第3章 第3节 电功与电热-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理必修第三册同步导学案配套PPT课件（鲁科版）

第3节　电功与电热 第3章　恒定电流 [学习目标]　1.理解电功、电功率及焦耳定律的内涵,知道它们的区别与联系(重点)。2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别,理解两种电路的能量转化关系(重难点)。 课时作业 巩固提升 要点1　电功和电功率 要点2　焦耳定律及身边的电热 内容索引 要点1　电功和电功率 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.电功 (1)自由电荷在　　　力的作用下定向运动而形成电流,　　　力对自由电荷做的功,称为电功。  (2)公式:如果电路两端的电压是U,电流为I,在时间t内电流做的功W=　　　,单位是焦耳(J)。  电场 电场 UIt 2.电功率:电流做的功与所用时间之比。用公式表示为P==　　,单位是　　　　。  3.在电气设备或家用电器的铭牌和使用说明书上,一般都标有 　　　　　和　　　　　。  UI 瓦特(W) 额定电压 额定功率 [思考与讨论] 已知导线两端的电压为U,流过的电流为I,如图所示。 (1)在时间t内通过某横截面的电荷量是多少? 提示:(1)通过某横截面的电荷量q=It。 (2)把这些电荷量从左端移到右端,电场力做的功是多少? 提示: (2)电场力做的功W=qU=UIt。 1.对电功的理解 (1)从能的角度看,电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程,电功的大小量度了电能的减少量,标志着电能转化为其他形式的能的多少。 (2)从力的角度看,电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。 2.对电功率的理解 (1)电功率表示电流做功的快慢或用电器消耗电能的快慢。 (2)公式P==UI对任何电路都适用。 归纳 关键能力 合作探究 [例1]　(2024·山东滨州期中)机场规定:严禁携带额定能量超过160 W·h的充电宝搭乘飞机。一充电宝铭牌标识如图所示,下列说法正确的是(　　) 产品名称:充电宝 产品型号:K112 电池容量:11 200 mA·h 电源输入:5 V-1 A 电源输出:5 V-1 A A.机场限定的是充电宝储存的电能不超过5.76×105 J B.按照机场规定该充电宝不能带上飞机 C.充电宝上标注的11 200 mA·h是指其能储存的电能 D.充电宝上标注的11 200 mA·h是指其能储存的最大电荷量为672 C [答案]　A 根据W=Pt可得W=Pt=160×3 600 J=5.76×105 J,故机场携带的充电宝的电能不能超过5.76×105 J,故A正确;由表中数据可知该充电宝的额定能量为W'=UIt=5×11.2×3 600 J=2.016×105 J<5.76×105 J,因此该充电宝可以带上飞机,故B错误;充电宝上标注的11 200 mA·h是其储存的最大电荷量,不是电能,储存的最大电荷量为Q=It=11.2×3 600 C=40 320 C,故C、D错误。 [针对训练]　1.(2024·浙江舟山期末)如图所示的“52 ℃暖手充电宝”集暖手与移动充电两大功能于一体而受到热捧。下表中列出了这种产品的几个主要参数。 产品名称 52 ℃暖手充电宝 质量 285 g 尺寸 74×68.5× 33.8(mm) 电池容量 5 000 mA·h 输入 DC 5 V/ 2.5 A(最大) 输出 DC 5 V/ 2 A(最大) 发热温度 52 ℃ 发热功率 2.0 W 根据上述信息,下列说法正确的是(　　) A.5 000 mA·h的mA·h是能量单位 B.参数“DC 5 V”中“DC”指交流电 C.以最大电流给手机充电,充电宝最多能连续工作2个小时 D.该产品仅用作暖手,理论上可持续工作12.5小时 D mA·h是电荷量的单位,故A错误;参数“DC 5 V”中“DC”是直流电的意思,故B错误;由图示信息可知,充电宝的最大输出电流为2 A,根据I=可知,以最大电流给手机充电,充电宝持续工作时间为t===2.5 h,故C错误;该充电宝储存的电能为W=qU=5 000×10-3×3 600×5 J=9×104 J,由图示信息可知仅用作暖手时的功率为2 W,根据W=Pt可得持续时间t===4.5×104 s=12.5 h,故D正确。 二 要点2　焦耳定律及身边的电热 15 1.