12.1 电路中的能量转化-【创新大课堂系列】2025-2026学年高中物理必修第三册同步辅导与测试(人教版)

第十二章 电能 能量守恒定律 电路中的能量转化 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.理解电功、电功率和热功率的概念 1.物理观念 2.掌握焦耳定律的内容 能够区别电功和电热、电功率和热功率。 3.能够运用能量守恒定律分析电路的能量转化情况。 2.关键能力 4.知道纯电阻电路和非纯电阻电路的区别. 运用能量观点分析电路问题 必备知识·自主梳理 预习新知夯实基础 一、电功和电功率 三、电路中的能量转化 1.电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电1.电动机工作时的能量转化 荷的 在做功 (1)能量关系：电动机从电源获得的能量一部分 2.电功 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 (1)定义：电流在一段电路中所做的功，等于这 的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和，即 段电路两端的 、电路中的 P电=P机十P损，P电= ,P损= 通电 三者的乘积 2.电池充电时的能量转化 (2)公式：W= 电池从电源获得的能量一部分转化为 (3)单位：国际单位是 ,符号是 能，还有一部分转化为内能。 即学即用 3.电功率 (1)定义：电流在一段电路中所做的功与 1.判断下列说法的正误， (1)电功率越大，表示电流做功越多. ( 之比 (2)电功W=Ut可以用来计算所有电路中电 (2)公式：P=】 W 流所做的功. ( (3)电热Q=2R1可以用来计算所有含有电阻 (3)单位：国际单位是 ,符号是 的电路中产生的焦耳热. () 二、焦耳定律 (4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能， 1.内容：电流通过导体产生的热量跟 一部分转化为线圈内阻上的电热. 成正比，跟 及 成正比. 2.表达式：Q= )三个公式PUI,P=PRP-货设有任何 3.热功率 区别，它们表达相同的意义，所以三式中P都是 电功率 () (1)意义：表示电流发热 的物理量 2.通过电阻R的电流为I时，在1时间内产生的 (2)定义：单位时间内的 (3)公式：P热= =I2R,单位是瓦 热量为Q,若电阻为2R,电流为？，则在时间1 特(W) 内产生的热量为 89 物理必修第三册 关键能力·合作探究 讲练设计探究重，点 要点1对电功和电功率的理解 [听课记录] 探究导入(1)如图所示， 电路中电流为I,通电时 间为t,那么在这段时间 内通过这段电路任一截面的电荷量是多少？如 、 角度2电功率的理解与计算 果这段电路两端的电势差是U,静电力做的功：[典例2]（多选）图中R=2Q, 是多少？ ! R2=42,R3=42,通电后 (2)电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是 ( R 否相同，两者间有何关系？ A.经R1和R3的电流之比I1:I3=2:1 B.R1两端的电压和R3两端的电压之比U1:U =1：1 C.三个电阻消耗的电功率之比P1：P2：P3= 2:1:1 D.三个电阻消耗的电功率之比P1:P2：P3= 3:2：4 [听课记录] 探究归纳 1.对电功的理解 (1)从力的角度看，电流做功的实质是静电力对 /名师点评/ 自由电荷做功。 常用几个公式的说明 (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 ①w=9=1,©1=是，③1-是共牛①式 的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的 为计算电功的普遍公式；②式为电流的定义 多少 式，普遍适用；③式为欧姆定律，只适用于纯电 阻电路 (3)电功W=UIt=gU对任何电路都适用. 