第1节 电路中的能量-【金版新学案】2025-2026学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（粤教版）

本讲义聚焦电路中的能量这一核心知识点，系统梳理电功、电功率的概念及公式，通过实验探究焦耳定律，区分纯电阻与非纯电阻电路的能量转化，延伸至闭合电路中电源输出功率与效率，构建从基础到应用的递进学习支架。 资料以情境导入激发兴趣，结合服务型机器人、LED灯等实例，通过实验探究和师生互动培养科学思维与科学探究能力。对比表格清晰呈现电路能量转化关系，典型例题与针对练习助力课中教学与课后巩固，提升学生物理观念应用能力。

第一节　电路中的能量 【素养目标】　1.理解电功、电功率的概念，知道电流做功的实质。2.通过实验探究理解焦耳定律，掌握焦耳定律的应用。3.能从能量守恒的角度分析纯电阻与非纯电阻电路。4.能区分电功率和热功率。 知识点一　电功和电功率 【情境导入】　如图所示，在导体两端加上电压U后，导体中自由电荷在电场力作用下定向移动，形成电流I，请思考在t时间段内，通过某横截面的电量多大？电场力做了多少功？ 提示：根据电流的定义式I＝可知q＝It；电场力做功W＝qU＝UIt。 【教材梳理】(阅读教材P104－P105完成下列填空) 1．电功 (1)定义：电路中电场力对自由电荷所做的功称为电功。电功的大小等于被消耗的电能。 (2)公式：W＝UIt。 (3)国际单位：焦耳，简称焦，符号为J。 (4)常用单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h＝3.6×106 J。 2．电功率 (1)定义：电流做功与完成这些功所用时间之比。 (2)公式：P＝＝UI。 (3)国际单位：瓦特，简称瓦，符号为W。 (4)意义：表示电流做功的快慢。 (5)额定功率：额定功率是指用电器在额定电压下正常工作时所消耗的功率，此时流经用电器的电流就是它的额定电流。 用电器在实际使用时，若加在它两端的实际电压不等于额定电压，那么它消耗的实际功率不等于额定功率，因此，在实际计算用电器的功率时，要注意两者的区别。 【师生互动】　类比机车启动中的瞬时功率P＝Fv和平均功率P＝，思考两个电功率公式P＝UI和P＝的区别。 提示：P＝UI求解的是瞬时电功率，P＝求解的是平均电功率。 (2025·广东佛山高二)国庆期间李老师外出旅游，住酒店点外卖时观察到如图所示的一种服务型机器人，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．电池充满电后总电量为7.2×104 C D．以额定电流工作时每秒消耗能量为20 J 答案：C 解析：机器人额定工作电流为I＝＝ A＝2 A，故A错误；充满电后最长工作时间为t＝＝ h＝10 h，故B错误；电池充满电后总电量为q＝20 A·h＝20×3 600 C＝7.2×104 C，故C正确；以额定电流工作时每秒消耗能量为W＝Pt＝48 J，故D错误。故选C。 针对练1.某同学用10 W的LED灯替换家里100 W的白炽灯，仍能获得相近的亮度。按每月开灯150 h计算，换灯后每月节约用电(　　) A．13.5 kW·h B．48.6 kW·h C．135 kW·h D．486 kW·h 答案：A 解析：由W＝ Pt，可得ΔW ＝(100－10)×10－3×150 kW·h ＝13.5 kW·h，故选A。 学生用书第113页 针对练2.(多选)在图示部分电路中，电阻R1、R2和R3的阻值相等。下列说法正确的是(　　) A．R1、R2和R3两端的电压之比为1∶2∶2 B．R1、R2和R3两端的电压之比为2∶1∶1 C．R1、R2和R3消耗的电功率之比为1∶4∶4 D．R1、R2和R3消耗的电功率之比为4∶1∶1 答案：BD 解析：设三者电阻都为R，设流过R1的电流为I，则U1＝IR，U2＝U3＝I＝IR，可得U1∶U2∶U3＝2∶1∶1，故A错误，B正确；根据公式P＝UI＝，可得P1∶P2∶P3＝∶∶＝4∶1∶1，故C错误，D正确。故选BD。 知识点二　焦耳定律 【情境导入】　将图乙中的R1、R2、R3分别插入图甲中的煤油中，根据Q＝cmΔT中温度的变化，可探究各电阻生成的电热的相关因素。探究电热与电阻关系时，应比较哪两个电阻的生热；探究电热与电流关系时，应比较哪两个电阻的生热？