焦耳定律 (1)内容:电流通过导体产生的热量与　　　　　　　　成正比,与导体的　　　及　　　　　成正比。这就是焦耳定律。  (2)公式:Q=I2Rt。 (3)在　　　　　的纯电阻电路中,由U=IR可推得Q=t=UIt。  梳理 必备知识 自主学习 电流的二次方 电阻 通电时间 只含电阻 2.纯电阻电路与非纯电阻电路 (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　　　。  (2)非纯电阻电路:含有　　　　或　　　　的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中,电能除部分转化为内能外,还转化为 　　　　或　　　　等其他形式的能。  (3)纯电阻电路中:W　　Q;P　　P热;  非纯电阻电路中:W=Q+E其他　　Q;P=P热+P其他　　P热。  内能 电动机 电解槽 机械能 化学能 = = ≥ ≥ 3.身边的电热 (1)如电水壶、电饭锅、电暖器、电熨斗等都是利用电流的 　　　　　工作的。  (2)电流热效应的危害 如果插头和插座之间接触不良会迸出火花。在输电线路中由于电热,降低电能的传输效率,电流　　　,散热不好,还会烧坏电线的绝缘层,引起漏电、触电等事故。  热效应 过大 [思考与讨论] 把标有“220 V　60 W”的白炽灯和“220 V　60 W”的电风扇并联后接到220 V的照明电路中,二者都能正常工作,它们在相同的时间内产生的电热相同吗?为什么? 提示:不同,因为电风扇是非纯电阻元件,因此不能用Q=t求它在正常工作时产生的电热,只能用Q=I2Rt求其所产生的电热,因内阻未知,所以无法计算。但我们可以从能量转化的角度来分析,白炽灯通电时将电能全部转化为内能,而电风扇通电后消耗的电能一部分转化为电热,另一部分转化为机械能。 1.两种电路的比较 归纳 关键能力 合作探究 比较内容 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件 特点 电路中只有电阻元件,只能把电能转化为内能 除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的用电器 欧姆 定律 遵循欧姆定律,I= 不遵循欧姆定律,U>IR或I< 比较内容 纯电阻电路 非纯电阻电路 能量 转换 W=Q=UIt=I2Rt=t   电功W=UIt,电热Q=I2Rt,W=Q+W其他   元件 举例 电阻、电炉、白炽灯等 电动机、电解槽等 2.含电动机电路的功率计算 (1)电动机模型:如图所示,电动机由线圈电阻和其他元件组成。电动机正常工作时,部分电压加在线圈电阻上,大部分电压加在其他元件上用来将电能转化为机械能,此时电路为非纯电阻电路;电动机通电但不工作时,电压全部加在线圈电阻上,此时电路为纯电阻电路。 (2)电动机的特性:电动机是一种非纯电阻用电器,它把电能转化为机械能和内能。在电路计算中,欧姆定律不再适用。 (3)输入功率:电动机消耗的功率即总功率,P总=UI。 (4)输出功率:电动机做有用功的功率。如图所示,P出=mgv(设重物匀速上升)。 (5)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。 (6)功率关系:P总=P出+P热。 (7)电动机的效率:η=×100%。 [例2]　一台电风扇的额定功率是60 W,内阻为2 Ω,当把它接在220 V的电压下时可以正常运转。 (1)当电风扇正常运转时,通过它的电流为多大?每秒钟有多少电能转化为机械能? [答案]　(1)0.27 A　59.85 J (1)电风扇正常运转,消耗的功率为额定功率,P=UI,所以I== A≈0.27 A,由能量守恒定律得W=Q+E,Pt=I2Rt+E,所以E=Pt-I2Rt≈59.85 J。 (2)若接上电源后,电风扇因故不能转动,这时通过它的电流为多大?电风扇实际消耗的电功率为多大?此时可能会发生什么问题? [答案]　(2)110 A　24 200 W　电风扇将被烧坏 (2)电风扇不转动时,相当于纯电阻,由欧姆定律得U=I'R,所以I'== A=110 A,实际消耗的电功率P'== W=24 200 W。由于电风扇实际消耗的电功率远大于其额定功率,且电能全部转化为内能,电风扇将被烧坏。 方法总结 电动机做功往往视为非纯电阻电路问题,但如果电风扇通电后由于某种原因被卡住,导致扇叶不转动,此时电动机做功视为纯电阻电路问题。 [针对训练]　2.(多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是(　　 ) 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=I2Rt=t只适用于纯电阻电路 C.