3.3 电功与电热（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（鲁科版2019）

第3节　电功与电热 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 能理解电功、电功率及焦耳定律的内涵，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象，能解决一些电热问题；具有与恒定电流相关的能量观念 知道电流做功的过程就是电能与其他形式能量转化的过程；从能量转化和能量守恒的角度理解电功与电热的区别 能体会电能的使用对人类生活和社会发展的影响 [对应学生用书P66] 知识点一 电功和电功率 1.电功❶ (1)定义：导体中的自由电荷在电场力的作用下定向移动形成电流，电场力对自由电荷做的功，叫作电功。 (2)公式：W＝UIt。 (3)在国际单位制中，电功的单位是焦耳，符号为J。电功的常用单位还有千瓦·时(kW·h)，俗称度。 2．电功率 (1)定义：电流做的功与所用时间之比。 (2)公式：P＝＝UI。在国际单位制中，电功率的单位是瓦特，简称瓦，符号为W。 (3)物理意义：衡量用电器做功快慢的物理量。 1．电功率越大，表示电流做功越多。(　×　) 2．1千瓦时＝3.6×106 J。(　√　) 3．电功与能量的单位都是焦耳，电功就是电能。(　×　) 知识点二 焦耳定律 1.焦耳定律❷ (1)内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。 (2)公式：Q＝I2Rt。在国际单位制中，热量Q的单位是焦耳，符号为J。 (3)在只含电阻的纯电阻电路中，由U＝IR，可推得Q＝t。 2．纯电阻电路与非纯电阻电路 (1)纯电阻电路：电流通过只含电阻的纯电阻电路做功时，电流所做的电功与产生的热量相等，电能全部转化为导体的内能，即W＝Q＝UIt＝I2Rt。 (2)非纯电阻电路：含有电动机或电解槽等其他转换能量的装置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，还转化为机械能或化学能等其他形式的能，即W＝UIt＝I2Rt＋E其他。 (3)纯电阻电路中：W＝Q，P＝P热❸；非纯电阻电路中：W>Q，P>P热❹。 1．非纯电阻电路中，电热的表达式是Q＝I2Rt。(　√　) 2．电流流过笔记本电脑时，电功一定等于电热。(　×　) 3．根据I＝可导出P＝，该公式可用于任何用电器。(　×　) 知识点三 身边的电热 1.电流热效应的应用 如电热水器、电饭锅、电刻笔、电焊等都是利用电流的热效应工作的。 2．电流热效应的危害 (1)插头和插座之间接触不良会发热，甚至迸出火花。 (2)在输电线路中，由于电热的存在，降低了电能的输送效率。 (3)电线由于电流过大，散热不好会烧坏电线的绝缘层，引起漏电、触电。 批注❶：电功的微观解释 当给导体两端加上电压后，导体内部产生电场，在电场力作用下，自由电荷定向移动就形成了电流，电场力对自由电荷做功。通过电场力做功，用电器把电能转化成了各种各样的能量，服务于我们现在的生活。电功是描述电能转化为其他形式的能的多少。 批注❷：电热的微观解释 在自由电荷定向移动时，由于导体中金属离子的存在，自由电荷不断地与金属离子发生碰撞，使得金属离子的运动加剧，从而使导体温度升高，即产生了电热，这一过程中电能转化为内能，电热的多少反映了电能转化为内能的多少。 批注❸：纯电阻电路的模型及能量转换关系 批注❹：非纯电阻电路的模型及能量转换关系 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P68] 探究点一　电功和电功率　(能量观念之形成) ►情境探究 当家中只开一盏节能灯时，电能表的表盘转得很慢，而用电磁炉烧水时，电能表的表盘转得很快。这是为什么呢？ 提示：因为节能灯的功率远小于电磁炉的功率，故在相同时间内节能灯消耗的电能要远小于电磁炉消耗的电能。 ►探究归纳 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 公式P＝＝UI对任何电路都适用。 3．额定功率和实际功率 (1)额定功率：用电器正常工作时所消耗的功率，当用电器两端的电压达到额定电压或通过用电器的电流达到额定电流时，用电器达到额定功率。