第二章 第8节 焦耳定律 电路中的能量转化（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第三册（教科版）

本高中物理讲义聚焦焦耳定律与电路中的能量转化核心知识点，系统梳理电功、电功率的定义及公式，深入解析焦耳定律和热功率，区分纯电阻与非纯电阻电路的能量转化差异，构建电源功率关系的完整知识体系。 资料以核心素养为导向，通过生活实例（如电炉子、电风扇）帮助学生建立能量观念，结合典例分析与针对训练培养科学推理能力，设置微专题强化动态电路分析。课中辅助教师突破重难点，课后助力学生巩固知识、查漏补缺，提升解决实际问题的能力。

第8节　焦耳定律　电路中的能量转化 核心素养导学 物理观念 (1)知道电功、电功率的概念。 (2)掌握焦耳定律，知道热功率。 (3)理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的。 科学思维 (1)理解电功和电热的区别，知道纯电阻电路和非纯电阻电路中能量的转化。 (2)能应用电功、电功率、焦耳定律进行计算。 科学态度与责任 (1)能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。 (2)联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。 一、电功　电功率 1.电功 (1)定义：电场力在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U与电路中的电流I、通电时间t三者的乘积。 (2)公式：W=UIt。 (3)实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力所做的功。 (4)单位：在国际单位制中，电功W的单位是焦耳，符号是J。 2.电功率 (1)定义：电流所做的功W与做这些功所用时间t的比。 (2)公式：P==UI。 (3)单位：在国际单位制中，电功率的单位是瓦特，简称瓦，符号为W，1 W=1 J/s。 微点拨 　　W=UIt，在科学研究中称为静电力做功，在生产生活中称为电流做功，简称为电功。 二、焦耳定律　热功率 1.电能转化为热能的微观解释 　导体内的电子在电场力作用下做定向运动时，会与金属正离子不断碰撞，在碰撞过程中把一部分动能传递给正离子，使正离子的热运动加剧，导致导体发热。 2.焦耳定律：电流通过电阻产生的热量Q跟电流I的二次方成正比、跟导体的电阻R成正比、跟通电时间t成正比，即Q=I2Rt。 3.焦耳热：电流通过电阻而产生的热。 4.热功率 (1)定义：电流通过电阻所产生的热量Q与产生这些热量所用时间t的比。 (2)表达式：P热==I2R。 　　[微点拨]　Q=I2Rt可以计算任何电路中的热量。 三、电路中的能量转化 1.电源的功率：P电=IE。 2.电源的输出功率：P输出=IU。 3.电源内电路的热功率：P内=I2r。 4.功率关系：P电=P输出+P内。 1.如图所示，一段电路两端的电压为U，电路中的自由电荷在静电力的作用下发生定向移动，形成电流I。则在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量q为多少?在这个过程中，静电力做了多少功? 提示：时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量为q=It，在这个过程中，静电力做功为W=UIt。 2.如图所示，是一种过去常用的电炉子。 (1)该用电器电路是纯电阻电路，还是非纯电阻电路? (2)电炉丝和导线通过的电流相同，为什么电炉丝热得发红，而导线几乎不发热? 提示：(1)纯电阻电路。 (2)电炉丝电阻较大，通电相同时间，电炉丝产生的热量较多。 3.电吹风工作时，将电能转化为什么能?电风扇工作时，将电能转化为什么能?电熨斗工作时，将电能转化为什么能? 提示：电吹风和电风扇都有电动机，电能转化为内能和机械能，电熨斗工作时将电能转化为内能。 新知学习(一)|对电功和电功率的理解 [任务驱动] 当家中只开一盏节能灯时，电能表的表盘转得很慢，而用电烧水壶烧水时，电能表的表盘转得很快。那么节能灯和电烧水壶在相同时间内，哪个用电器消耗电能多?哪个用电器的电功率大? 提示：电烧水壶在相同时间内消耗电能多，对应电功率大。　 [重点释解] 1.对电功的理解 (1)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)从能的角度看，电流做功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。 (3)电功W=UIt=qU对任何电路都适用。 2.对电功率的分析 (1)电功率P==UI对任何电路都适用。 (2)额定功率和实际功率。 ①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率。 ②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率。 3.对电功、电功率的三点说明 (1)电功W=UIt适用于任何电路。 (2)在纯电阻电路中，由于I=，所以在纯电阻电路中的电功可表示为W=UIt=I2Rt=t。 (3)P=UI适用于任何电路，在纯电阻电路中P=UI=I2R=。 [针对训练] 1.(多选)室内有几种用电器，1.0 kW的电磁炉、150 W 的洗衣机、800 W的电水壶、200 W的电视机和2.5 kW的空调器。如果进线处有13 A的保险丝，供电电压为220 V，下列情况下不可能同时使用的是 (　 ) A.电磁炉和洗衣机 B.电水壶和空调器 C.电磁炉和空调器 D.洗衣机、电视机和空调器 解析：选BC　电路中允许的最大功率为Pm=UI=2 860 W。用电器的功率之和大于Pm时，用电器就不可能同时使用，故选项B、C正确。 2.某插座的额定电流为10 A，以下电器单独使用该插座时，安全的是 (　 ) ①额定功率为60 W，额定电压为220 V的电风扇 ②额定功率为1 200 W，额定电压为220 V的洗衣机 ③额定功率为3 000 W，额定电压为220 V的取暖器 ④额定功率为4 500 W，额定电压为220 V的电热水器 A.①或② B.仅① C.③或① D.仅④ 解析：选A　根据电功率公式P=，可计算得①②③④中用电器的电流分别为I1= A≈0.27 A，I2= A≈5.5 A，I3= A≈13.6 A，I4= A≈20.5 A，故只有①②两种用电器可以安全使用，B、C、D均错误，A正确。 3.一根电阻丝在通过2 C的电量时，消耗电能是8 J。若在相同时间内通过1 C的电量，则该电阻丝两端所加电压U和该电阻丝在这段时间内消耗的电能W分别为 (　 ) A.U=4 V，W=4 J B.U=4 V，W=2 J C.U=2 V，W=4 J D.U=2 V，W=2 J 解析：选D　因为电阻丝在通过2 C的电量时，消耗的电能是8 J，由W=qU得：此时电压为U== V=4 V，当在相同的时间内通过电阻丝的电量是1 C时，根据I=可知：I'=，电阻不变，根据U=IR可知，此时电阻丝两端电压为U'== V=2 V，电阻丝在这段时间内消耗的电能为W'=q'U'=1×2 J=2 J，故D正确，A、B、C错误。 新知学习(二)|电功与电热的关系 [重点释解] 1.纯电阻电路和非纯电阻电路中的能量转化 项目 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件 特点 电路中只有电阻，电能全部转化成内能 除内能外，还把电能转化成其他形式的能 能量转 化情况 电功 W=IUt=I2Rt=t W=IUt 热功 Q=IUt=I2Rt=t Q=I2Rt 关系 W=Q W>Q，W=Q+E其他 电功率 P=IU=I2R= P=IU 热功率 P热=IU=I2R= P热=I2R 关系 P=P热 P>P热，P=P热+P其他 欧姆定 律是否 成立 成立，有U=IR，I= 不成立， 有U>IR，I< 元件 举例 电阻、电炉丝、白炽灯等 电动机、电解槽等 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，计算：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，电流通过线圈时要发热，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=。 [典例体验] [典例]　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。 [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=r=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 　　[拓展]　上述[典例]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=10 m/s2) 提示：P输出=mgv，则m==2.2 kg。 /方法技巧/ 电动机电路的分析与计算 [针对训练] 1.