初中物理电功和电功率计算题

张老师向同学们展示了一只具有高、低温两挡调节功能的自制电加热器，并告知其内部电路由电阻丝 $R_1$、 $R_2$、和开关 $S_1$三个元件组成，两根电阻丝允许通过的最大电流均为 $1A$， $R_1=10\Omega$，在不拆解加热器的情况下，小军用图1电路对其进行探究：他先闭合 $S_2$，电流表的示数为 $0.24A$；再闭合 $S_1$，电流表的示数变为 $0.84A$，所用电源电压为 $6V$．

（1）电阻丝 $R_2$的阻值为　　 $\Omega$；

（2）若电源电压可调，闭合 $S_1$和 $S_2$后，为保证电路安全，求此电加热器允许消耗的最大电功率；

（3）张老师指导小军仅利用原有元件对该电加热器的内部电路进行改装，要求改装后的电加热器须同时满足下列两个条件：

①具备高、低温两挡调节功能；

②在 $6V$电源电压下，用高温挡给 $0.1\mathit{kg}$的水加热 $14\mathit{min}$，可使水温升高 ${7.2}^{°}\text{C}$，设电加热器消耗的电能全部转化为水的内能。

请在图2虚线框中画出内部改装电路图，并通过计算说明。

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空气净化器

由于雾霾天气的增多，空气净化器逐渐走入家庭，其工作过程（如图甲）是：脏空气进入净化器时，灰尘被正电钨丝放电而带上正电，流到负电路栅板时，带电灰尘被吸附。此后经过活性炭层时，化学有毒气体被吸附，排出空气的污染物浓度大幅降低，多次循环后变成洁净空气。

洁净空气量 $\left(\mathit{CADR}\right)$是反映其净化能力的性能指标， $\mathit{CADR}$值越大，其净化效率越高。利用 $\mathit{CADR}$值，可以评估其在运行一定时间后，去除室内空气污染物的效果。按下列公式计算 $\mathit{CADR}:$

$\mathit{CADR}=\frac{2.3V}{t}(V$：房间容积； $t$：空气净化器使房间污染物的浓度下降 $90\%$运行的时间。 $)$

其铭牌如表：

规格	额定电压	频率	额定功率	洁净空气量 $\left(\mathit{CADR}\right)$
$\mathit{GH}-2034A$型	$220V$	$50\mathit{HZ}$	$44W$	$138m^3/h$

（1）负电格栅板吸附灰尘的原理是　　。

（2）取出使用一段时间后的活性炭，可以闻到刺激性的气味，说明分子在　　。

（3）该空气净化器正常工作时的电流为　　 $A$。

（4）某房间的使用面积为 $18m^2$，高度是 $3m$。此空气净化器　　（能 $/$不能）在1小时内使房间污染物浓度下降 $90\%$。

（5）可变电阻是制作二氧化碳传感器的常用元件，图乙为其控制电路，电源电压保持 $6V$恒定， $R_1$为可变电阻，其阻值随二氧化碳浓度变化如图丙， $R_0$为定值电阻，当浓度为 $0.031\%$时，电压表示数为 $1V$，则 $R_0$阻值为　　 $\Omega$，当电压表示数大于 $3V$时，二氧化碳浓度大于　　 $\%$，此时空气净化器会自动报警。

阅读短文，回答问题。

智能洁具

智能洁具（智能马桶、全自动洗碗机、智能浴缸等），具有温水洗净、暖风烘干、杀菌等功能，已进入百姓家庭。

某智能洁具为确保安全，插头带漏电保护装置，工作原理如图甲，连接洁具的火线与零线穿过环形铁芯，正常工作时，两线中的电流相等；若火线与零线中的电流不等，绕在铁芯上的线圈会产生电流，经放大后通过电磁铁吸起铁质开关 $S$切断电源。

这种洁具装有红外线感应装置，当人靠近时，感应装置自动升起洁具盖子；启动洗净功能，加热器将水快速加热至温控装置预设的温度，水泵喷水实施清洗，喷水杆采用纳米银（直径为纳米级的银单质）材料，杀菌效果好；清洗结束，暖风烘干机自动开启烘干功能。表一为该洁具的部分参数，表二为水泵的性能测试参数（表中流量指单位时间内水泵抽送水的体积；扬程指水泵能将水提升的高度）。