P额、I额、U额其中一个达到额定值，则另外两个也为额定值。 (2)实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率，一般情况下，为保证用电器的安全，实际功率应小于或等于额定功率。 ►对点例练 (2022·浙江名校协作体高二月考)新能源电动汽车是当代生活中重要的交通工具。某品牌观光新能源电动车的动力电源上的铭牌标有“120 V　250 Ah”字样。假设工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率3 kW。根据上述有关数据，下列说法不正确的是(　　) A．电动汽车保持额定功率行驶的最长时间是10 h B．电动汽车的额定工作电流为25 A C．动力电源充满电后储存的电能为1.08×108 J D．电动机的内阻为4.8 Ω D　解析：该电动汽车工作时电源的输出电压恒为120 V，额定输出功率为3 kW，则额定电流I＝＝ A＝25 A，B正确；根据q＝It可得电动汽车保持额定功率行驶的最长时间t＝＝＝10 h，A正确；动力电源充满电后储存的电能W＝Pt＝3 000×10×3 600 J＝1.08×108 J，C正确；由所给条件无法求得电动机的内阻，D错误，符合题意。 [练1](2021·浙江温州第二十二中学高二摸底考)如下表所示，是一玩具车的运行参数，据此下列说法正确的是(　　) 电池容量/工作电压 40 000 mAh/50 V 额定功率 400 W 充电器输出 8 V/2 000 mA 续航里程/行驶速度 20 km/≤36 km/h A．电池从完全没电到充满电所需时间为100 h B．玩具车正常工作的电流为50 A C.电池最大储存电能为1 152 000 J D．若该车以最大速度匀速行驶，假设转换率为100%，则该汽车能够行驶时间为1.8 h C　解析：充电器输出电流为2 000 mA，总电池容量为40 000 mAh，电池从完全没电到充满电所需时间应为20 h，A错误；玩具车正常工作电流应为I＝＝ A＝8 A，B错误；电池最大储存电能E＝qU＝40 A·3 600 s·8 V＝1 152 000 J，C正确；该汽车能够行驶的时间t＝＝2 800 s＝0.8 h，D错误。 探究点二　电功和电热的关系　(科学思维之提升) ►情境探究 在现代化生产生活中，电动机是我们的得力助手，能够帮我们处理许多问题。 (1)对于电动机的电路，电流做功把电能转化成什么能量？ (2)流过电动机的电流I、两端的电压U、电动机本身的电阻R三者之间满足怎样的关系？ 提示：(1)电动机把电能转化成内能和机械能。 (2)在相同时间t内，根据UIt＝I2Rt＋E其他可得，I<，不再遵循欧姆定律。 ►探究归纳 1．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件特点 电路中只有电阻元件 除电阻外还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器 电流、电压、电阻三者的关系 遵循欧姆定律I＝ 不遵循欧姆定律，由W＝UIt＝I2Rt＋W其他可知U>IR或I< 能量转化形式 电流做功全部转化为内能，W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t，P＝P热，即UI＝I2R＝ 电流做功转化为内能和其他形式的能量，电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，W＝Q＋E其他，P＝P热＋P其他，即UI＝I2R＋P其他 元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯 电动机、电解槽、电风扇 2.电动机的功率和效率 (1)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，P总＝UI。 (2)输出功率：电动机做有用功的功率。 (3)热功率：电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时产生热量的功率，热功率P热＝I2r。 (4)功率关系：P总＝P出＋P热。 (5)电动机的效率：η＝。 ►对点例练 (2022·河北秦皇岛第一中学高一期末)在如图所示的电路中，输入电压U恒为8 V，灯泡L标有“3 V　6 W”字样，电动机线圈的电阻RM＝1 Ω，若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是(　　) A．电动机的输入电压是8 V B．流过电动机的电流是1 A C．整个电路消耗的电功率是10 W D．电动机的效率是60% D　解析：该电路输入电压U恒为8 V，灯泡L两端电压为3 V，由串联电路分压规律可知，电动机的输入电压为5 V，A错误；流过灯泡的电流为I＝＝2 A，串联电路电流相等，故流过电动机的电流是2 A，B错误；整个电路消耗的电功率为P＝UI＝8×2 W＝16 W，C错误；电动机的电功率为P1＝UMI＝10 W，热功率为P2＝I2RM＝4 W，电动机的输出功率为P3＝P1－P2＝6 W，电动机的效率为η＝＝60%，D正确。 [练2]近年来，机器人逐渐走入我们的生活。如图所示，某科技小组在研究机器人内部直流电动机的性能时，发现当电动机两端电压为U1，通过的电流为I1时，电动机没有转动。当电动机两端电压为U2，通过的电流为I2时，电动机正常转动，则这台电动机正常工作时的输出功率为(　　) A．U1I1－ B．U2I2－ C．U2I2－U1I1 D．U2I2 B　解析：电动机内阻为rM＝，这台电动机正常工作时的输出功率为P出＝U2I2－I22rM，解得P出＝U2I2－，故选B。 解答有关电动机问题时需要注意的问题 (1)当电动机不转动时可以看成纯电阻电路，P＝UI＝I2R＝均成立。 (2)当电动机正常工作时，是非纯电阻电路，P电＝UI>P热＝I2R，U≠IR而有U>IR。 (3)输入功率指电动机消耗的总功率，热功率是线圈上的电阻的发热功率，输出功率是指电动机将电能转化为机械能的功率，三者的关系UI＝I2R＋P机。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3](生活情境)(2022·浙江台州高二期末)为了测出电视机机顶盒在待机时的电功率，某同学在国庆外出旅游期间，关闭家中其他用电器的电源，用电能表测出机顶盒待机时消耗的电能，数据如下表所示。若台州市有200万户家庭，按每户家庭一台机顶盒，每天机顶盒待机20 h，每度电按0.5元计算，我市所有家庭一天总共额外支付的电费为(　　) 时间 电能表示数 2020年10月1日上午9时 kW·h 2020年10月6日上午9时 kW·h A.20万元 B．24万元 C．200万元 D．240万元 A　解析：根据电能表读数的变化，这段时间电视机消耗的电能为W＝3 524.6 kW·h－3 523.4 kW·h＝1.2 kW·h，待机时间t＝24 h×5＝120 h，待机功率P＝＝＝0.01 kW＝10 W，200万户家庭待机消耗的电能W＝Pt′＝0.01 kW×2×106×20 h＝4×105 kW·h，应交电费0.5×4×105 元＝2.0×105元＝20万元，故选A。 [练4](生产情境)(2022·云南大理高一期末)某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果通过横截面积S的风有40%的动能转化为电能，则用上述已知量计算风能转化电能的功率表达式为(　　) A．ρSv B．ρSv2 C．ρSv3 D．ρSv4 C　解析：在t时间内通过横截面积S的空气的体积为V＝Svt，在t时间内通过横截面积S的空气的质量为m＝ρV，在t时间内通过横截面积S的空气的动能为Ek＝mv2，因为风的动能有40 %转化为电能，所以在t时间内得到的电能为W＝40%Ek，电功率为P＝，联立以上各式解得P＝ρSv3，故选C。 [练5](生活情境)如图所示，位于道路中央的移动式交通信号灯，采用太阳能供电。信号灯的光伏电池板有效采光面积约0.3 m2，晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为4×106 J。如果每天等效日照时间约为6 h，光电池一天产生的电能可供40 W的红绿灯工作8 h。光电池的光电转换效率约为(　　) A．4.8% B．9.6% C．16% D．