第12章 1. 电路中的能量转化-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第十二章 电能 能量守恒定律 第十二章 电能 能量守恒定律 课 标 要 求 1. 理解闭合电路欧姆定律。 会测量电源的电 动势和内阻。 通过探究电源两端电压与电流的关系， 体会图像法在研究物理问题中的作用。 2. 理解电功、 电功率及焦耳定律， 能用焦耳 定律解释生产生活中的电热现象。 3. 能分析和解决家庭电路中的简单问题， 能 将安全用电和节约用电的知识应用于生活 实际。 根据某家庭的电器设施， 估算该家庭电 路中所需导线的规格。 知 识 结 构 规 律 公 式 1. 闭合电路欧姆定律： I= E R+r 。 2. 焦耳定律： Q=I 2 Rt 。 提 纲 挈 领 本章内容是在第十一章电路及应用的基 础上， 讨论了电路中有关能量方面的问题， 主要涉及用电器的电功、 电功率、 电热 （焦 耳定律）、 热功率问题， 闭合电路中的能量 规律 （闭合电路欧姆定律）。 如下的内容或题型值得注意。 （ 1 ） 非 纯电阻电路的分析与计算。 非纯电阻电路是 指电路含有电动机、 电解槽等装置， 这些装 置的共同特点是可以将电能转化为机械能、 化学能等其他形式的能量。 （ 2 ） 闭合电路 动态分析： 电源有内阻， 电路中某些元件阻 值的变化， 引起电路电流、 内电压、 路端电 压、 总电功率、 内阻功率、 外阻功率、 电源 效率等相关物理量的变化。 实验主要是测量电源电动势和内阻， 这 个实验的设计方法比较多， 数据处理、 误差 分析比较复杂。 。 # # # " # # # $ 电 能 能 量 守 恒 定 律 。 # # # # # # # # # # # # # " # # # # # # # # # # # # # $ 常用仪表： 欧姆表原理 探究实验： 电源电动势和内阻的测量 闭合电路欧姆定律： I＝ E R+r 焦耳定律： Q=I 2 Rt 基本规律 律 基本 概念 电动势： E＝ W q ， 由电源本身性质决定 电功： W＝Uq＝UIt 电功率： P＝UI ， 对纯电阻电路， P＝UI＝I 2 R＝ U 2 R 61 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 知 识 梳 理 知识点 1 电功、 电功率 1. 电功。 （ 1 ） 本质： 电流做功， 实质上是导体中的静 电力对定向移动的电荷所做的功。 （ 2 ） 表达式： W=qU=UIt 。 （ 3 ） 单位： 国际制单位是焦耳， 符号是 J 。 （ 4 ） 常用单位： 千瓦时 （ kW · h ）， 也称度。 1 度 =1 kW · h=3.6×10 6 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， 叫作电功率。 （ 2 ） 表达式： P＝ W t ＝UI 。 （ 3 ） 单位： 国际制单位是瓦特， 符号是 W 。 常用单位还有千瓦 （ kW ）。 （ 4 ） 额定功率： 用电器正常工作时的功率。 用电器铭牌上通常标明的功率是额定功 率。 与额定功率相对应的电压、 电流分 别为额定电压和额定电流， 则 P 额 =U 额 · I 额 。 知识点 2 电热——焦耳定律、 热功率 1. 电热。 （ 1 ） 定义： 电流通过导体时产生的热量。 （ 2 ） 焦耳定律内容： 电流通过导体产生的热 量与导体的电流的二次方成正比， 与导 体的电阻成正比， 与通电时间成正比。 （ 3 ） 焦耳定律表达式： Q＝I 2 Rt 。 （ 4 ） 单位： 焦耳， 符号是 J 。 2. 热功率。 （ 1 ） 定义： 电流通过导体发热的功率。 （ 2 ） 表达式： P 热 =I 2 R 。 知识点 3 电路中能量的转化 1. 纯电阻电路： 电流通过纯电阻电路做功 时， 电能全部转化为导体的内能。 2. 非纯电阻电路： 含有电动机或电解槽的电 路称为非纯电阻电路。 