在非纯电阻电路中,UI>I2R D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路 BCD 对于一段电路,有P=IU,I=,焦耳热Q=()2Rt,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=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,即UI>I2R,C正确;Q=I2Rt是焦耳热的定义式,适用于任何电路,D正确。 3.(2024·浙江嘉兴期末)如图所示为一键加水的全自动电热水壶,当壶内水位过低时能自动加满水,加热之后的水经过一段时间后冷却,机器又可以自动加热到设定温度。某兴趣小组对水泵电路进行单独测试时发现,当其两端所加电压U1=8 V时,电动机不转动,此时通过它的电流I1=2 A;当其两端所加电压U2=32 V时,电动机能带动负载正常运转,这时电流I2=1 A。电热水壶加热部分的信息如铭牌所示,则(　　) A.这种电热水壶工作时加热部分的电阻约为4 Ω B.水泵正常工作时消耗的热功率为16 W C.水泵正常工作时,其输出的机械功率为28 W D.使用一天该电热水壶消耗的电能为 43.2 kW·h 答案:C 根据铭牌,这种电热水壶工作时加热部分的电阻约为RL== Ω≈ 27 Ω,A错误;电动机的内阻为r== Ω=4 Ω,水泵正常工作时消耗的热功率为Pr=r=12×4 W=4 W,B错误;水泵正常工作时,其输出的机械功率为P出=U2I2-r=32×1 W-12×4 W=28 W,C正确;在一天内该电热水壶不可能一直处于加热状态,所以消耗的电能不确定,D错误。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.室内有几种用电器:1.5 kW的电饭煲、200 W的电冰箱、750 W的取暖器、250 W的电视机和2 kW的空调器。如果进线处有13 A的保险丝,供电电压为220 V,下列情况下不能同时使用的是(　　) A.电饭煲和电冰箱 B.取暖器和空调器 C.电饭煲和空调器 D.电冰箱、电视机和空调器 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 电路中允许的最大功率为Pm=UI=2 860 W。当用电器的功率之和大于Pm时,用电器就不可以同时使用,故选项C正确。 2.通过电阻R的电流为I时,在t时间内产生的热量为Q,若电阻为2R,电流为,则在时间t内产生的热量为(　　) A.4Q　　　　　　　　　 B.2Q C. D. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 根据Q=I2Rt得,电阻变为原来的2倍,电流变为原来的,时间不变,则热量变为原来的,C正确。 3.三只电阻R1、R2和R3按如图所示方式连接,在电路的A、B端加上恒定电压后,电阻R1消耗的功率最大,则三只电阻的阻值大小关系为(　　) A.R1>R2>R3 B.R2>R1>R3 C.R3>R2>R1 D.R1>R3>R2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 电阻R1、R2并联,电阻两端的电压相等,因为电阻R1消耗的功率最大,由功率公式P=可判断R2>R1,由串、并联电路的特点可知,通过电阻R1的电流小于通过电阻R3的电流,根据功率公式P=I2R可判断R1>R3,故选项B正确。 4.如图所示,有一内电阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V　60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端,灯泡正常发光,则(　　) A.电解槽消耗的电功率为120 W B.电解槽的发热功率为60 W C.电解槽消耗的电功率为60 W D.电路消耗的总功率为60 W 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 灯泡能正常发光,说明电解槽和灯泡均分得110 V电压,且干路电流I=I灯= A,则电解槽消耗的电功率P=P灯=60 W,A错误,C正确;电解槽的发热功率P热=I2R内≈1.3 W,B错误;整个电路消耗的总功率P总=220× W=120 W,D错误。 5.一白炽灯泡的额定功率与额定电压分别为36 W与36 V。若把此灯泡接到输出电压为18 V的电源两端,则灯泡消耗的电功率(　　) A.