第12章 第1节 电路中的能量转化 -【创新教程】2025-2026学年高中物理必修第三册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第1节　电路中的能量转化 知识导图 学科素养 物理观念：理解电功与电功率的概念，知道焦耳定律的物理意义；了解纯电阻电路和非纯电阻电路中能量的转化 科学思维：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 科学探究：能从能量的转化角度推导焦耳定律 科学态度与责任：了解科学技术与社会环境的关系，具有节约能源的意识，培养自觉保护环境的行为习惯 [知识梳理] 一、电功和电功率 1．电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的　静电力　做功． 2．电功 (1)定义：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　、通电　时间t　三者的乘积． (2)公式：W＝　UIt　. (3)单位：国际单位是　焦耳　，符号是　J　. 3．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：P＝＝　UI　. (3)单位：国际单位是　瓦特　，符号是　W　. 二、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　及　通电时间　成正比． 2．表达式：Q＝　I2Rt　. 3．热功率 三、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． [基础自测] 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)电功与电能不同，电流做功的过程就是电能向其他形式的能量转化的过程．(√) (2)电功率越大，表示电流做功越多．(×) (3)焦耳定律的表达式为Q＝I2Rt，此式适用于任何电路．(√) (4)三个公式P＝UI、P＝I2R、P＝没有任何区别，它们表达相同的意义，所示P即是电功率．(×) 2．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．为在相同时间内使0.6 C的电荷量通过该电阻，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 解析：D　[根据公式W＝Uq可知，当通过该电阻的电荷量为0.3 C，消耗的电能为0.9 J时，电阻的两端电压为3 V，此时的电流为I；若在相同时间内使0.6 C的电荷量通过该电阻，表明后者的电流是前者的二倍，则说明后者的电压也是前者的二倍，即在其两端需加的电压为3 V×2＝6 V，消耗的电能为W＝6 V×0.6 C＝3.6 J，选项D正确．] 　　串、并联电路中电功率的计算 [探究导入] 千瓦时是电功的单位还是电功率的单位？电能表是测量电路中消耗的电功率还是电功？ 提示：千瓦时是电功的单位；电能表是测量电路中消耗的电能． [探究归纳] 1．串联电路功率关系 (1)各部分电路电流I相同，根据P＝I2R，各电阻上的电功率与电阻成正比． (2)总功率P总＝UI＝(U1＋U2＋…＋Un)I＝P1＋P2＋…＋Pn. 2．并联电路功率关系 (1)各支路电压相同，根据P＝，各支路电阻上的电功率与电阻成反比． (2)总功率P总＝UI＝U(I1＋I2＋…＋In)＝P1＋P2＋…＋Pn. 3．结论 　无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和． [例1]　有额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W 的电灯两盏，若接在电压是220 V的电路上，两盏电灯均能正常发光，那么电路中消耗功率最小的电路是(　　) 思路点拨：(1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和． (2)串联电路中，功率与电阻成正比；并联电路中，功率与电阻成反比． 解析：C　[若要两灯均正常发光，亦即每灯的电压均为110 V，对A电路，因为RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110 V，B灯将被烧坏；对B电路，UB＞U并，B灯将被烧坏；对C电路，RA可能等于B灯与变阻器并联后的电阻，所以UA可能等于UB，等于110 V，两灯可能正常发光，且电路消耗总功率为200 W；对D电路，变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻，可能有UA＝UB＝U并＝110 V，两灯可能正常发光，且电路中消耗总功率为280 W．综上可知，C正确．] 