28.8% C　解析：每天太阳能电池板吸收的太阳能为W总＝0.3×4×106×6 J＝7.2×106 J，每天红绿灯工作消耗的电能为W有用＝Pt＝1.152×106 J，光电池的光电转换效率约为η＝＝16%，故选C。 [练6](生活情境)(2022·江苏宿迁高一期末)如图甲所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图乙所示。在充电开始后的一段时间内，充电宝的输出电压U＝5.0 V，输出电流I＝0.6 A，可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻r＝0.5 Ω，则1 min内(　　) A．充电宝输出的电功率为3.18 W B．充电宝产生的热功率为0.18 W C．手机电池储存的化学能为169.2 J D．手机电池产生的焦耳热为18 J C　解析：充电宝输出的电功率为P＝UI＝3 W，A错误；充电宝的内阻未知，所以产生的热功率无法确定，B错误；手机电池储存的化学能为E＝(P－I2r)t＝169.2 J，C正确；手机电池产生的焦耳热为Q＝I2rt＝10.8 J，D错误。 [练7](生活情境)(2022·江苏南通高一检测)扫地机器人利用自身携带的小型吸尘部件进行吸尘清扫。某型号扫地机器人的说明书中标明：电池容量2 000 mA·h，额定电压15 V，额定功率30 W，则(　　) A．“mA·h”是能量的单位 B．该扫地机器人的额定电流为0.5 A C．该扫地机器人电动机线圈的电阻小于7.5 Ω D．该扫地机器人充电完毕后能连续工作4 h C　解析：mA是电流单位， h是时间单位，由q＝It可知，“mA·h”是电荷量的单位，故A错误；由P＝UI可知，扫地机器人正常工作时的电流为I＝＝ A＝2 A，故B错误；额定电压15 V，额定功率30 W的纯电阻用电器的电阻R＝＝ Ω＝7.5 Ω，但是该扫地机器人电动机工作时为非纯电阻电路，线圈阻值小于7.5 Ω，故C正确；扫地机器人充满电后一次工作时间为t＝＝＝1 h，故D错误。 [练8](生活情境)如图所示为某家庭使用的智能电饭锅的铭牌，假定该家庭用此电饭锅每天煮饭两次，每次在额定功率下工作30分钟，1 kW·h的电价为0.54元，则该电饭锅(　　) 全智能电饭煲 货号：FS406C 型号：MBFS406C 额定容量4.0 L 额定电压：220 V50 Hz 额定功率：900 W 全国服务热线：40088999316 热效率值(%)　79 待机能耗(W)　1.5 保温能耗(W)　30 内锅材质(金属或非金属)　金属 A.工作时的额定电流为0.4 A B．保温时的电流为0.2 A C．每次煮饭消耗电能4.5 kW·h D．一年因煮饭而产生的电费约为177元 D　解析：该电饭锅工作时的额定电流为I＝＝ A≈4.1 A，A错误；该电饭锅保温时的电流为I′＝＝ A≈0.14 A，B错误；该电饭锅每次煮饭消耗电能ΔE＝0.9 kW·0.5 h＝0.45 kW·h，C错误；该电饭锅一年因煮饭而产生的电费约为0.45×2×365×0.54元≈177元，D正确。 [练9](生活情境)(2022·浙江丽水高一检测)平衡车仅仅依靠人体重心的改变，便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。因为其炫酷的操作，平衡车已经从年轻人的玩具，变成了日常通勤的交通工具。某款电动平衡车的部分参数如下表所示，则下列说法中正确的是(　　) 额定功率 250 W 额定电压 36 V 锂电池容量 4 400 mAh 充电器输出 44 V　2 A 百公里耗电量 1.1 kWh 质量 12 kg A．该电池最多储存的电能约为5.7×105 J B．电池的容量是指电池储存的电能 C．电池从完全没电到充满电所需的时间为2 h D．该平衡车能骑行的最大里程约为144 km A　解析：电池最多储存的电能由E＝W＝qU，解得E＝4 400×10-3×3 600×36 J＝5.7×105 J，A正确；电池的容量是指电池放电时输出的总的电荷量，B错误；由电池容量除以充电电流可求得电池从完全没电到充满电所需的时间，为t＝＝2.2 h，C错误；该平衡车最大里程可由最大电能除以百公里耗电量计算，x＝×100 km＝14.4 km，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$