第十二章 电能 能量守恒定律 知识清单 -2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019） 必修第三册

高中物理知识点 必修三 第十二章 电能 能量守恒定律 ◆内容框架 ◆必须掌握的知识 一、电路中的能量转换 1.电功 （1）定义： 电路中电场力对电荷做的功。 （2）公式： （3）单位： 焦耳，简称焦，符号为。 （4）实质： 电流通过一段电路所做的功，实质是静电力在这段电路中所做的功。科学研究中交静电力做功，生活生产中称为电流做功，简称电功。 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）公式： （3）单位： 瓦特，简称瓦，符号是。 （4）额定功率： 用电器长期工作时的最大功率，即用电器加上额定电压时的功率。一般在电器铭牌上标示的功率即为额定功率。 （5）实际功率： 用电器实际工作时消耗的功率。 3.焦耳定律 （1）内容： 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻和通电时间成正比。 （2）表达式： 可求任何电路中电流通过电阻时产生的热量，即电热。在任何电路中，计算电功都用，计算电热都用，这两个公式分别是电功、电热的定义式。 （3）热功率： ①定义：单位时间内的发热量通常称为热功率； ②公式： ； ③实质：电能转化为内能的那部分功率。 4.电路中的能量转换 （1）纯电阻电流和非纯电阻电流 纯电阻电路 非串电阻电路 元件特点 电路中只有电阻元件，只能把电能转化为内能 电路中除电阻外还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器 欧姆定律 遵循欧姆定律： 不遵循欧姆定律：或 能量转化 电能全部转化为内能 电能除转化为内能外还转化为其他形式的能 电功率与热功率 、 举例子 热得快、电炉丝、电热毯等 电动机、电解槽等 不管是纯电阻电流还是非纯电阻电路，计算时电功都用，热量都用，热功率都都用，若用欧姆定律时，就要考虑是否是纯电阻电路。 （2）电动机中的能量转化 ①输入功率(总功率)：电动机消耗的功率，用表示，； ②输出功率(机械功率)：电动机对外做功输出的功率，用表示，； ③热功率(损失功率)：电动机线圈发热的功率，用表示，，为电动机线圈的电阻； ④功率关系：根据能量守恒定律可得； ⑤电动机的效率： 。 二、闭合电路的欧姆定律 1.电动势 （1）电源： 从能量转化的角度看，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。 （2）电动势： 在物理学中，我们把非静电力所做的功与所移动的电荷量之比叫作电动势，用符号表示。 （3）公式： 在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内部从负极已送到正极所做的功。 （4）单位： 在国际单位制中，电动势的单位是伏特，简称伏，符号是V。 （5）物理含义： 电源把其他形式的能转化为电势能的本领。 （6）特点： ①电动势由电源中非静电力的特性决定，与外电路无关； ②对于常用的干电池来说，电动势跟电池的体积无关。 （7）电动势与电势差的比较 项目 电动势 电势差 物理意义 非静电力做功,其他形式的能转化为电势能 静电力做功,电势能转化为其他形式的能 定义式 ，为非静电力做的功 ，为静电力做的功 单位 伏特（V） 联系 ，电动势在数值上等于电源未接入电路时两极间的电势差 2.闭合电流欧姆定律及其能量分析 （1）闭合电流欧姆定律 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表达式：，或路端电压； ③电源外部特性曲线：电源接入电路时，路端电压随总电流的变化曲线。可计算电动势、短路电流和内阻。 （2）电路动态分析的方法-程序法 电路的动态变化是指由于开关的断开或闭合、滑动变阻器滑片的滑动等造成电路结构发生了变化，一处变化又引起了一系列的变化。 第一步:确定电路的外电阻如何变化； 第二步:根据闭合电路欧姆定律确定电路中的总电流如何变化； 第三步:由确定内电压如何变化； 第四步:由确定路端电压如何变化； 第五步:由部分电路欧姆定律确定干路上某定值电阻两端的电压如何变化； 第六步:由串、并联电路的规律确定各支路两端的电压以及通过各支路的电流如何变化。 （3）电路动态分析的规律 ①判定总电阻变化情况的规律，当外电路的任何一个电阻增大(或减小)时，电路的总电阻一定增大(或减小)； ②判定总电阻变化情况的规律，若开关的通、断使串联的用电器增多时，电路的总电阻增大；若开关的通、断使并联的支路增多时，电路的总电阻减小； ③“串反并同”中所谓“串反”,即某一电阻增大时,与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小,反之则增大； ④“串反并同”中所谓“并同”,即某一电阻增大时,与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大，反之则减小。 3.路端电压和负载的关系 （1）路端电压的表达式： （2）路端电压随外电阻的变化规律： ①当外电阻增大时，由可知电流减小，路端电压增大； ②当外电阻减小时，由可知电流增大，路端电压减小； ③两种特殊情况:当外电路断开时,电流变为0，U=E，即断路时的路端电压等于电源电动势，当电源短路时，外电阻，此时。 （3）电源的图像： 由可知电源的图像是一条倾斜的直线，如图所示，图像中轴截距表示电源电动势,轴截距等于短路电流(纵、横坐标都从零开始)，斜率的绝对值表示电源的内阻。 