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=I2Rt= t，对任何电路都适用 C.U=IR对于纯电阻电路和非纯电阻电路都适用 D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路 解析：选D　由电功率公式P=知，电功率越大，表示电流做功越快，对于一段电路，有P=UI，I=，焦耳热Q=Rt，可见Q与P、t都有关，所以，P越大，Q不一定越大，选项A错误；W=UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而W=I2Rt= t只适用于纯电阻电路，选项B错误；U=IR只能用于纯电阻电路中，非纯电阻电路不适用，选项C错误；Q=I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热，选项D正确。 2.(多选)现有一个排气扇，如图所示，排气扇电动机的线圈电阻为0.2 Ω，当它两端电压为110 V时，通过的电流为5 A。则这台排气扇 (　 ) A.每分钟消耗的电能是33 000 J B.每分钟产生的热量是300 J C.输出功率是545 W D.工作效率是82.5% 解析：选ABC　排气扇的电功率是P=UI=110×5 W=550 W，每分钟消耗的电能是E=Pt=550×60 J=33 000 J，A正确；每分钟产生的热量是Q=I2rt=52×0.2×60 J=300 J，B正确；排气扇的输出功率是P出=UI-I2r=110×5 W-52×0.2 W=545 W，C正确；排气扇的工作效率是η=×100%=×100%≈99%，D错误。 新知学习(三)|闭合电路的功率和效率问题 [重点释解] 1.闭合电路的能量关系 (1)电源的总功率：P总=EI (2)电源的内阻消耗的功率：P内=I2r (3)电源的输出功率： P出=UI== 由上式可以看出： ①当R=r时，电源的输出功率最大，Pm=。 ②当R>r时，随着R的增大输出功率越来越小。 ③当R<r时，随着R的增大输出功率越来越大。 ④除R=r外，图像上总有两点输出功率P出相等，通过证明可知 R1·R2=r2由2R1=2R2， 整理得：R1·R2=r2。 ⑤P出与R的关系：如图所示。 2.电源效率 (1)定义：输出功率跟电路消耗的总功率的比值，表达式为η==。 (2)如果外电路为纯电阻电路， 则η===。 (3)η==，所以外电路电阻越大，电源效率越高。 (4)当电源输出功率最大时，R=r，η=50%。可见输出功率最大时效率并不是最高。η⁃R图像如图所示。 [典例体验] 　　[典例]　电路图如图甲所示，图乙是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图像，滑动变阻器的最大阻值为15 Ω，定值电阻R0=3 Ω。 (1)当R为何值时，R0消耗的功率最大，最大值为多少? (2)当R为何值时，电源的输出功率最大，最大值为多少? [解析]　(1)由题图乙可知电源的电动势和内阻分别为：E=20 V，r=7.5 Ω。 由题图甲分析知道，当R=0时，R0消耗的功率最大， 最大值为P=R0=×3 W≈10.9 W。 (2)当r=R+R0，即R=4.5 Ω时，电源的输出功率最大，最大值为P'=(R0+R)=×(3+4.5) W≈13.3 W。 [答案]　(1)0　10.9 W　(2)4.5 Ω　13.3 W 　　[拓展]　对应[典例]中的情境，R0消耗功率最大时电源的效率是多少?电源输出功率最大时，电源的效率是多少? 提示：R0消耗功率最大时 I== A≈1.9 A 电源总功率P总=E·I=38 W 电源效率η=×100%=×100%≈29% 电源输出功率最大时电源效率η'=50%。 /方法技巧/ 　　电源输出功率最大与电源效率最大是闭合电路两个不同的状态。 (1)内、外电阻相等时，电源输出功率最大。 (2)外电阻越大，电源效率越高。 [针对训练] 1.如图所示，直线A为电源的U⁃I图线，直线B为电阻R的U⁃I图线，用该电源和电阻组成闭合电路时，电源的输出功率和效率分别是 (　 ) A.4 W，33.3%　　　　　 B.2 W，33.3% C.4 W，66.7% D.2 W，66.7% 解析：选C　从题图中可知E=3 V，图线A和图线B的交点是电源和电阻R构成闭合电路的工作点，因此P出=UI=4 W，P总=EI=6 W。电源的效率η=≈66.7%，C正确。 2.如图所示的电路中，电阻箱的最大阻值大于电源的内阻。调节电阻箱的阻值使其由大到小，发现理想电流表A的示数为2 A时，电源的输出功率达到最大值10 W。下列说法正确的是 (　 ) A.电源的电动势为5 V B.电源的内阻为2.5 Ω C.电源输出功率最大时，闭合电路的总电阻为6 Ω D.