等于36 W B.小于36 W,大于9 W C.等于9 W D.小于9 W 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 白炽灯在正常工作时的电阻为R,由P=得R=36 Ω,当接入18 V电压时,假设灯泡的电阻也为36 Ω,则它消耗的功率为P'== W=9 W,但是当灯泡两端接入18 V电压时,它的发热功率小,灯丝的温度较正常工作时的温度低,其电阻率小,所以其电阻要小于36 Ω,其实际功率要大于9 W,故B项正确。 6.当电阻两端加上某一稳定电压时,通过该电阻的电荷量为0.3 C,消耗的电能为0.9 J。若相同时间内使0.6 C的电荷量通过该电阻,则在其两端需加的电压和消耗的电能分别是(　　) A.3 V,1.8 J B.3 V,3.6 J C.6 V,1.8 J D.6 V,3.6 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 设两次加在电阻R上的电压分别为U1和U2,通电的时间都为t,由公式W1=U1q1和W1=t可得U1=3 V,=0.1 s/Ω。再由W2=U2q2和W2=t可求出U2=6 V,W2=3.6 J,D正确。 7.(2024·广东珠海期末)用充电宝给手机电池充电时,充电宝输出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和输出电流I都可认为是恒定的。若手机电池的内阻为r,则t时间内(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 A.充电宝输出的电流为I= B.充电宝输出的电功率为UI+I2r C.手机电池产生的焦耳热为t D.手机电池储存的化学能为UIt-I2rt 答案:D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 手机电池不是纯电阻,则输出电流I≠,故A错误;因为充电宝的输出电压为U和输出电流为I,故充电宝输出的电功率为UI,故B错误;手机电池产生的焦耳热为Q=I2rt≠t,故C错误;手机电池储存的化学能为E=UIt-I2rt,故D正确。 [B组　综合强化练] 8.一电饭煲和一洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上,均能正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流为5.0 A,通过洗衣机电动机的电流为0.50 A,则下列说法正确的是(　　) A.电饭煲的电阻为44 Ω,洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω B.电饭煲的电功率为1 555 W,洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W C.1 min内,电饭煲消耗的电能为6.6×104 J,洗衣机消耗的电能为6.6×103 J D.电饭煲发热功率是洗衣机发热功率的10倍 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 电饭煲为纯电阻元件,电阻R==44 Ω,电功率P=UI=1 100 W,1 min内消耗的电能E=UIt=6.6×104 J;洗衣机电动机线圈电阻无法确定,也无法确定其发热功率,洗衣机电功率P'=UI'=110 W,1 min内消耗的电能E'=UI't=6.6×103 J,故选项C正确,A、B、D错误。 9.(2024·北京顺义区期末)某简易电吹风简化电路如图所示,其主要部件为电动机M和电热丝,部分技术参数如下表,电吹风在220 V电压下工作。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 额定电压 220 V 额定功率 热风时:990 W 冷风时:110 W A.开关S1、S2都闭合时电吹风吹冷风 B.吹热风时通过电热丝的电流为4 A C.吹热风时电热丝的功率为990 W D.该电吹风中电动机的内电阻为440 Ω 答案:B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 开关S1、S2都闭合时,电热丝工作,电吹风吹热风,故A错误;吹热风时电热丝的功率为P=P1-P2=880 W,通过电热丝的电流为I1==4 A,故B正确,C错误;若电动机是纯电阻元件,电阻为R==440 Ω,但电动机是非纯电阻元件,所以内阻不等于440 Ω,故D错误。 10.