2.对电功率的理解 针对训练 (1)电功率P=W=UI对任何电路都适用. 1.(多选)一个电阻接入某电路后，消耗的功率为 110W,通过3C的电荷量时，有330J的电能 (2)额定功率和实际功率 转化为内能，则下列说法正确的是 ①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率 A.电阻两端所加电压为330V ②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的 B.通过电阻的电流为1A 功率 C.电阻通电时间为3s 角度1电功的理解与计算 D.这个电阻的阻值为1102 [典例1]一根电阻丝，在通过2C的电荷量时电：2.把六个相同的小灯泡连成如图甲、乙所示的电 功为8J,若在相同的时间内通过4C的电荷： 路，调节变阻器使灯泡正常发光，甲、乙两电路 量，求此时电阻丝上的电流做的功和所加的电 所消耗的功率分别用P甲和P乙表示，则下列 压分别是多少 结论中正确的是 C 据W=UIt= 据I仁4求得 888R [思路点拨] t Ug求得U1 2 V -12V 12与11的关系 分 乙 据U=IR求得 据W=Cg A.P甲=P乙 B.P甲=3P乙 U2与U1的关系 求得电功 C.P乙=3P甲 D.P乙>3P甲 90 第十二章电能能量守恒定律 要点2焦耳定律的理解及应用 :角度1纯电阻电路电功率和热功率的分析与 计算 探究导入随着家用电器的增多，特别是空调、电：[典例3】额定电压都是110V、额定功率PA= 热器等大功率用电器的使用，因用电造成的火 100W、PB=40W的灯泡两盏，若接在电压为 灾事故不时出现，对人民的生命财产安全造成： 220V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且 重大威胁.据统计绝大部分火灾的事故原因是！ 消耗功率最小的电路是 导线以及导线与插座或开关等元件接头处温度 升高而导致的， (1)电流通过导体为什么会发热？产生的热量 与哪些因素有关呢？ (2)导线接头处为何容易温度升高？ (3)电吹风机消耗的电能会全部转化为线圈产 [思路点拨](1)两电灯均正常发光时，其电压 生的内能吗？ 必为额定电压」 (2)滑动变阻器消耗的功率最小时电路总功率 就最小。 [听课记录] 探究归纳 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：含有电动机或电解槽的电路 角度2非纯电阻电路电功率和热功率的分析与 称为非纯电阻电路.在非纯电阻电路中，电流做 计算 的功将电能除了转化为内能外，还转化为机械 [典例4]小型直流电动机 能或化学能。 (其线圈内阻为r=12)与 2.电功与电热的区别与联系 (1)纯电阻电路 规格为“4V4W”的小 灯泡并联，再与阻值为R= 。U。 W=Q=OI1=1PR三3： 52的电阻串联，然后接至U=12V的电源上， P电=P热=UI=IPR= 如图所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工 R 作，求： (2)非纯电阻电路 (1)通过电动机的电流； 电功W=UIt,电热Q=2Rt,W>Q; (2)电动机的输出功率P出； 电功率P电=UI,热功率P热=R,P电>P热。 (3)电动机的效率. 3.电动机的功率和效率 [听课记录] (1)电动机的总功率（输入功率）：P总=U1. (2)电动机发热的功率：P热=2r (3)电动机的输出功率（机械功率）： P机=P总一P热=U1一I2r. P机×100%. (4)电动机的效率：)一 91 物理必修第三册 /名师点评/… :4.