该电路中，电源的效率为70% 解析：选B　电源的输出功率达到最大时，设电阻箱的电阻值为R，则P=I2R，可得R== Ω=2.5 Ω，根据电源的输出功率最大的条件：外电阻与电源的内电阻相等可知，电源的内电阻也是2.5 Ω，故B正确；电源的电动势E=I(R+r)=2×(2.5+2.5)=10 V，故A错误；电源输出功率最大时，闭合电路的总电阻为R总=R+r=2.5 Ω+2.5 Ω=5 Ω，故C错误；电源的效率η====×100%，随外电阻的变化而变化，外电阻越大，则效率越大，因R的最大值未知，无法确定电源效率的最大值，故D错误。 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 ◉物理观念——发光原理不同的照明灯具 1.(选自粤教版教材课后练习)如图所示是三种发光原理不同的照明灯具，LED灯是直接把电转化为光，荧光灯是电磁辐射后发光，白炽灯是由灯丝通电加热发光。在同等亮度下，白炽灯消耗的电能是荧光灯的5倍，是LED灯的15倍。 (1)选用哪种照明灯具更加节能和环保，为什么? (2)如果三种照明灯具的额定电压相同，则这三种灯具在相同时间内电流所做的功之比为多少? 解析：(1)在同等亮度下，白炽灯消耗的电能是荧光灯的5倍，是LED灯的15倍，所以LED灯更加节能和环保。 (2)消耗电能的过程就是电流做功的过程，由题意可知：WLED∶W荧光灯∶W白炽灯=1∶3∶15。 答案：(1)见解析 (2)WLED∶W荧光灯∶W白炽灯=1∶3∶15 ◉科学思维——电动机发热功率和机械功率的计算 2.(选自人教版教材“例题”)一台电动机，线圈的电阻是0.4 Ω，当它两端所加的电压为220 V时，通过的电流是5 A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少? 提示：由焦耳定律可知，电动机发热的功率为 P热=I2R=52×0.4 W=10 W 电动机消耗的电功率为 P电=UI=220×5 W=1 100 W 根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为 P机=P电-P热=1 100 W-10 W=1 090 W 这台电动机发热的功率为10 W，对外做功的功率为 1 090 W。 ◉科学态度与责任——能效标识 3.(选自粤教版教材“资料活页”)能效标识又称能源效率标识，是附在耗能产品或其最小包装物上，表示产品能源效率等级等性能指标的一种信息标签。它为消费者选购产品提供必要的信息，引导和帮助消费者选择高能效节能产品。目前已有一百多个国家实施了能效标识制度。 中国能效标识分为五个等级，等级1表示产品达到国际先进水平，最节电，即耗能最低；等级2表示比较节电；等级3表示产品的能源效率为我国市场的平均水平；等级4表示产品能源效率低于市场平均水平；等级5是市场准入指标，低于该等级要求的产品不允许生产和销售。 　　中国是全球最大的家用电器生产和消费国之一。家用电器拥有量的迅速增长带来了巨大的能源消耗，同时也加重了对环境的污染。制定和有效地实施能效标准与能效标识制度，有效地提高产品的能效水平和消费者的节能环保意识，将带来巨大的环境效益。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.智能机器人被广泛应用各个领域，下表数据是某配送机器人工作的参数。配送机器人满载时，匀速行驶的速度为7.2 km/h，此时配送机器人以额定功率工作，所受阻力为总重量的0.02倍，g=10 m/s2，则配送机器人的内阻为 (　 ) 参数 额定 电压 额定 电流 机器人 净重 最大承 载量 数据 50 V 2 A 100 kg 100 kg A.2.5 Ω　　 B.5 Ω　　 C.10 Ω　　 D.15 Ω 解析：选B　由题意知，满载工作时实际功率P=Fv=0.02mgv=80 W，机器人满足UI=P+I2r，解得r=5 Ω，故选B。 2.如图所示，用充电宝为一手机电池充电。已知充电宝的输出电压U，输出电流I，手机电池的内阻为r，若U、I均恒定不变，则充电一段时间t内 (　 ) A.转化为手机电池的化学能为UIt B.手机电池产生的焦耳热为t C.手机电池充电效率为1- D.充电宝输出的电功率为UI+I2r 解析：选C　充电宝的输出电压为U，输出电流为I，故充电宝的输出功率为P=UI，充电一段时间t内充电宝输出的电能为W=UIt，而手机电池产生的内能为Q=I2rt，所以转化为手机电池的化学能为UIt-I2rt，A、D错误；手机电池产生的焦耳热为Q=I2rt，因为手机电池不是一个纯电阻元件，则I≠，所以Q≠t，B错误；手机电池产生的热功率为P热=I2r，故手机电池充电功率即电能转化为化学能的功率为P出=UI-I2r，所以充电效率===1-，C正确。 　　　　　　　　