功率求解的技巧 (1)在纯电阻电路中，比较用电器的电功率时，要根据已知条件灵活选用公式，如用电器电流相同时，用P＝I2R比较，若电压相同时，用P＝比较，若电阻相同时，可根据I或U的关系比较． (2)求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要明确是正比还是反比关系． (3)当求解用电器的功率时，要明确求解的是什么功率．实际功率与额定功率不一定相等． [跟进训练] 1．有两盏电灯L1和L2，用图中所示的两种方式连接到电路中，已知电压U相同，且两盏电灯均能发光，比较在甲、乙两个电路中电灯L1的亮度，则(　　) A．甲图电路中灯L1比乙图电路中灯L1亮 B．乙图电路中灯L1比甲图电路中灯L1亮 C．两个电路中灯L1一样亮 D．不知它们的额定电压和额定功率，无法判断 解析：B　[因为电压U相同，两盏电灯串联后，L1两端电压小于U；两盏电灯并联后，加在电灯两端的电压都为U，因此并联后的灯泡较亮，选项B正确．] 　　纯电阻电路和非纯电阻电路 [探究导入] (1)如图所示是电烙铁和电熨斗，为什么这些用电器通电后会发热呢？ (2)电烙铁通电后，电烙铁的烙铁头热得能把金属熔化，而与电烙铁相连的导线却不怎么热，为什么？ 提示：(1)电流通过用电器时因电流做功，将电能变为热能． (2)由Q＝I2Rt可知，电烙铁的烙铁头电阻比导线的电阻大很多，因此相同时间内，Q烙铁头≫Q导线． [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能的用电器 欧姆定律 服从欧姆定律 不服从欧姆定律 能量转化 电流做功全部转化为电热 电流做功除转化为内能外还要转化为其他形式的能 元件举例 电阻、电炉、白炽灯等 电动机、电解槽等 2.电功与电热的区别与联系 (1)纯电阻电路 W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t； P电＝P热＝UI＝I2R＝. (2)非纯电阻电路 电功W＝UIt，电热 Q＝I2Rt，W＞Q； 电功率P电＝UI，热功率P热＝I2R，P电＞P热． 3．电动机的功率和效率 (1)电动机的总功率(输入功率)：P总＝UI. (2)电动机发热的功率：P热＝I2r. (3)电动机的输出功率(机械功率)： P机＝P总－P热＝UI－I2r. (4)电动机的效率：η＝×100%. [例2]　在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路．当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 A和 1.0 V；重新调节R使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V．求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻． 思路点拨：(1)电动机停止转动，电路为纯电阻电路． (2)电动机正常运转，电路为非纯电阻电路． [解析]　当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时，电动机停止工作，电动机中只有电动机的内阻消耗电能，其阻值r＝＝ Ω＝2 Ω 当电动机正常工作时，电流表、电压表示数分别为2.0 A 和15.0 V， 则电动机的总功率P总＝U2I2＝15.0×2.0 W＝30.0 W 线圈电阻的热功率P热＝Ir＝2.02×2 W＝8.0 W 所以电动机的输出功率 P输出＝P总－P热＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W. [答案]　22.0 W　2 Ω [一题多变] 　上例中，若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，该重物的质量为多少？(g取10 m/s2) [解析]　P输出＝mgv，则m＝＝2.2 kg. [答案]　2.2 kg (1)当电动机不转动时，消耗的电能全部转化为内能，此时是一个纯电阻元件．当电动机转动时，消耗的电能转化为机械能和内能，此时是非纯电阻元件． (2)求解非纯电阻电路问题时，注意区分电功率和热功率，弄清电功率、热功率、其他功率的关系． [跟进训练] [训练角度1]　含电动机的电路　 2．一台电风扇和一盏白炽灯上都标有“220 V　60W”的字样，下列关于这两个家用电器的说法，正确的是(　　) A．它们的电阻值一定相等 B．它们正常工作时，通过的电流一定不同 C．它们正常工作时，发热功率一定相等 D．它们正常工作时，消耗的电功率一定相等 解析：D　[电风扇为非纯电阻电路，其电阻值一定小于白炽灯的电阻值，A错误；根据P＝UI可知，因功率相等，电压相等，故通过的电流一定相同，B错误；因电风扇消耗的电功只有部分转化为热量，故发热功率一定小于白炽灯的发热功率，C错误；根据题给信息可知，它们正常工作时，消耗的电功率一定相等，D正确．] [训练角度2]　含电解槽的电路　 3．