表一

额定电压	$220V$	清洗喷水量	$0.8L/\mathit{min}~1.2L/\mathit{min}$
烘干机额定功率	$180W$	加热器额定功率	$2100W$

表二

流量 $Q/(\times {10}^{-4}{m}^3\cdot s^{-1})$	0.5	0.6	0.8	1.0	1.2
扬程 $H/m$	1.25	1.80		5.00	7.20

（1）该智能洁具应选用　　线插头。当图甲电磁铁线圈中电流从 $a$流向 $b$时，电磁铁下端是　　极。

（2）下列说法正确的是　　。

$A$．红外线感应装置利用超声波进行工作

$B$．暖风烘干是靠增大面积来加快水的汽化

$C$．纳米银是银分子，喷水杆材料具有良好的导电性

$D$．漏电保护装置内的火线与零线短路时，开关 $S$不会被吸起

（3）洁具正常工作，按最大喷水量用设定为 ${38}^{°}\text{C}$的温水清洗，加热器的效率为　　 $\%$；清洗结束，暖风烘干机工作 $40s$，消耗的电能会使标有“ $3000\mathit{imp}/(\mathit{kW}\cdot h)$”的电能表指示灯闪烁　　次。 $[$水的比热容 $c=4.2\times {10}^{3}J/\left(\mathit{kg}{\cdot }^{°}\text{C}\right)$，室温为 ${18}^{°}\text{C}]$

（4）分析表二数据可得，当该水泵的流量为 $0.8\times {10}^{-4}{m}^3/s$时，其扬程为　　 $m$；当水泵的流量为 $1.0\times {10}^{-4}{m}^3/s$时，输出的水达到对应的扬程，此过程中水泵克服水重力做功的功率 $P=$　　 $W$． $(g$取 $10N/\mathit{kg})$

（5）图乙为洁具的温控装置原理图。 $R_1$是滑动变阻器， $R_2$是热敏电阻，其阻值随温度升高而减小。当 $R_1$两端电压 $U_1$增大到一定值时，控制电路将切断加热电路实现对水温的控制。

①适当　　（填“增大”或“减小” $)$电源电压，可使控制水温的预设值升高；

②电源电压设定为 $10V$，当 $R_1$接入电路的阻值为 $6\Omega$时， $R_2$的电功率为 $4W$，此时加热电路恰好被切断。若预设的水温相对较高，则控制电压 $U_1$是　　 $V$。

某型号的电饭锅有两挡，分别是高温烧煮挡和保温焖饭挡，其原理如图所示（虚线框内为电饭锅的发热部位）。已知 $R_1=44\Omega$， $R_2=2156\Omega$。

（1）开关 $S$置于　　挡（选填“1”或“2” $)$时是高温烧煮挡，它的功率是多大？

（2）保温焖饭时电路中的电流是多大？ $10\mathit{min}$产生的热量是多少？

（3）若只要求将保温焖饭挡的功率提升 $10\%$，请通过计算具体说明改进措施。

（10分）小敏家住某5层公寓楼中的4楼，当他在1楼按下楼道灯开关，5盏“ $220V12W$”的楼道灯全部点亮，然后延时60秒均自动关闭。他正常每登一层楼所需时间为12秒。小敏意识到楼道灯这样的工作方式有些浪费电能，对楼道电路进行设计，改进电路如图， $K$为启动延时开关， $S$为感应跳转开关， $K$按下时 $S$按通触点1、2， $S$感应到人到2楼，跳转至触点2、3，感应到人到3楼，跳转至触点3、 $4\dots \dots$跳转后若20秒后感应不到人，则 $K$断开。

（1）按照原先楼道灯的工作方式，小敏正常上楼回家一次，楼道灯一共消耗多少电能？

（2）改进后的方案中， $S$跳转前后，通过启动延时开关的电流大小　　（选填“增大”、“减小”或“不变” $)$，小敏正常上楼回家一次，比原来节约多少电能？

为提高垃圾分类效率，小科设计了如图甲所示的垃圾分类机器人。它捡起垃圾时，会快速从垃圾上取出标准规格的样品。通过机械手上的探针检测样品的电阻大小来识别垃圾的类别，并投入相应的垃圾桶。该机器人检测电路如图乙所示。各类垃圾样品的电阻参考值如下表。