微专题——闭合电路的动态分析 类型(一)　常规电路的动态分析 　 　　闭合电路动态问题的分析方法 (1)程序法 ①分析电路，明确各部分电路的串、并联关系及电流表或电压表的测量对象； ②由局部电阻变化判断总电阻的变化； ③由I=判断总电流的变化； ④据U=E-Ir判断路端电压的变化； ⑤由欧姆定律及串、并联电路的规律判断各部分的电路电压及电流的变化。 (2)结论法——“并同串反” “并同”：是指某一电阻增大时，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；某一电阻减小时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小。 “串反”：是指某一电阻增大时，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；某一电阻减小时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大。 [例1]　电动势为E、内阻为r的电源与定值电阻R1、R2及滑动变阻器R连接成如图所示的电路。当滑动变阻器的触头由中点滑向b端时，下列说法正确的是 (　 ) A.电压表和电流表读数都增大 B.电压表和电流表读数都减小 C.电压表读数增大，电流表A1读数减小，A2读数增大 D.电压表读数减小，电流表A1读数增大，A2读数减小 [解析]　由题图可知滑动变阻器的触头由中点滑向b端时，滑动变阻器连入电路中的阻值R增大，则外电路的总阻值R总增大，干路电流I=，因R总增大，所以I减小，故A1示数减小；路端电压U=E-Ir，因I减小，所以U增大，即电压表的读数增大；R2两端电压U2=E-I(R1+r)，因I减小，所以U2增大，由I2=知，I2增大，即电流表A2的读数增大，故C正确，A、B、D错误。 [答案]　C 类型(二)　含容电路的动态分析 　 　　分析含电容器电路应注意的两点 (1)电路稳定后，由于电容器所在支路无电流通过，在此支路上的电阻无电压降低，因此电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压。在电路稳定后，与电容器串联的电阻中无电流通过，与电容器串联的电阻阻值变化，不影响电路中其他电表示数和灯泡亮度。 (2)电路中的电流、电压变化时，将会引起电容器的充、放电。如果电容器两端电压升高，电容器将充电，电荷量增大；如果电容器两端电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电，电荷量减小。 [例2]　(2025·德阳质检)如图所示，电路两端加恒定电压U，电路稳定后，灯泡L正常发光，然后向右移动滑动变阻器R的滑片，在此过程中 (　 ) A.灯泡L逐渐变暗 B.定值电阻R1两端电压逐渐减小 C.电容器C所带的电荷量逐渐增大 D.定值电阻R0中有水平向右的电流 [解析]　向右移动滑动变阻器R的滑片，滑动变阻器接入电路的电阻减小，电路总电阻减小，电路两端加恒定电压U，则电路总电流增大，灯泡L逐渐变亮，定值电阻R1两端电压逐渐增大，故A、B错误；定值电阻R1两端电压逐渐增大，电路两端加恒定电压U，则滑动变阻器与灯泡L两端的总电压逐渐减小，即电容器C两极板间的电势差逐渐减小，根据Q=CUC，可知电容器C所带的电荷量逐渐减小，电容器放电，定值电阻R0中有水平向右的电流，故C错误，D正确。 [答案]　D 类型(三)　电路故障动态分析 　 　　电路故障特点及分析方法 (1)断路特点：表现为路端电压不为零而电流为零； (2)短路特点：用电器或电阻发生短路，表现为有电流通过电路但用电器或电阻两端电压为零。 (3)分析方法：将整个电路划分为若干部分，然后逐一假设某部分电路发生某种故障，运用闭合电路或部分电路的欧姆定律进行推理。 [例3]　(2025·广元阶段练习)在如图所示的电路中，当开关S闭合时，电灯不亮，电流表无读数，电压表读数接近电源电压，以下可能的情况是 (　 ) A.电流表断路，L1和L2都完好 B.L1灯丝断路，电流表和L2都完好 C.L2灯丝断路，电流表和L1都完好 D.L1和L2灯丝都断路，而电流表完好 [解析]　如果电流表断路，L1和L2都完好，则电压表与电源两极不能相连，电压表示数为零，A错误；如果L1灯丝断路，电流表和L2都完好，则电路断路，两灯都不亮，电流表示数为零，电压表与电源两极相连，电压表示数接近电源电压，B正确；如果L2灯丝断路，电流表和L1都完好，则电压表与电源两极不能相连，电压表示数为零，C错误；如果L1和L2灯丝都断路，电流表完好，则电压表不能与电源两极相连，电压表示数为零，D错误。 [答案]　B 学科网（北京）股份有限公司 $