规格为“220V36w”的排气扇，线圈电阻为 纯电阻电路和非纯电阻电路的比较 402,求： 纯电阻电路 非纯电阻电路 (1)接上220V电压后，排气扇转化为机械能的 功率和发热的功率； 白炽灯、电炉、电熨 举例 电动机、电解槽 斗、电饭锅 (2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，电 动机消耗的功率和发热的功率. 能量转化 情况 E其他 W=Q十E其他 电功和电热 W-Q 即UIt=I2Rt+ 的关系 即IUt=I2Rt E其他 电功率和热 P=P热 P=P热十P其他 功率的关系 即IU=I2R 即IU=I2R+P其他 欧每定年是U=R1-是欧海U>R,1<景欧 U 否成立 定律成立 姆定律不成立 W=UIt、P电=UI适用于任何电路计算 电功和电功率 Q=IRt、P热=IR适用于任意电路计 说明 算电热和热功率 只有纯电阻电路满足W=Q,P电=P热； 非纯电阻电路W>Q,P电>P热 针对训练 3.把两根电阻相同的电热丝先串联后并联分别接 在同一电源上，若要产生相等的热量，则两种方 法所需的时间之比串：并为 ( A.1:1 B.2:1 C.4:1 D.1:4 素养演练·提升技能 达标训练素养提高 1.关于电功W和电热Q的说法正确的是( ) 21,直径为2D。通电后在相同的时间内两根电 A.在任何电路中都有W=UIt、Q=2Rt,且： 阻丝产生的热量之比为 () W-Q A.QA QB=1:1 B.QA:QB=2:1 B.在任何电路中都有W=UIt、Q=2Rt,但W: C.QA:QB=1:2 D.QA:QB=4:1 不一定等于Q 3.在如图所示的电路中，有四盏灯，L1和L2都标 C.W=UIt、Q=2Rt均只有在纯电阻电路中才： 有“220V100W”字样，I3和I4都标有“220V 成立 40W”字样，把电路接通后，最暗的是() D.W=UIt在任何电路中都成立，Q=2Rt只 在纯电阻电路中才成立 2.两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B串联 在电路中，A的长度为l,直径为d;B的长度为 -92 第十二章电能能量守恒定律 A.L B.L2 为5A,若载人时扶梯的移动速度和不载人时 C.Ls D.14 的移动速度相同，则这台自动扶梯可同时承载 4.在如图所示的电路中，输入电压U恒为8V,灯 的最多人数为多少？（设每个人的平均质量为 泡L标有“3V6W”字样，电动机线圈的电阻 60kg,g取10m/s2) RM=0.52.若灯泡恰能正常发光，下列说法正 确的是 M A.电动机的输入电压是8V B.流过电动机的电流是10A C.电动机的效率是80% D.整个电路消耗的电功率是10W 5.某商场安装了一台倾角为30°的自动扶梯，该扶 梯在电压为380V的电动机带动下以0.4m/s 的恒定速度向斜上方移动，电动机的最大输出 功率为4.9kW.不载人时测得电动机中的电流 温馨提示 请做课时分层检测（十六） 2闭合电路的欧姆定律 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.科学思维 1.知道电动势的概念，知道电源的作用. (1)类比思维理解电源和电动势」 2.掌握闭合电路的欧姆定律的内容、公式. (2)运用能量观点对电路分析和推理. 3.能够分析闭合电路的能量问题. 2.关键能力 4.掌握路端电压与负载的关系 图像识别和理解能力：电路特点的分析推理能力. 必备知识·自主梳理 预习新知夯实基础 一、电动势 (2)定义：非静电力所做的功与所移动的 1.闭合电路：由导线、电源和 连成的电 之比 路. 和导线组成外电路，电源内部是内： (3)定义式：E= 电路. (4)单位：，符号是 2.非静电力：在电源内部把 从负极搬运 二、闭合电路欧姆定律及其能量分析 到正极的力 :1.部分电路欧姆定律：I= 3.电源：通过 做功把其他形式的能转化：2.内电阻：电源内电路中的 为电势能的装置， :3.闭合电路中的能量转化：如图所示，A为电源正 4.