样品电阻值 $/\Omega$	垃圾类别
小于10	金属
$10-30$	餐厨
大于30	其他

（1）机器人通过摄像头获得二维码倒立、缩小的像来识别垃圾桶。下列物体成像原理与其相同的是　。

$A$．平面镜

$B$．照相机

$C$．放大镜

$D$．眼球

（2）机器人从某块垃圾上取样检测时。检测电路电压表读数为1伏，检测时间为0.1秒。

①通过计算说明应将该垃圾放入图丙中哪个垃圾桶。

②该次检测电阻过程中，检测电路消耗的电能为多少？

（3）机器人将重1牛的垃圾举高70厘米后再水平移动3米，放入相应的垃圾桶。该过程中机器人至少对垃圾做了多少功？

现有一个粗细均匀的金属圆环，它是由一段铜丝和一段同种材料制成的电阻丝连接而成的。为了研究它的导电性，小科把它接入到如图甲所示的电路中。实验时，小科先将触点 $M$与圆环上的 $A$点连接，再移动滑动变阻器 $R_1$的滑片 $P$至最右端后，闭合开关 $S$，将触点 $N$从 $A$开始沿逆时针方向滑动一周，在触点 $N$滑动的过程中，触点 $M$、 $N$之间的电阻等效于一个变化的电阻，记为 $R_{\mathit{MN}}$．设滑过弧 $\mathit{MN}$的长为 $x$，电流表示数 $I$与 $x$之间的关系如图乙所示。已知电源电压恒为 $4.5V$，铜丝的阻值不计，触点接触良好。粗细均匀、同种材料制成的电阻丝阻值与其长度成正比。

（1）由图乙可知，该金属圆环中铜丝的长度是　　 $\mathit{cm}$。

（2）在触点 $N$滑动过程中， $R_{\mathit{MN}}$的最大值是多少？

（3）每 $1\mathit{cm}$电阻丝的阻值是　　 $\Omega$．（提示：图甲中 $M$、 $N$之间的电阻等效于 $M$、 $N$之间两段弧形金属丝并联后的总电阻）

（4）如图丙所示，把 $M$、 $N$接到圆环其中一条直径的两端，将滑片 $P$移到最左端后闭合开关 $S$，通电 $1\mathit{min}$，电路消耗的电能为 $W$．求 $W$的最大值。（计算过程中不需要说明取最大值的理由）

方方用图甲所示电路研究电功率和电流的关系，绘制了定值电阻 $R_0$、滑动变阻器 $R$的功率与电流的关系图，如图乙。

（1）实线表示的是　　（选填“ $R$”或“ $R_0$” $)$的功率与电流的关系。

（2）求 $R_0$的阻值。（写出计算过程）

（3）当电流表示数为0.5安时，求 $R$消耗的功率。（写出计算过程）

小科同学家有一种新型插座如图甲，能即时显示用电器的工作电压和所耗电费等，插座本身消耗电能由内部电池提供。如图乙为电火锅的铭牌。周六晚餐吃火锅时，小科同学将电火锅单调插在该插座上，这时插座屏幕显示如图丙；用加热档加热一段时间后，屏幕显示如图丁。（电费单价：0.5元 $/$千瓦时；忽略温度对电阻的影响；本次使用电火锅时，假设其两端电压不变。 $)$请回答：

（1）晚餐时家中照明电路的实际电压是　　伏；

（2）请从两个角度计算电火锅加热的实际电功率。

“光强”是表示光的强弱程度的科学量，照射光越强，光强越大，光强符号用 $E$表示，国际单位为坎德拉 $\left(\mathit{cd}\right)$。如图甲为光敏电阻的实物和元件符号，图乙为某种光敏电阻的阻值 $R$与光强 $E$间的关系图，图丙为小金利用这种光敏电阻所设计的电器，已知电源电压为 $6V$，小灯泡 $L$标有“ $6V6W$”字样，灯丝的电阻随温度的变化而变化。

（1）求小灯泡正常发光时的电流。

（2）光敏电阻接受光强为3坎德拉的光照射时，闭合开关，测得电路中的电流为 $0.6A$，求此时小灯泡的电阻。

（3）某次实验中测得小灯泡两端电压为 $1.5V$，光敏电阻消耗的电功率为 $2.25W$，求此时光敏电阻接收到光敏的光强。

如图甲所示。电源电压保持不变， $R_0$为定值电阻。闭合开关 $S$，将滑动变阻器的滑片从 $a$端滑到 $b$端的过程中，电压表示数 $U$与电流表示数 $I$间的关系图象如图乙所示。求：

