解读电功率

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  课程标准中的内容标准对电功率的相关要求是:通过科学探究,经历实验过程,理解电功率和电流、电压之间的关系,并会用P=UI进行简单的计算.能区分用电器的额定功率和实际功率,学会设计实验测小灯泡的功率.
  
  要点一:电功率
  在物理学中,用电功率表示消耗电能的快慢.用电器每秒消耗的电能叫电功率.它可以通过公式P=W/t或P=UI来计算.另两个公式P=I2R,P=U2/R,这两个公式是根据P=UI结合欧姆定律I=U/R推出的,仅适用于将电能完全转化为内能的用电器或电路.
  例1下列说法中错误的是().
  A.电功率越大,用电器消耗的电能越快
  B.1秒钟内导体消耗的电能越多,电功率越大
  C.电流通过导体消耗的电能越多,电功率就越大
  D.伏安是电功率的单位
  解析物理学中,把电流在单位时间内消耗电能的多少叫做电功率.1秒内所消耗的电能越多,电功率就越大,所以B选项是正确的.电功率是表示电流做功快慢的物理量,电流通过用电器做功越快,其功率就越大.反之,用电器功率越大,电流做功越快,所以A是正确的.电功率的定义式P=W/t可以推导为P=UI,由公式可知,伏安是电功率的单位,所以D是正确的.因此只有C选项可能错误.由于用电器消耗电能多,并不代表每秒消耗多,因此不能说其功率一定大,所以C选项错误.
  方法小结本题容易出错的地方在于将电功率与电能概念混淆,要确定电功率与电能的关系,必须明确时间,没有时间相等的前提说“消耗的电能越多,电功率就越大”是错误的.
  例2三盏电灯A(220V,40W)、B(110V,40W)、C(36V,40W),当它们各自正常发光时,单位时间内所消耗的电能哪个最大?
  解析电流通过电灯做功的过程就是消耗电能的过程,单位时间内做多少电功便消耗多少电能,当三盏电灯都正常发光时,虽工作电压各不相同,但其电功率都是40W,所以三盏灯每秒做的电功以及每秒消耗的电能都是40J,所以正确的答案是单位时间内三盏灯消耗的电能相同.
  方法小结本题容易出错的地方在于不了解电功率的意义,误认为额定电压越高的电功率便越大,所以搞清电功率的意义是解决本题的关键.
  
  要点二:额定功率与实际功率
  用电器上标出的是正常工作时,应接入的电压叫做额定电压.用电器在额定电压下工作(正常工作)时的功率称为额定功率.实际功率是指用电器某一电压下工作时的功率,它随用电器的工作条件的变化而变化,当实际加在用电器两端的电压为额定电压时,实际功率就等于额定功率.当加在用电器两端的电压小于或大于额定电压时,实际功率就小于或大于额定功率,一般情况下这是不允许的.使用用电器时,应使加在用电器两端的电压等于或接近于额定电压,这样用电器才不至于损坏.
  例3判断电灯亮度的主要依据是 ().
  A.电能B.电流
  C.额定功率D.实际功率
  解析电灯通电发光,是电流热效应的应用,是电能转化为光能和内能.灯泡的亮度取决于1秒钟内消耗的电能,即实际功率.两个不同规格的灯泡串联在电路中,通过它们的电流是一样的,但它们的亮度却不同,显然灯泡的亮度不是取决于电流.同样,将一个“220V100W”,的灯泡接在200V的电路中使用,它的亮度没有正常工作时亮,因为此时的电压小于额定电压,其实际功率小于它的额定功率100W.所以选D.
  方法小结灯泡的亮度是由它的电能转化为光能的多少决定的;电灯通电时产生的热量越多,温度越高,其转化率越高.而产生热量的多少是由它的实际功率决定的.
  例4如图1甲所示:OA和OB分别为通过灯泡L1“6V6W”和L2“6V3W”中的电流随两端电压变化关系的曲线.小明现将两灯连入图1乙所示电路,要使其中一个灯泡正常发光,且电路安全,电路中电流表的示数为_______A,电压表的读数是_______V,电路消耗的总功率为_______W.
  


  解析 因两灯串联,而串联电路电流处处相等,要保证电路安全,所以电路中所能达到的最大电流应以额定功率较小的灯泡作为依据.可见首先要求出两灯的额定电流I10=P10/U10=6W/6V=1A;I20=P20/U20=3W/6V=0.5A.由此可以得到电路中的最大电流为0.5A.此时L2正常发光.电流表示数为0.5A.当电流为0.5A时L1两端的电压则需要从图甲中寻找,可得L1两端的电压为2V.进而可得L1的实际功率为P1=U1I1=2V×0.5A=1W.而L2是正常发光,可知其实际功率等于额定功率3W,所以电路的总功率为P总=1W+3W=4W.
  方法小结解本题的关键有两点:一是判定电路中的实际电流——以较小的额定电流为准;二是从图中找L1的实际电压.在找L1的实际电压时容易错解为:R1=U102/P10=(6V)2/6W=6Ω;再根据U1=IR1=0.5A×6Ω=3V.因为图甲的信息表明灯丝的电阻随电流变化而变化,当灯泡中的电流为0.5A时,其电阻不再是6Ω.所以一定要注意将图表中的信息运用到解题中来.
  