该探究用到了什么实验方法？ 提示：R1、R2电流相同，通电时间相同，只有电阻不同，故探究电热与电阻关系时，应比较R1、R2；R1、R3电阻相同，通电时间相同，只有电流不同，故探究电热与电流关系时，应比较R1、R3；控制变量法。 【教材梳理】(阅读教材P105－P107完成下列填空) 1．纯电阻元件：当电流通过电炉丝等金属导体时，自由电子与金属中的其他电荷或者原子发生碰撞，消耗的电能全部转化为金属导体的内能，这类元器件称为纯电阻元件。 2．焦耳定律 (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)表达式：Q＝I2Rt。 3．热功率 (1)定义：一段电路因发热而消耗的功率。 (2)公式：P＝I2R。 【师生互动】　任务1.下列电热器通过电流做功将电能全部转化为电热，电功率等于热功率，即UI＝I2R，对这类纯电阻元件欧姆定律成立吗？ 提示：成立 任务2.当电动机接上电源后，会带动风扇转动，这里涉及哪些功率？功率间的关系又如何？对这类非纯电阻电学元件来说，欧姆定律还成立吗？ 提示：电功率、热功率和机械功率；P电＝P机＋P 热，根据UI＞I2R，可知U＞IR，欧姆定律不再成立。 下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中错误的是(　　) A．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路 B．在非纯电阻电路中，UI>I2R C．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多 D．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝t只适用于纯电阻电路 答案：C 解析：焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路，A正确；由能量守恒可知，在非纯电阻电路中UI>I2R，B正确；电功率越大，电流做功越快，但是电路中产生的焦耳热不一定越多，还与时间有关，C错误；公式W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝t，适用于纯电阻电路，D正确。故选C。 学生用书第114页 如图是一提升重物用的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。 (1)求通过电动机的电流； (2)求输入电动机的电功率； (3)若电动机以v＝1 m/s的速度匀速竖直向上提升重物，则该重物的质量为多少？(g取10 m/s) (4)在(3)的情况下，求电动机的效率。 审题指导：电动机是非纯电阻元件，求通过它的电流时不能用I＝，只能根据串、并联规律间接求解，电动机把电能转化为机械能的功率P机＝UI－I2r，电动机对外做功的功率也可以根据P机＝F牵v求解。 答案：(1)5 A　(2)550 W　(3)53 kg　(4)96% 解析：(1)由电路中的电压关系可得电阻R两端的电压UR＝U－UV＝(160－110) V＝50 V 流过电阻R的电流IR＝＝ A＝5 A 即通过电动机的电流IM＝IR＝5 A。 (2)电动机两端的电压UM＝UV＝110 V 输入电动机的电功率P电＝UMIM＝550 W。 (3)电动机的发热功率P热＝Ir＝20 W 电动机输出的机械功率P机＝P电－P热＝530 W 又P机＝mgv，所以m＝＝53 kg。 (4)电动机的效率η＝×100%≈96%。 1．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，电能全部转化为导体的内能。 (2)非纯电阻电路：含有电动机、电解槽等用电器的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻电路中，电流做功除了将电能转化为内能外，还转化为机械能、化学能等其他形式的能。 2．纯电阻电路和非纯电阻电路的比较 比较项目 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UIt＝ I2Rt＝t W＝Q＋E其他 即UIt＝I2Rt＋E其他 续表 比较项目 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UI＝I2R＝ P＝P热＋P其他 即UI＝I2R＋P其他 欧姆定律是否成立 U＝IR，I＝ 欧姆定律成立 U>IR，I< 欧姆定律不成立 针对练.