（1）电源电压、 $R_0$的阻值、滑动变阻器的最大阻值。

（2）当滑片在 $a$端时，通电 $1\mathit{min}$电阻 $R_0$产生的热量。

我们生活在电的时代，电能的广泛使用，使电能的社会需求日趋紧张。节约电能，提高能源的利用率是一个在国民经济中具有重要战略意义的问题。改造和淘汰陈旧的设备、采用高压输电是节约能源的重要措施。其电站与用户间距离为 $10\mathit{km}$，输送的电功率为 $6.0\times {10}^4\mathit{kW}$，每米输电导线的电阻为 $1.8\times {10}^{-3}\Omega$，若输电电压从 $1.0\times {10}^{5}V$提高到 $3.0\times {10}^{5}V$。

（1）求输电线路损耗的电功率减少了多少？

（2）现输电导线在某处发生了短路，为确定短路位置，检修员在电站利用电压表、电流表和电源接成如图1所示电路进行检测。电压表的示数为 $3.0V$，电流表的示数为 $0.5A$，则短路的位置离电站的距离为多少？

（3）安全用电的常识之一是不靠近高压电，而双脚站在高压线上的小鸟（两脚间距离为 $5\mathit{cm}$，电阻为 ${10}^4\Omega )$居然安然无恙（图 $2)$，计算说明小鸟为什么不会触电死亡？在你的计算中运用了什么近似条件？

如图所示电路中，电源电压保持不变， $R_0$为定值电阻，灯泡 $L$的额定电压 $U_L=6V$．断开 $S_1$，闭合 $S_2$、 $S_3$，移动滑动变阻器的滑片，当电流表示数 $I_1=0.2A$时，电压表的示数 $U_1=4.8V$．闭合 $S_1$、 $S_2$、 $S_3$，滑片滑至最右端时，灯泡 $L$正常发光，电流表的示数 $I_2=0.75A$．断开 $S_3$，闭合 $S_1$、 $S_2$，在移动滑片的过程中，当电流表示数分别为 $I$、 $2I$时，滑动变阻器的电功率均为 $P_{同}$．忽略灯泡电阻随温度的变化。求：

（1）定值电阻 $R_0$的阻值；

（2）灯泡 $L$的额定电流 $I_L$；

（3）滑动变阻器的电功率 $P_{同}$。

小明同学设计了如图甲所示的汽车转向指示灯电路模型，接通相应指示灯后，指示灯会亮、暗（微弱发光）交替闪烁发光，电路中电源电压恒为 $6V$， $R_0$为定值电阻，指示灯规格均为“ $6V3W$”，电磁铁线圈和衔铁的电阻忽略不计，指示灯的电压与电流的变化规律如表所示：

电压 $/V$	$\dots$	0.5	1.2	2.0	3.0	4.0	5.0	5.5	$\dots$
电流 $/A$	$\dots$	0.08	0.12	0.18	0.26	0.34	0.42	0.46	$\dots$

（1）若让左转、右转指示灯同时工作，转向开关应与触点　　接通（选填“1和2”、“2和3”、“3和4”或“4和5” $)$。

（2）当转向开关与触点“2和3”接通时，右转指示灯两端实际电压 $U_{灯}$随时间 $t$变化规律如图乙所示，已知当右转指示灯微弱发光时，右转指示灯的功率与定值电阻 $R_0$的功率之比是 $1:4$，求定值电阻 $R_0$的阻值。

（3）右转指示灯交替闪烁工作 $15s$时，求指示灯和 $R_0$消耗的电能分别是多少？

如图所示，滑动变阻器 $R_1$、 $R_2$的规格都为“ $10\Omega 2A$”灯泡 $L$标有“ $3.0V3.0W$”的字样（不考虑灯丝电阻的变化）。当两个滑动变阻器的滑片 $P$都在最左端时，闭合开关 $S$，调节滑动变阻器 $R_2$的滑片至某位置时，灯泡恰好正常发光，此时电流表的示数为 $1.6A$，求：

（1）电源的电压。

（2）此时滑动变阻器 $R_2$接入电路的阻值。

（3）此电路在安全工作的前提下，计算电路消耗的总电功率范围（结果保留小数点后两位）。