在非纯电阻电路 中， 电流做的功除了将电能转化为内能 外， 还转化为机械能或化学能。 要 点 突 破 要点 1 电功和电热的理解 电功是量度电能转化为其他形式能的多 少的物理量。 如电炉、 电饭锅， 电流做功时 将电能全部转化为内能， 而电风扇工作时电 能主要转化成机械能， 同时也有少部分电能 转化成内能， 求电风扇发热应使用公式 Q= I 2 Rt ， 不能使用 Q=W=UIt 或 Q= U 2 R t ； 求电风 扇做功只能使用 W=UIt 。 一般的电路中， 电 功一定大于或等于电热， 即 W≥Q 。 例 1 判断下列说法的正误。 （ 1 ） 电功率越大， 表示电流做功越多。 （ ） （ 2 ） 电功 W＝UIt 可以用来计算所有电路中电 流所做的功。 （ ） 1. 电路中的能量转化 62 学 第十二章 电能 能量守恒定律 （ 3 ） 电热 Q＝I 2 Rt 可以用来计算所有含有电 阻的电路中产生的焦耳热。 （ ） （ 4 ） 电功一定等于电热。 （ ） （ 5 ） 电动机消耗的电能， 一部分转化为机械 能， 一部分转化为线圈内阻上的电热。 （ ） 解析： 电功率越大只能表示做功越快， 而不 是越多， 所以 （ 1 ） 错误。 纯电阻电路电功 一定等于电热， 非纯电阻电路， 电功不等于 电热， 所以 （ 4 ） 错误。 答案： （ 1 ） × （ 2 ） √ （ 3 ） √ （ 4 ） × （ 5 ） √ 变式训练 1 下列关于电功率的说法正确的是 （ ） A． 用电器的额定功率与用电器的实际电压 和实际电流有关 B． 用电器的实际功率取决于用电器的额定 功率 C． 白炽灯正常工作时， 实际功率等于额定 功率 D． 电功率越小， 则电流做功越少 要点 2 电路中能量的转化 例 2 （多选） 下列关于电功、 电功率和焦 耳定律的说法正确的是 （ ） A． 电功率越大， 电流做功越快， 电路中产 生的焦耳热一定越多 B． W＝UIt 适用于任何电路， 而 W＝I 2 Rt＝ U 2 R t 只适用于纯电阻电路 C． 在非纯电阻电路中， UI>I 2 R D． 焦耳热 Q＝I 2 Rt 适用于任何电路 解析： 电功率公式 P＝ W t ， 表示电功率越大， 电流做功越快。 对于一段电路， 有 P＝IU ， I＝ P U ， 焦耳热 Q＝ P U U # 2 Rt ， 可见 Q 与 P 、 U 、 t 、 R 都有关， 所以 P 越大， Q 不一定越大， A 错误； W＝UIt 是电功的定义式， 适用于任 何电路， 而 I＝ U R 只适用于纯电阻电路， B 正 确； 在非纯电阻电路中， 电流做的功 ＝ 焦耳 热 ＋ 其他形式的能， 所以 W>Q ， 故 UI>I 2 R ， C 正确； Q＝I 2 Rt 是焦耳热的定义式， 适用于 任何电路， D 正确。 思路点拨 考查对电功、 电功率、 电热的认识。 纯电阻电路 非纯电阻电路 能量转化 情况 电功和电热 的关系 W＝Q 即 IUt＝I 2 Rt＝ U 2 R t W＝Q＋E 其他 UIt＝I 2 Rt＋E 其他 Q W Q W E 其他 纯电阻电路 非纯电阻电路 电功率和热 功率的关系 P＝P 热 ， 即 IU＝I 2 R＝ U 2 R P＝P 热 ＋P 其他 即 IU＝I 2 R＋P 其他 欧姆定律 是否成立 U＝IR I＝ U R 成立 U＞IR I＜ U R 不成立 续表 思路点拨 W＝UIt 计算电功适用于任何电路 ， Q＝I 2 Rt 计算焦耳热也适用于任何电路， 只是电功和电热不一定相同。 63 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 答案： BCD 变式训练 2 关于电功 W 和电热 Q 的说法正确的是 （ ） A． 在任何电路中都有 W＝UIt ， Q＝I 2 Rt ， 且 W＝Q B． 