(2025·广东佛山高二期末)空气炸锅是近年流行的小家电，它主要由电热丝R与风机M两部分构成，其通过电热丝加热空气，然后用风机将高温空气吹入锅内，使热空气在封闭的空间内循环从而加热食物。如图是某空气炸锅的简化电路图，若该空气炸锅额定电压及功率为220 V、1 188 W，电热丝R＝44 Ω，风机M(电动机)的内阻为55 Ω，其他电阻不计，则该空气炸锅正常工作时(　　) A．通过电动机的电流为5.4 A B．通过电动机的电流为4.0 A C．电热丝的发热功率为1 000 W D．电热丝每秒钟消耗的电能为1 100 J 答案：D 解析：电热丝的发热功率为PR＝＝1 100 W，故C错误；电动机的功率PM＝P－PR＝88 W，通过电动机的电流为I＝＝0.4 A，故A、B错误；电热丝每秒钟消耗的电能为W＝PRt＝1 100 J，故D正确。故选D。 学生用书第115页 知识点三　闭合电路中的能量 1．电路中的能量转化 电源通过非静电力做功把其他形式的能转化为电能，在电路中通过电流做功把电源提供的电能一部分消耗在外电路上，转化为其他形式的能；另一部分消耗在内阻上，转化为内能。 2．闭合电路中的能量转化关系：EI＝U外I＋U内I和EIt＝U外It＋U内It。 (1)EI表示电源提供的电功率。 (2)U外I和U内I分别表示外电路和内电路上消耗的电功率。 3．纯电阻电路中电源的输出功率 P出＝UI＝I2R＝＝。 电源输出功率随外电阻的变化关系如图所示： (1)当R＝r时，电源的输出功率最大，Pm＝。 (2)当R>r时，随着R增大，P出减小。 (3)当R<r时，随着R增大，P出增大。 (4)同一个输出功率P(除最大功率外)都对应两个不同的外电阻R1和R2。 4．电源的效率 (1)定义：输出功率占电路消耗的总功率的比值，表达式为 η＝×100%＝×100%＝×100%。 (2)若外电路为纯电阻电路，则 η＝×100%＝×100%＝×100%＝×100%＝×100%。 可见，外电路电阻越大，电源效率越高。 (2025·广东湛江高二月考)图中电源电动势E＝12 V，内电阻r＝0.5 Ω。将一盏额定电压为8 V、额定功率为16 W的灯泡与一台线圈电阻R＝0.5 Ω的直流电动机并联后和电源相连，灯泡刚好正常发光，通电100 min，问： (1)电源提供的电功率是多少？ (2)电流对灯泡和电动机所做的功各是多少？ (3)灯丝和电动机线圈产生的热量各是多少？ 答案：(1)96 W　(2)9.6×104 J　2.88×105 J (3)9.6×104 J　1.08×105 J 解析：(1)由并联电路电压关系可知，灯泡两端电压U1等于电动机两端电压U2，且U1＝U2＝E－Ir 总电流I＝＝8 A 电源提供的电功率为P电＝EI＝12×8 W＝96 W。 (2)通电100 min，电流对灯泡所做的功W1＝Pt＝16×100×60 J＝9.6×104 J 通过灯泡的电流I1＝＝2 A 通过电动机的电流I2＝I－I1＝6 A 电流对电动机所做的功W2＝I2U2t＝6×8×100×60 J＝2.88×105 J。 (3)灯丝产生的热量Q1＝W1＝9.6×104 J 电动机线圈产生的热量Q2＝IRt＝62×0.5×100×60 J＝1.08×105 J。 针对练．(多选)(2025·广东深圳高二期末改编)如图所示，一直流电动机与阻值R＝9 Ω的电阻串联在电源上，电源电动势E＝30 V，内阻r＝1 Ω，用理想电压表测出电动机两端电压U＝10 V。已知电动机线圈电阻RM＝1 Ω，则下列说法中正确的是(　　) A．电动机的输出功率为16 W B．电动机的效率为80% C．电源的输出功率为56 W D．电源的效率为80% 答案：ABC 解析：根据闭合电路欧姆定律，有E＝U＋I(r＋R)，解得I＝＝ A＝2 A，电动机的输出功率P出＝P－P热＝UI－I2RM＝10×2 W－22×1 W＝16 W，电动机的效率η＝×100%＝80%，故A、B正确；电源的输出功率P出′＝EI－I2r＝56 W，电源的效率为η′＝×100%≈93%，故C正确，D错误。 