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 解析：C　[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＝，则电解槽消耗的功率P＝P灯＝60 W，C对，A错；电解槽的发热功率P热＝I2R≈1.3 W，B错；整个电路消耗的功率P总＝220 V×＝120 W，D错．] [知识点一]　电功、电功率 1．如图所示为某两个电阻的U－I图像，则电阻之比R1∶R2和把两电阻串联后接入电路时消耗功率之比P1∶P2及并联后接入电路时消耗功率之比P1′∶P2′分别是(　　) A．2∶1　2∶1　1∶2　 B．2∶1　1∶2　2∶1 C．1∶2　1∶2　2∶1 D．1∶2　2∶1　1∶2 解析：A 2．(多选)有两个灯泡L1、L2，额定电压皆为6 V，额定功率分别为6 W、3 W，将它们接在电路中，下列说法正确的是(　　) A．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为9 W B．若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 W C．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为9 W D．若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 W 解析：BC　[当两灯泡串联时，电流相等，L1的额定电流为I1＝＝1 A，电阻R1＝＝6 Ω，L2的额定电流为I2＝＝0.5 A，电阻R2＝＝12 Ω.要使两灯泡不致被烧坏，电路中的最大电流为0.5 A，最大功率为Pmax＝I 22R1＋I 22R2＝4.5 W，故A错误，B正确；当两灯泡并联时，电压相等，当电压为6 V时，两灯皆可正常发光，此时电路最大功率为9 W，故C正确，D错误．] [知识点二]　焦耳定律、热功率 3．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＝I2Rt，且W＝Q B．在任何电路中都有W＝UIt、Q＝I2Rt，但W不一定等于Q C．W＝UIt、Q＝I2Rt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＝I2Rt只在纯电阻电路中才成立 解析：B　[W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，也适用于任何电路，如果是纯电阻电路，则W＝Q，在非纯电阻电路中W>Q，B对，A、C、D错．] 4．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R，电流为2I，则在时间内产生的热量为(　　) A．4Q　 B．2Q　　C.　　D. 解析：B [知识点三]　电路中的能量转化 5．锂电池因能量密度高、绿色环保而广泛使用在手机等电子产品中．现用充电器为一手机锂电池充电，等效电路如图所示，充电器电源的输出电压为U，输出电流为I，锂电池的内阻为r，下列说法正确的是(　　) A．锂电池产生的热功率为UI B．充电器的充电效率为×100% C．电能转化为化学能的功率为UI－I2r D．充电器输出的电功率为UI＋I2r 解析：C　[电池产生的热功率为P损＝I2r，小于UI，故A错误；充电器的充电效率为×100%，故B错误；充电器输出的电功率为：P输出＝UI，故D错误；电能转化为化学能和热能，根据能量守恒定律，有：UI＝I2r＋P，故P＝UI－I2r，故C正确．] 6．有一台电风扇，额定电压为220 V，额定电功率为50 W，线圈电阻为0.4 Ω.当电风扇在额定电压下工作时，关于它的线圈电阻每分钟产生的热量是多少，有四位同学计算如下，其中正确的是(　　) A．Q＝I2Rt＝2×0.4×60 J≈1.24 J B．Q＝Pt＝50×60 J＝3 000 J C．Q＝IUt＝×220×60 J＝3 000 J D．Q＝t＝×60 J＝7.26×106 J 解析：A　[电风扇正常工作时产生的热量是由于线圈发热产生的，所以每分钟产生的热量为Q＝I2Rt≈1.24 J，A正确．] 7．一台小型电动机在380 V电压下正常工作时，能将30 kg的货物在30 s内匀速提升30 m，通过它的电流是1 A．除电动机线圈生热，其他能量损失不计，求在此过程中：(g取10 N/kg) (1)拉力对货物做功的功率； (2)电动机的输出功率； (3)电动机线圈所产生的热量． 解析：(1)货物匀速上升，故拉力等于重力， 故有F＝mg＝30×10 N＝300 N， 上升的速度为v＝＝＝1 m/s， 故拉力的功率为P＝Fv＝300×1 W＝300 W. (2)电动机的输出功率P出＝P＝300 W. (3)由能量守恒定律可知 Q＝IUt－mgh＝(1×380×30－300×30) J＝2 400 J. 答案：(1)300 W　(2)300 W　(3)2 400 J 学科网（北京）股份有限公司 $$