电动势 极，B为电源负极，电路中电流为I,在时间t内， (1)物理意义：表征电源把其他形式的能转化为： 做的功等于内、外电路中电能转化为其 的本领 他形式的能的总和，即EIt=十 93(3)断开开关S2后认为分压电路分压不变，仍为1V,电压表示数！要点2 为0.5V,说明电阻箱两端电压为0.5V,电压表与电阻箱串联，它：(1)提示：因为导体有电阻，电流通过时会产生电热而使导体温度 们两端电压相等，由串联电路特点可知，它们的阻值相等，则电压 升高.由焦耳定律公式Q=严1知，产生的热昼与流过导体的电 表内阻等于电阻箱阻值990. [答案](1)乙(2)最左端(3)990 流、导体的电阻和通电时间有关， [典例4][解析](1)本实验采用半偏法测定电流表内阻，为减小 (2)提示：由于接头处连接时易形成电阻，电流通过时产生电热而 并联电阻箱对电流的影响，滑动变阻器应选择总阻值较大的. 导致温度升高， (2)闭合开关S2,调节电阻箱R的阻值为100时，电流表示数减！ (3)提示：不会，电吹风消耗的电能一部分转化为内能，一部分转化 为原来的一半，说明电流表G的内阻等于电阻箱R。的阻值，为： 为机械能， 1002. 探究归纳 (3)由电压表改装原理：I。(R。十R)=U,代入数据解得角度1 R=99002. 汇典例3][解析]判断灯泡能否正常发光，就要判断电压是否是 [答案](1)D(2)100(3)9900 、颜定电压，或电流是否是颜定电流，对灯泡有P=1一只，可知 第十二章 电能 能量守恒定律 、 RA<R.对于A电路，由于RAR,所以ULUA,且有U110V, B灯被烧毁，UA<110V,A灯不能正常发光；对于B电路，由于 1电路中的能量转化 R>RA,A灯又并联滑动变阻器，并联电阻小于R,所以 必备知识·自主梳理 UB>U并，B灯烧毁；对于C电路，B灯与滑动变阻器并联电阻可能 一、1.静电力2.(1)电压U电流1时间t(2)U1t(3)焦耳 J 等于RA,所以可能UA=Un=1I0V,两灯可以正常发光：对于D 3.(1)通电时间(2)U1(3)瓦特w 电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA=U 二、1.电流的二次方导体的电阻通电时间2.Rt3.(1)快慢 =110V,两灯可以正常发光.比较C、D两个电路，由于C电路中 (2)发热量(3)Q 滑动变阻器功率为(IA一1)X110V,而D电路中滑动变阻器功率 为(IA十Ip)×110V,所以C电路消耗电功率最小 三、1.(2)U112R2.化学 [答案]C 即学即用 ·角度2 1.(1)×(2)/(3)/(4)√(5)× :[典例4幻[解析](1)灯泡正常发光，则通过灯泡的电流 2.解析根据Q=1R1得，电阻变为原来的2倍，电流变为原来的 合，时间不变，Q=(）广·2R1=合F=号 PL=4 A=1 A IL-UL 4 答案号 通过电阻R的电流IR= U-UL=12-4A=1.6A R 5 通过电动机的电流I=IR一1=0.6A 关键能力·合作探究 (2)电动机消耗的总功率 要点1 P=U,I=4×0.6W=2.4W (1)提示：在这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量为q=It. 电动机线圈内阻的热功率 静电力做的功W=Ug=UIt. P=12r=(0.6)2×1W=0.36W (2)提示：不相同.电流做功快，但做功不一定多：电流做功慢，但做 电动机的输出功率 功不一定少，电流做功的快慢用电功率表示，电流做功的多少用电 P出=P-P熟=2.4W-0.36W=2.04W 功表示，电流做功的多少与做功的时间和做功的快慢有关。 (3)电动机的效率： 探究归纳 角度1 P出×100%=2.4×100%=85%. 一p [典例1][解析]设电阻丝的电阻为R,据W=U亚=Ug得U1=4V:[答案](1)0.6A(2)2.04w(3)85% 在相同时间内通过的电荷量变为原来的2倍，据1=9知12=211针对训练 :3.C[设每根电热丝电阻为R,则R#=2R,R头=之.