学生用书第116页 如图所示，电路中E＝3 V，r＝0.5 Ω，定值电阻R0＝1.5 Ω，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。 (1)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，定值电阻R0上消耗的功率最大？最大为多大？ (2)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，电源的输出功率最大？最大为多大？ (3)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，滑动变阻器上消耗的功率最大？最大为多少？ 答案：(1)0　3.375 W　(2)0　3.375 W　(3)2 Ω　1.125 W 解析：(1)根据公式P＝I2R0，当电流最大时，定值电阻R0上消耗的功率最大，根据闭合电路欧姆定律，有I＝ 所以当R＝0时，电流最大，定值电阻R0上消耗的功率最大，此时I＝1.5 A 最大消耗功率P1＝I2R0＝3.375 W。 (2)当外电路电阻的阻值越接近电源内阻时，电源的输出功率越大，所以当R＝0时，电源的输出功率最大，根据闭合电路欧姆定律可知，I′＝＝ A＝1.5 A 此时路端电压为U′＝I′R0＝1.5×1.5 V＝2.25 V 电源的最大输出功率为P2＝U′I′＝2.25×1.5 W＝3.375 W。 (3)将电阻R0和电源看作等效电源，则滑动变阻器上消耗的功率相当于等效电源的输出功率。 当R＝R0＋r＝2 Ω时，等效电源的输出功率最大，即滑动变阻器上消耗的功率最大，此时滑动变阻器两端的电压U＝＝1.5 V 滑动变阻器上消耗的最大功率为P3＝＝1.125 W。 1．(多选)(2025·广东江门高二期中)关于电功和电热，下面说法正确的是(　　) A．任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，且有W＝Q B．任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，但W有时不等于Q C．电功W＝UIt、电热Q＝I2Rt在任何电路中都适用 D．电功W＝UIt、电热Q＝I2Rt只适用于纯电阻电路 答案：BC 解析：任何电路中电功公式W＝UIt，电热公式Q＝I2Rt都适用，但两者不一定相等，只有在纯电阻电路中W＝Q，故A、D错误，B、C正确。 2．一台电动机的额定电压是220 V，规定电流是5 A，线圈电阻为0.5 Ω，则此电动机正常工作时每秒产生的热量为(　　) A．25 J B．12.5 J C．110 J D．1 100 J 答案：B 解析：电动机正常工作时每秒产生的热量Q＝I2r线t＝52×0.5 J＝12.5 J，A、C、D错误，B正确。 3.如图是某大型超市新安装的自动扶梯，其电动机额定电压为U，额定电流为I，效率为η，当自动扶梯在额定电压下工作时，下列说法正确的是(　　) A．该电动机的内阻为 B．该电动机的输出功率为UI C．该电动机的发热功率为UI D．该电动机每秒消耗的电能为ηUI 答案：C 解析：因为电动机不是纯电阻元件，所以不能用欧姆定律来计算它的内阻，电动机的内阻r<，故A错误；电动机的输出功率即机械功率P<UI，故B错误；由题意可知ηUI＝UI－P热，可得P热＝UI，故C正确；由题意可得，总功率就是电功率UI，该电动机每秒消耗的电能为UI，故D错误。故选C。 4.如图是一款可充电的手持式电风扇。当电池充电时输入电压为U1＝5.0 V，电流I1＝1.0 A，完全充满电所需的时间为3 h。当电风扇以高速挡正常运行时，电动机两端电压为U2＝3.5 V，通过电动机的电流大小为I2＝0.2 A，输出功率为P＝0.66 W，可正常工作6 h。下列说法正确的是(　　) A．充电时电池的内阻为5 Ω B．电动机的内阻为25 Ω C．电动机的内阻为1.0 Ω D．电池充满电时储存的电能为1.51×104 J 答案：C 解析：电池充电时的内阻不能用r＝＝5 Ω求解，A错误；对电动机，P＝I2U2－Ir，解得r＝1.0 Ω，C正确，B错误；电池充满电时储存的电能为E＝I1U1t1＝1.0×5.0×3×3 600 J＝5.4×104 J，D错误。故选C。 学科网（北京）股份有限公司 $