《高中物理同步备课学案（2019人教版必修第三册）》第十二章 第一节 电路中的能量转化

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第十二章 电能 能量守恒定律
第 1 节　电路中的能量转化
知识点归纳
知识点一、电功和电功率
1．电功：
(1)公式推导：如图所示，如果电路左、右两端的电势差是 U，在电荷 q从左端移到右
端的过程中．静电力做的功是 W＝qU，把 q＝It 代入得 W＝IUt.
这表示，电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流 I、通
过时间 t三者的乘积．
(2)单位：焦耳，符号为 J.
2．电功率：
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。
(2)公式推导：用 P表示电功率，则有 P＝，进而得到 P＝IU.
(3)单位：瓦特，符号为 W.
(4)物理意义：表示电流做功的快慢．
(5)串联电路中：由 P＝I2R知＝＝…＝I2，电阻越大，功率越大；并联电路中：由 P＝
知P1R1＝P2R2＝…＝U2，电阻越小，功率越大．
知识点二、焦耳定律
1．推导：由欧姆定律 U＝IR 代入 Q＝IUt 后可得热量 Q的表达式 Q＝I2Rt.
2．内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间
成正比．
3．其微观解释是：电流通过金属导体时，自由电子在加速运动过程中频繁与正离子相
碰，使离子的热运动加剧，而电子速率减小，从宏观上看可以认为自由电子只以某一速率
定向移动，电能没有转化为电子的动能，只转化为内能．
4．实质：电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为内能．
5．适用范围：Q＝I2Rt 是电热的定义式，可求任何电路中电流 I通过电阻 R时产生的
热量(电热)．
6．热功率
1
(1)单位时间内电流通过导体发热的功率叫热功率．热功率即电能转化为内能的功率，
即P＝＝I2R.
(2)表达式：P＝I2R.
7．关于用电器的额定值问题．
额定电压是指用电器在正常工作的条件下应加的电压，在这个条件下它消耗的功率就
是额定功率，流经它的电流就是它的额定电流．
如果用电器在实际使用时，加在其上的实际电压不等于额定电压，它消耗的功率也不
再是额定功率，在这种情况下，一般可以认为用电器的电阻与额定状态下的值是相同的，
并据此来进行计算．
知识点三、焦耳定律和纯电阻电路、非纯电阻电路
1．常见的纯电阻性用电器有：电炉、白炽灯、电饭锅、电烙铁等．
在纯电阻电路中，电流通过做功将电能全部转化为热能．所以电功等于电热，即 W＝
Q，且有 W＝Q＝I2Rt＝t＝UIt＝Pt，P＝UI＝I2R＝.
2．常见的非纯电阻性用电器有：电风扇、电冰箱、空调机、蓄电池、电解槽等．
在非纯电阻电路中，电流做功将绝大部分电能变成其他形式的能(如机械能、化学能
等)，而只将一小部分电能变成热．所以电功大于电热，即 W>Q，此时计算电功只能用来
计算 W＝UIt＝Pt，计算电热只能用 Q＝I2Rt 来计算，电功率只能用 P＝UI＝来计算，热功
率只能用 P热＝I2R来计算．还要注意：
(1)对于非纯电阻电路，欧姆定律不再成立．
(2)不要认为有电动机的电路一定是非纯电阻电路，当电动机不转动时，该电路仍为纯
电阻电路，欧姆定律仍然适用．
3．电功和电热的计算公式比较
纯电阻电路 非纯电阻电路
电功 W＝UIt＝I2Rt＝t W＝UIt
电热 Q＝UIt＝I2Rt＝t Q＝I2Rt
电功率 P＝UI＝I2R＝P＝UI
热功率 P热＝UI＝I2R＝P热＝I2R
知识点四、电路中的能量转化
1．电动机工作时的能量转化
(1)能量关系：电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。
(2)功率关系：电动机消耗的功率 P电等于电动机的输出功率 P机与电动机损失的功率 P
2
损之和，即：P电＝P机＋P损，P电＝UI，P损＝I2R。
2．电池充电时的能量转化：电池从电源获得的能量一部分转化为化学能，还有一部分
转化为内能。
知识点五、电动机模型
1．电动机的等效处理：电动机是一种非纯电阻性用电器，它把电能转化为机械能和热
能．在电路计算中，常把电动机等效为阻值等于其内阻的电阻 rD和无电阻的转动线圈 D串
联而成，如图所示，电流通过 rD时把电能转化为热能，而线圈 D把电能转化为机械能．
2．输入功率：电动机的总功率．由电动机电路的电流和电压决定，计算：P总＝UI.
3．输出功率：电动机做有用功的功率．如图所示，P出＝mg·v(设重物匀速上升)．
4．热功率：电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要发热、热功率 P热＝I2r.
5．功率关系 P总＝P出＋P热．
6．电动机的效率 η＝×100%×100%.
7．解决电动机问题注意分两种情况：
(1)当电动机正常工作时，要分别搞清电动机的总功率、输出功率和热功率．
(2)当电动机因故障或其他原因不转动时，相当于一个纯电阻电路.
典例分析
一、电功的计算
例1 一根电阻丝，通过 2 C 的电荷量所消耗的电能是 8 J．若在相同的时间内通过 4 C
的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是(　　)
A．4 V,16 J　　　　　　　　B．8 V,16 J
C．4 V,32 J D．8 V,32 J
解析　利用 W＝qU 可求出电压 U1，再由 I＝＝可以求出 U2，
然后利用 W＝qU 求W2.
设电阻丝电阻为 R，开始所加电压 U1，则 W1＝q1U1
即8＝2U1，故 U1＝4 V.
设后来所加电压为 U2，产生的热量为 W2，则 I2＝＝①
又I1＝＝②
3
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