  要点三:伏安法测小灯泡的电功率
  伏安法测量小灯泡的电功率的实验原理是P=UI,需用器材有电流表、电压表和滑动变阻器.考查重点是电路的连接、电表量程的选择、电表的读数、故障分析和数据处理等.
  例5如图2所示是测额定电压为2.5V小灯泡的额定功率的电路图.
  


  (1)a是_______表,b是_______表.
  (2)按图连接好器材,测量前开关应_______,
  滑片P应滑到_______点.
  (3)如果小灯泡的阻值约为10Ω,电源有两节干电池串联组成,电流表有量程0∽0.6A和0∽3A两挡,那么a表量程应选_______挡,b表量程选_______挡.
  (4)闭合开关,发现小灯泡两端电压只有1.8V,滑动变阻器的滑片P向_______端移动,才能使电压表示数为_______V,此时灯泡实际功率就是额定功率.
  (5)要测量的数据是_______和_______,计算灯泡的额定功率公式为_______.
  解析由图可知是用电流表和电压表测定小灯泡额定功率电路.
  (1)根据电流表、电压表的使用规则可以判断:a与电灯并联,是电压表;b与电灯串联,是电流表.
  (2)为了避免接线错误,损坏电器,串联前开关应断开.滑动变阻器在电路中起分压作用,分去一部分电压,以保证小灯泡的安全使用,并得到需要的电压,测量前串入电路的电阻应是变阻器的最大值,所以滑片P应在B点.
  (3)电源选用两节干电池,则电源电压为3V,且小灯泡的额定电压为2.5V,所以电压表a表的量程应选“0∽3V”挡,小灯泡的电阻约为10Ω,它在正常工作时的电流约为I=U/R=0.25A<0.6A,所以电流表b的量程应选“0∽0.6A”挡.
  (4)当小灯泡两端电压为1.8V时,因没有达到其额定电压2.5V,所以其实际功率小于额定功率,为使小灯泡消耗的功率等于其额定功率,应提高小灯泡两端的电压,使其达到2.5V,所以减小滑动变阻器接入电路的电阻,以减小滑动变阻器两端电压,故滑片P应向A端移动.
  (5)测定小灯泡的额定功率,依据是功率的公式P=UI,需要测量的是小灯泡两端的电压U和通过它的电流I.
  方法小结测量小灯泡的电功率的实验是中考热点和难点.测量小灯泡的电功率的实验中,要关注电流表、电压表和滑动变阻器的接法以及电流表、电压表量程选择或限制作用.要明确滑动变阻器滑片移动对电路的影响.
  例6为了测量一只标有“6.3V0.3A”的小灯泡的额定功率,某实验小组设计了如图3所示的电路图.现有实验器材为:电压表(量程0~3V,0~15V)一只,电流表(量程0~0.6A,0~3A)一只,“10Ω2A”和“50Ω1A”的滑动变阻器各一个,电源(电压恒为12V)一个,开关一只,导线若干.实验时,甲同学认为电压表和电流表都应选小量程,滑动变阻器应选“50Ω1A”的;乙同学认为电压表应选大量程,电流表应选小量程,滑动变阻器应选“10Ω2A”的.
  


  请你对两位同学器材选择的合理性做出评价.
  解析电学中电压表和电流表的量程选择比较容易,遵循“能用小量程测量的必须选小量程”的原则.本题中要测量额定电压为6.3V的小灯泡功率,则需使小灯泡在6.3V的电压下工作.若电压表选小量程,则无法测出灯泡的额定电压,所以电压表应选大量程(0~15V).由于小灯泡的额定电流为0.3A,所以电流表选用小量程(0~0.6A)即可满足要求.选用滑动变阻器的原则是当滑动变阻器的阻值为最大值时,灯泡两端电压要小于其额定电压,本题中小灯泡的电阻为21Ω,电源电压为12V,如果选“10Ω2A”的滑动变阻器,灯泡两端的实际电压约8.1V,远大于其额定电压,在这种情况下,若移动滑片改变电阻,只能使灯泡两端电阻逐渐变大,而无法达到6.3V.因此其结果是不仅不能测量出灯泡的额定功率,反而会损坏灯泡.所以答案为:
  


  方法小结 对方案的评价可以从实验的可操作性、实验误差、科学性和操作规范等方面分析,找出不足.也可以结合经济、环保、是否存在隐患等角度出发去分析.
  总体来说学好电功率需要注意以下几个方面的问题:
  1.理解电功率是表示电流做功快慢的,而不是表示做功多少的.
  2.理解额定功率与实际功率的区别,对于某一个用电器来说,其额定功率是不变的,但实际功率是可以改变的.明确灯泡的亮度取决于实际功率,当不考虑电阻变化时,可以根据额定电压和额定功率求出电阻,再运用到实际功率的解题中去.
  3.知道P=UI可以推导出P=I2R=U2/R,且知道推导公式的适应条件——纯电阻电路.
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