4.电源的功率与效率 （1）电源总功率： ①任意电路： ②纯电阻电路： （2）电源内部消耗的功率： （3）电源的输出功率： ①任意电路： ②纯电阻电路： （4）与外电阻的关系： （5）电源的效率： ①任意电路： ②纯电阻电路： 5.电功、电热及电功率、热功率的比较 纯电阻电路 非纯电阻电路 实例 白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等 电动机、电解槽、日光灯等 电功与电热 电功率与热功率 6.两类图像的比较及应用 电源的图像 电阻的图像 图像 物理意义 路端电压随电流的变化规律 电阻两端电压随电流的变化规律 截距 与纵轴交点表示电源电动势E,与横轴交点表示短路电流 过坐标轴原点，表示没有电压时电流为零 坐标的乘积 表示电源的输出功率 表示电阻消耗的功率 坐标的比值 表示外电阻的大小，不同点对应的外电阻大小不同 每一点对应的比值均等大，表示此电阻的大小不变 斜率的绝对值 内电阻 电阻大小 三、实验 电池电动势和内阻的测量 1.实验原理 根据电源外部特性曲线，通过测量路端电压与流过电源的总电流，可绘制电源外部特性曲线，求得电源电动势和内阻，即由，得和，解得：。 2.数据处理 （1）计算法： 由，得和，解得：，。 要求：至少需要两组数据才能解出电源的电动势和内阻。 （2）图像法：以路端电压为纵轴、干路电流为横轴作图。 ①图线与纵轴交点为； ②图线与横轴交点为； ③图线斜率的绝对值表示。 3.误差分析 （1）由于电表读数不准引起误差； （2）用图像法求和时,由于作图不准确造成的误差； （3）测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起变化； （4）电压表分流，导致电流表读数小于流过电源的总电流； （5）电流表分压，导致电压表读数小于路端电压。 4.实验的创新与改进 （1）安阻法： 用一个电流表和电阻箱测量，电路如图所示，测量原理为： 由此可求出和,此种方法使测得的电动势无偏差，内阻偏大。若已知电流表A的阻值可消除测内阻的系统误差。 （2）伏阻法： 用一个电压表和电阻箱测量，电路如图所示，测量原理为： 由此可求出和，此种方法测得的电动势和内阻均偏小。 四、能源与可持续发展 1.能量守恒定律 （1）能量守恒定律： 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这个规律叫作能量守恒定律。 （2）动量守恒定律： 如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0，这个系统的总动量保持不变。 （3）电荷守恒定律： 一个与外界没有电荷交换的系统电荷的代数和保持不变。 2.能量转移或转化的方向 （1）一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 （2）能量的耗散：能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。能源的利用受这种方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的。 3.能源的分类 （1）不可再生能源：无法在短时间内再生。 ①煤炭：是重要的一次能源，广泛用于火力发电、工业生产等领域。但煤炭的形成需要漫长的地质年代，一旦开采耗尽，短期内无法再生； ②石油：是现代工业的“血液”，可提炼出汽油、柴油等燃料，用于交通运输、化工等行业。石油的储量有限，且形成过程极为缓慢； ③天然气：主要成分是甲烷，是一种较为清洁的化石能源。用于居民生活燃气、工业燃料等方面，同样属于不可再生资源。 （2）可再生能源：在自然界可以再生。 ①太阳能：取之不尽，用之不竭。通过太阳能电池板可以将太阳能转化为电能，用于家庭供电、太阳能热水器等； ②风能：利用风力发电机将风能转化为电能。在一些风资源丰富的地区，风能发电得到了广泛应用； ③水能：通过水力发电站将水的势能转化为电能。河流、湖泊等水资源丰富的地区适合发展水力发电； ④生物质能：由生物体产生的能量，如农作物秸秆、木材等可以通过燃烧或发酵等方式转化为能源。 （3）清洁能源： ①太阳能：如前所述，太阳能在使用过程中不产生任何污染物，是一种非常清洁的能源； ②风能：同样，风能在发电过程中不会产生污染物，对环境友好； ③水能：水力发电虽然会对生态环境产生一定影响，但相对化石能源来说，其污染较小； ④地热能：利用地球内部的热量进行发电或供暖，不产生污染物； ⑤氢能：燃烧产物只有水，是一种零污染的能源。但目前氢能的制取、储存和运输等方面还存在一些技术难题； ⑥核能在一定程度上可以被认为是清洁能源。 一方面，核能在正常运行过程中，不会像化石能源那样排放大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物，对空气环境的污染极小。同时，核能的能量密度非常高，少量的核燃料就可以产生巨大的能量，能够为社会提供大量的电力供应。 另一方面，核能也存在一些潜在的问题。例如，核废料的处理是一个难题，核废料具有放射性，需要进行妥善的处理和储存，否则会对环境和人类健康造成严重威胁。此外，如果核电站发生事故，如切尔诺贝利事故和福岛核事故等，可能会释放出大量的放射性物质，对周围环境和居民造成巨大的危害。 核能具有清洁的一面，但也存在一定的风险和挑战。在利用核能时，必须采取严格的安全措施和有效的核废料处理方法，以确保其安全、可靠地为人类服务。 学科网（北京）股份有限公司 $$