4．三孔插座的接線方法：左零右火上接地。(如圖) 口訣： 火線零線并排走，零線直接進燈口。 火線接上熔斷器，通過開關進燈頭。 （六）過載 過載是指電路中同時工作的用電器過多，導致線路總電流超過額定值的現象。過載容易引起導線、開關、插座等過熱，會加速絕緣材料老化或燒壞保險絲，甚至引發(fā)事故。 （七）觸電 低壓觸電：通常所講的“觸電”是指一定大小的電流通過人體所引起的傷害事故。觸電一般分為單線觸電和雙線觸電，如圖所示。單線觸電是人體直接觸摸電源、火線或漏電的用電器等，使人體與大地形成回路。雙線觸電是人體的兩部分（如兩只手）分別接觸到火線相零線，使人與電網形成回路。 注意： (1)人體只接觸零線不會觸電，如圖甲所示。 (2)在家庭電路中，人體觸電一定直接或間接接觸到火線，但人．體接觸火線不一定會觸電。如圖乙所示，人體雖然接觸火線，但干燥凳子將人體與大地隔斷，即人體與火線沒有形成閉合回路，故沒有電流經過人體，所以人體并未觸電。 2．高壓觸電：最常見的是高壓電弧觸電和跨步電壓觸電。如圖所示。 (1)高壓電弧觸電：當人體靠近高壓帶電體到一定距離時，高壓帶電體和人體間發(fā)生放電現象，電流通過人體，造成高壓電弧觸電。 (2)跨步電壓觸電：高壓輸電線落在地上，地面上與電線斷頭距離不同的各點存在電壓，當人走近斷頭時，兩腳位于離斷頭遠近不同的位置上，因而兩腳之間有了電壓，這時電流通過人體，造成跨步電壓觸電。 3．觸電急救：當發(fā)現有人觸電時，千萬不要用手去拉觸電的人，而是要立即切斷電源。如果找不到電源開關，可用一根較長的絕緣棒把電線挑開再救人，防止自身發(fā)生觸電事故。必要時對觸電者進行急救，同時盡快通知醫(yī)務人員搶救。 如果出現電火災時，絕不能帶電潑水滅火，而應先切斷電源再滅火。 （八）安全用電常識 安裝和使用用電器時，必須注意防止發(fā)生觸電或引起火災。 1．當人體中通過的電流超過30 mA時，便會使人感到劇痛甚至神經麻痹、呼吸困難，有生命危險。達到100 mA，在很短的時間內就會造成窒息、心跳停止。經驗證明：一般隋況下，只有不高于36 V的電壓才是安全的。 2．安全用電原則 (1)不接觸低壓帶電體，不靠近高壓帶電體。 (2)更換燈泡、搬動電器前應斷開電源開關。 (3)不弄濕用電器，不損壞絕緣層。 (4)保險裝置、插座、導線、家用電器等達到使用壽命應及時更換。 （九）怎樣分清地線、火線和零線 低壓供電線路由兩根電線（火線和零線）與家庭電路相連?；鹁€和零線之間有220 V電壓，火線與大地之間也有220 V電壓。在三孔插座中有一根電線將家用電器外殼與大地相連，這根線稱為地線，雖然在正常情況下地線和零線之間沒有電壓，但絕不能將地線和零線接通，否則容易造成觸電事故。 用試電筆接觸火線時，試電筆的氖管發(fā)光，接觸零線和地線時，正常情況下氖管不發(fā)光。如果發(fā)光了，前者說明零線斷路，后者說明有的用電器的外殼帶了電。 解題方法技巧 （一）安全用電常識 詳見本講“知識能力解讀”中的“知能解讀（八）安全用電常識”。 （二）保險絲、開關、螺口燈座、三孔插座等的安全用電問題 選用保險絲的規(guī)格應等于或稍大于電路中最大的工作電流，不能用其他金屬絲替代；開關應接在火線上；螺口燈座的頂部應與火線相連；三孔插座的連接應遵循“左零右火上接地”的原則。這些在解題時都應注意。 （三）家庭電路的故障問題 家庭電路的故障一般有以下三種類型：①保險絲熔斷或火線斷開。用電器不工作，用試電筆測試各處氖管都不發(fā)光。保險絲燒斷的原因是電路總功率過大或發(fā)生了短路。②零線斷了。用電器不工作，用試電筆測試，凡與火線相連處氖管都發(fā)光。③某用電器不工作，可能該用電器損壞或接觸不良，但不影響其他用電器。 跨越思維誤區(qū) 家庭電路各部分安裝順序易出錯 家庭電路中，各元件的排列順序是：進戶線→電能表→閘刀開關→熔斷器→電燈和插座。安裝閘刀開關時，要豎直安裝且讓靜觸頭在上面；熔斷器串聯在火線所在的干路上；開關一定要安裝在火線與燈泡之間與燈泡串聯，螺口燈泡尾部中心金屬塊接在與火線連接的開關上，螺旋接在零線上；插座要與用電器并聯，接線原則是左孔接零線，右孔接火線，中間孔接地線（兩孔插座沒有接地線插孔）。 物理思想方法 比較法 比較法是通過觀察、分析，找出研究對象的相同點和不同點，它是認識事物的一種基本方法。 在家庭電路中，往往通過比較實際功率和總功率、實際電流與總電流的大小關系來確定電路中可以接入的家用電器。 中考考點鏈接 （一）中考考點解讀 本講知識在中考中考查的重點有家庭電路的安裝及電路中各部分的作用，以及安全用電的知識，其中家庭電路故障的分析是近幾年中考的熱點，常以選擇題、填空題的形式出現。 （二）中考典題剖析 1．家庭電路的認識 2．安全用電的判斷 3．電路故障的判斷