在任何电路中都有 W＝UIt ， Q＝I 2 Rt ， 但 W 不一定等于 Q C． W＝UIt ， Q＝I 2 Rt 均只有在纯电阻电路中才 成立 D． W＝UIt 在任何电路中都成立， Q＝I 2 Rt 只在 纯电阻电路中才成立 要点 3 纯电阻电路功率的分配及计算 1． 串联、 并联电阻的功率分配 （ 1 ） 串联电路： P 1 P 2 ＝ R 1 R 2 ， P n P ＝ R n R （由 P＝I 2 R 可得）， 电阻越大， 功率越大。 （ 2 ） 并联电路： P 1 P 2 ＝ R 2 R 1 ， P n P ＝ R R n （由 P＝ U 2 R 可 得）， 电阻越大， 功率越小。 2． 计算纯电阻电路的功率时， 可以用 P＝UI ， 也可以用 P＝I 2 R 或 P＝ U 2 R 。 做题时要根据 题目灵活选用。 例 3 额定电压都是 110 V 、 额定功率 P A ＝ 100 W 、 P B ＝40 W 的灯泡两盏， 若接在电压 为 220 V 的电路上， 使两盏灯泡均能正常发 光， 且消耗功率最小的电路是 （ ） 解析： 灯泡 P＝UI＝ U 2 R ， 可知 R A ＜R B 。 对于 A 电路， 由于 R A ＜R B ， 所以 U B ＞U A ， 且有 U B ＞ 110 V ， B 灯被烧毁， U A ＜110 V ， A 灯不能 正常发光； 对于 B 电路， 由于 R B ＞R A ， A 灯 又并联滑动变阻器， 并联电阻小于 R B ， 所 以 U B ＞U 并 ， B 灯被烧毁， A 灯不能正常发光； 对于 C 电路， B 灯与滑动变阻器并联电阻可 能等于 R A ， 所以可能 U A ＝U B ＝110 V ， 两灯可 以正常发光； 对于 D 电路， 若滑动变阻器的 有效电阻等于 A 、 B 的并联电阻， 则 U A ＝U B ＝ 110 V ， 两灯可以正常发光。 比较 C 、 D 两 个电路， 由于 C 电路中滑动变阻器功率为 （ I A －I B ） ×110 V ， 而 D 电路中滑动变阻器功率 为 （ I A ＋I B ） ×110 V ， 所以 C 电路消耗电功率 最小。 答案： C 变式训练 3 如图所示， R 1 ＝ 2 Ω ， R 2 ＝10 Ω ， R 3 ＝ 10 Ω ， A 、 B 两端接 在电压恒定的电源 上， 则 （ ） A． S 断开时， R 1 与 R 2 的功率之比为 5 ∶ 1 A B C A B A A B D B A B 思路点拨 判断灯泡能否正常发光， 就要判断 电压是否是额定电压， 或电流是否是额 定电流。 R 1 R 2 R 3 S A B 变式训练 3 题图 64 学 第十二章 电能 能量守恒定律 B． S 闭合时通过 R 1 与 R 2 的电流之比为 2 ∶ 1 C． S 断开与闭合两种情况下， 电阻 R 1 两端 的电压之比为 2 ∶ 1 D． S 断开与闭合两种情况下， 电阻 R 2 的功 率之比为 7 ∶ 12 要点 4 非纯电阻电路功率的分析与计算 电动机的功率和效率 （ 1 ） 电动机的输入功率是电动机消耗的总功 率， P 入 ＝UI 。 （ 2 ） 电动机的热功率是线圈上电阻的发热功 率， P 热 ＝I 2 r 。 （ 3 ） 电动机的输出功率是电动机将电能转化 为机械能的功率， P 出 ＝IU－I 2 r 。 （ 4 ） 电动机的效率： η＝ P 出 P 入 ×100%＝ IU－I 2 r IU × 100% 。 例 4 小型直流电动机 （其线圈内阻为 r＝1 Ω ） 与规格为 “ 4 V 4 W ” 的小灯泡并联 ， 再与 阻值为 R＝5 Ω 的电阻串联， 然后接至 U＝ 12 V 的电源上， 如图所示， 小灯泡恰好正 常发光， 电动机正常工作， 求： （ 1 ） 通过电动机的电流。 （ 2 ） 电动机的输出功率 P 出 。 （ 3 ） 电动机的效率。 解析： （ 1 ） 流经灯泡的电流 I L ＝ P L U L ＝ 4 4 A＝ 1 A ， 流经电阻 R 的电流 I R ＝ U-U L R ＝ 12-4 5 A＝ 1.6 A ， 流经电动机的电流 I＝I R －I L ＝0.6 A 。 （ 2 ） 电动机消耗的总功率 P＝U L I＝4×0.6 W＝ 2.4 W ， 电动机的热功率 P 热 ＝I 2 r＝ （ 0.6 ） 2 ×1 W＝ 0.36 W ， 电动机的输出功率 P 出 ＝P－P 热 ＝2.4 W－ 0.36 W＝2.04 W 。 （ 3 ） 电动机的效率： η＝ P 出 P ×100%＝ 2.04 2.4 ×100%＝85% 。 答案 ： （ 1 ） 0.6 A （ 2 ） 2.04 W （ 3 ） 85% 变式训练 4 充电宝为手机电池充电 时， 充电宝输出的电能转化 为手机电池的化学能和内 能， 等效电路如图所示。 在 充电开始后的时间 t 内， 充电宝的输出电压 U 与输出电流 I 都可认为是恒定的， 若手机 电池的内阻为 r ， 则 t 时间内 （ ） A． 输出电流 I= U r B． 充电宝自身的热功率为 I 2 r C． 手机电池产生的焦耳热为 U 2 r t D． 手机电池储存的化学能为 UIt－I 2 rt 拓 展 创 新 1837 年， 焦耳为探索电流热效应的规 律， 把环形线圈放入装水的试管内， 测量不 同电流强度和电阻条件下的水温。 通过这一 实验， 他发现导体在一定时间内放出的热量 与导体的电阻及电流强度的平方之积成正 比。 此后不久， 俄国物理学家楞次公布了他 M U R 例 4 题图 思路点拨 电阻 R 是纯电阻， 适用于欧姆定律， 电动机不是纯电阻电路， 不能对电动机 用欧姆定律计算电流。 手 机 电 池 充电宝 变式训练 4 题图 65 学 高 中 物 理 必 修 第三册 （人教版） 知 识 梳 理 知识点 1 电动势 1． 非静电力。 （ 1 ） 产生： 电源内使正、 负电荷分离， 并使 正电荷聚积到电源正极、 负电荷聚积到 电源负极的非静电性质的作用力， 是对 除静电力外能对电荷流动起作用的其他 力的统称。 （ 2 ） 作用： 非静电力总是克服静电力做功， 非静电力做功的过程就是将其他形式的 能转化为电能的过程。 做多少功， 就有 多少其他形式的能转化为电能。 2． 电动势。 （ 1 ） 物理意义： 反映电源非静电力做功本领 大小的物理量。 （ 2 ） 定义： 在电源内部， 非静电力做的功 W 与所移动电荷量 q 之比。 （ 3 ） 定义式： E＝ W q ， 单位： 伏特， 符号： V 。 （ 4 ） 决定因素： 由电源中非静电力的特性 决定， 跟电源的体积无关， 跟外电路 无关。 知识点 2 闭合电路欧姆定律及能量分析 1． 部分电路欧姆定律。 （ 1 ） 内容： 导体中的电流跟导体两端的电压 U 成正比， 跟导体的电阻 R 成反比。 （ 2 ） 表达式： I＝ U R 。 2． 闭合电路的组成。 （ 1 ） 闭合电路： 由导线、 电源和用电器连成 的电路叫闭合电路。 （ 2 ） 内电路： 电源内部的电路叫内电路， 电 源的电阻叫内电阻。 （ 3 ） 外电路： 电源外部的电路叫外电路， 外 电路的电阻称为外电阻。 3． 闭合电路的能量分析。 纯电阻电路中， 对于电源来说， 因非静 电力做功将其他形式的能转化为电能， 转化 的数值与非静电力做的功 W 相等， 时间 t 内 电源输出的电能为 W=Eq=EIt 。 外电路转化的内能为 Q 外 =I 2 Rt 。 内电路转化的内能为 Q 内 =I 2 rt 。 根据能量守恒定律， 非静电力做的功应 该等于内、 外电路中电能转化为其他形式能 的总和， 即 W=Q 外 +Q 内 。 将 W 、 Q 外 和 Q 内 的表达式代入上述关系 式有 EIt＝I 2 Rt＋I 2 rt ； 约掉 It 得 E＝IR＋Ir 。 4． 闭合电路欧姆定律。 （ 1 ） 内容： 闭合电路的电流跟电源的电动势 成正比， 跟内、 外电路的电阻之和成 反比。 2. 闭合电路的欧姆定律 的大量实验结果， 进一步验证了焦耳关于电 流热效应结论的正确性。 因此， 该定律被称 为焦耳—楞次定律。 变式训练答案 1. C ２. Ｂ ３. Ｂ ４. Ｄ 66