如图所示是家用电饭煲的电路图。将电饭煲接到稳压电源上,当开关接通“加热”挡时,电热丝以额定功率给食物加热,当食物蒸熟后,开关接通“保温”挡,给食物保温,这时电热丝的功率为其额定功率的,电流为1.40 A,已知分压电阻的阻值是R=100 Ω。求: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (1)保温时,电阻R两端的电压; 答案:(1)140 V　 (1)电阻R两端的电压为 UR=IR=1.40×100 V=140 V。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (2)稳压电源输出的电压; 答案: (2)210 V　 (2)设电热丝的电阻为r,电源输出电压为U,由题意知()2r=·, 解得r=50 Ω, 故U=I(R+r)=1.40×(100+50)V=210 V。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (3)电热丝的额定功率。 答案: (3)882 W (3)由P=得P= W=882 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 11.如图所示是一直流电动机工作时的电路图,电动机内阻r=0.8 Ω,电路中另一电阻R=10 Ω,直流电压U=160 V,电压表示数UV=110 V。试求: (1)通过电动机的电流; 答案:(1)5 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (1)由电路中的电压关系可得电阻R的分压 UR=U-UV=(160-110)V=50 V 通过电阻R的电流 IR== A=5 A 即通过电动机的电流IM=IR=5 A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (2)输入电动机的总功率; 答案: (2)550 W　 (2)电动机的分压UM=UV=110 V 输入电动机的总功率 P总=IM·UM=550 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (3)电动机输出的机械功率。 答案: (3)530 W (3)电动机的热功率P热=r=20 W 电动机输出的机械功率 P出=P总-P热=530 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 [C组　培优选做练] 12.如图为一种服务型机器人,其额定功率为48 W,额定工作电压为24 V,机器人的锂电池容量为20 A·h,则机器人(　　) A.额定工作电流为20 A B.充满电后最长工作时间为2 h C.电池充满电后总电荷量为7.2×104 C D.以额定电流工作时每秒消耗的能量为20 J 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 由P=IU知额定电流I==2 A,选项A错误;充满电后,锂电池容量为20 A·h,最长工作时间t==10 h,选项B错误;电池充满电后总电荷量Q=It=20×3 600 C=7.2×104 C,选项C正确;以额定电流工作时每秒消耗的能量W=Pt1=48 J,选项D错误。 13.(多选)(2024·广西南宁期末)小明去逛超市,遇促销打折买了一个电吹风,电吹风的使用说明书上给出了如表所示的参数及如图所示电路图。下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 电吹风铭牌参数 额定电压 220 V　50 Hz 额定功率 热风 1 000 W 冷风 250 W A.该电吹风发热电阻R的阻值约为64.5 Ω B.该电吹风电动机M的内阻为193.6 Ω C.当开关S1断开、S2闭合时,电吹风吹冷风 D.当开关S1、S2均闭合时,电动机每秒消耗的电能为1 000 J 答案:AC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 由表格可知发热电阻的功率PR=P-PM=1 000 W-250 W=750 W,所以该电吹风发热电阻R== Ω≈64.5 Ω,故A正确;电动机正常工作过程为非纯电阻用电器,高中阶段无法计算出电动机内阻,故B错误;由题图可知当开关S1断开、S2闭合时,发热电阻断路,电吹风吹冷风,故C正确;当开关S1、S2均闭合时,电吹风吹热风,电动机正常工作, 功率仍然为250 W,故电动机每秒消耗的电能为W= PMt=250×1 J=250 J,故D错误。 $$