由Q=W Ro 又据欧姆定徐1是得U=2U=8V 电流做的功W2=U212t=4W1=32J. U2 得1#：1#=4：1，] [答案]32J8V 角度2 断①排气扇在20V电压下正常工作的电流厂十 [典例2][解析]题图所示电路为R2和R:并联后再与R1串联， ≈0.16A,发热功率P熟=1R=0.162×40W≈1W,转化为机械 故1=+1汉有货念=十时有六=兰成AE确：R南 能的功率P札=P-P然=(36-1)W=35W. (2)扇叶被卡住不能转动后，电动机相当于纯电阻，电能全部转化为 U,Ug2:g=2:11,故C 内能，北时适过排气确的电流1是-器A=55八电动机消托 正确：功率之比为P1:P2:P=RRR 的功率等于发热功率P'=P'=IU=5.5×220W=1210W.由于 发热量很大，将很快烧坏电动机线圈 正确，D错误. [答案]ABC 答案(1)35W1W(2)1210W1210W 针对训练 :素养演练·提升技能 1,BCD[由W=qU知，电阻两瑞所加电压U=”=10V,A错 1.B[W=U1适用于任何电路，Q=R1也适用于任何电路，如果 q 是纯电阻电路，则W=Q,在非纯电阻电路中W>Q,B正确，A,C、 误：由P=1U得1-号-1A,B正病：由W=n得通电时间1 D错误.] 罗=3s或1=9= 8=3s,C正确：由R-=只得R=10n 2B[由电阻定律可得R=pS=p 一=以，电阻丝A的电 D 1 D正确.] 2.B[设每个灯泡正常工作时的电流为1，则甲图中电路的总电流； 胆R岩电厘丝B的电程器器所以RR 为3I,P甲=U·31=3U1,乙图中电路的电流为1，Px=U·I=1 2:1,由焦耳定律可得Q=1Rt,代入数值可得QA:Q=2:1,故 U1,故有P甲=3P,B正确.] 选B.] 227 3.C[由题意可知，L1Lg的电阻相等，LL1的电阻相等.由公式；要点2 P=U2 (1)提示：在外电路，沿电流方向电势降低：在内电路，沿电流方向 可知，L和L,的电阻小于L和L的电阻.设LL2L 电势升高， L实际消耗的功率分别为P1、P2、P、P.由题图可知，通过L1的 (2)提示：EIt:I2rt、I2Rt:EIt=I2rt+I2Rt 电流大于通过L2的电流，由公式P=PR得到，P1>P2·同理， (3)提示：E=R+Ir或I=R十 E P1>PP≥乃L2和L的电压相等，由公式P尽可知，P2>P探究归纳 故P1>P>P2>P3,所以L最暗.故C正确.] :[典例2][解析]当S闭合时，R1、R2并联接入电路，当S断开时， 4.C[电动机两端的电压U1=U-U1=8V一3V=5V,故A错：只有R1接入电路，此时路端电压增大、千路电流减小，当S闭合 时，由闭合电路欧姆定律得U=E一Ir,即1.6V=E-0.4A·r 联：整个电路中的电流1亡=号A=2A,所以电动机消耗的电 ① 功率P也=U11=5×2W-10W,电动机的发热功率P器=IRM= 当S断开时，只有R1接入电路，由闭合电路欧姆定律得U'=E一r, 22×0.5W=2W,则电动机输出的功率P出=P电-P热=10W- 即(1.6+0.1)V=E-(0.4-0.1)A·r 由①②得E=2V,r=12. 2w=8W,7-P2 _P±×100%=0 ×100%=80%,故B错误，C正；[答案]2V1Q 确：整个电路消耗的电功率P怎=U1=8X2W=I6W,故D;针对训练 错误.门 ·3.D[两个电阻阻值均为R,并联接入电路中，通过每个电阻的电流 5,解析设可同时乘载的最多人数为m,此时电动机处于最大输出；1=E。 功率状态.该状态下，扶梯自身移动所需功率为P1=U=5× 十区行串联在电路中时东四为号联 380W=1900W=1.9kW, 立解得r=4R,故A、B、C错误，D正确.] n个人以恒定速度0=0.4m/s向上移动所需功率为P=P出一4.解析(I)开关K接a时，R1被短路，外电阻为R,通过电源的电 =(4.9-1.9)kW=3.0kW. P 所以n= P2 3.0×10 mgusin0 =25(人). 流=√震√A=1A 60×10×0.4X2 电源两端电压U1=11R2=4V 答案25人 (2)开关K接a时，有E=U1十I1r=4V十r,开关K接b时，R1和 R2串联，R*=R1十R,=6Q, 2闭合电路的欧姆定律 U, 道过电源的电流1，=及十R=0.75A 必备知识·自主梳理 有：E=U2十12r=4.5V+0.75 一、1.用电器用电器2.正电荷3.非静电力4.(1)电势能 解得：E=6V,r=22. (2)电荷量(3) 9 (4)伏特V 3)当K接<时，R2与R并联，并联电阻为RR十R,“ 二1.只2电阻3非静电力1产Rrn42) E 所以R总=R1十r十R23=6n 三、3.(1)E-1r(2)减小 E1 A. 总电流1一R恶 即学即用 1.(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×2.1 通过R的电流/=分1，=0.5A 关键能力·合作探究 答案(1)1A4V(2)6V22(3)0.5A 要点1 要点3 (1)提示：1.5J:1.5J. (1)提示：7.5V、8V、8.75V (2)提示：3.7J:3.7J. (2)提示：外电阻越大，电源的路端电压越大：当外电阻R增大时， (3)提示：3.7V的手机电池做功的本领大些」 E 探究归纳 由1，十R可知电流1减小，由U=E1r可知，路端电压增大 [典例1][解析]对铅蓄电池电路，20s内通过的电荷量 :探究归纳 91=11t=2C :[典例3][解析]在路端电压与总电流的关系图线(U-I)中，图线 对千电池电路，205内通过的电荷量 在U轴上的裁距表示电动势E,图线斜率的绝对值表示电源的内 q2=121=4C 阻，可知EA>EB,A>r.图中两直线的交点坐标为(，U1),由 由电动势定义式E=W得，电源消耗的化学能分别为 R=号可知，路端电压都为U山时，它们的外电阻相等.由U'=五 W1=g1E1=4J, 可知，电流都是I1时，因”不相等，故两电源内电压不相等，所以 W2=q2E2=6J, 选项A、C,D正确. 因E1>E2,故铅蓄电池把化学能转化为电能的本领大. [答案]ACD [答案]4J6J铅蓄电池 :针对训练 针对训练 5.C[路端电压U=1R=E-Ir,因为I增大时，R减小，所以不能用 1,BD:[电源的电动势和电压单位相同，但是电动势与电压是不同： U=IR判断路端电压的变化情况，根据U=E一Ir可知，当I增大 的概念，所以A错误：电源是通过非静电力做功把其他形式的能 时，路端电压减小，所以选项A、B错误，C正确：当外电路断开时， 路端电压为E,选项D错误.] 转化为电势能的装夏，所以B正璃：电源的电动势E=?是定又6.B汇由题因可知，E-U。6V.音U=4V时，1=4A周北有6V 式，电源的电动势由电源本身性质决定，与非静电力做的功无关，！ =4V十4A×r,解得r=0.5n,当路端电压为4.8V时，U内 所以C错误：电源把正电荷从负极搬运到正极的过程中，非静电力； 做功使电荷的电势能增加，所以D正确.] 2.AD[根器电动势的定义和泰达式E=”知，率静电力移动1©素养演练·提升技能 ×0.5=22.由电阻的串、并联知识可知正确答案为B.] 电荷量所做的功W=9E=1×2J=2J,由功能关系可知有2J的：1.ABC[铅蓄电池能够将化学能转变为电势能，选项A正确：电源 化学能转化为电势能，A正确，C错误：路端电压U=E-,铅蓄！的电动势等于路端电压与内电压之和，选项B正确：电源的电动势 电池断开时I=0,所以U=E=2V,B正确：电动势是描述电源把！ 等于电源没有接入电路时两极间的电压，选项C正确：在纯电阻电 其他形式的能转化为电势能本领大小的物理量，因E蓄也池=2V>! 路中，若外电路总电阻增加，则电路的总电阻增加，总电流减小，根 E+池=1.5V,故D正确.] 据U=E一Ir可知，路端电压增大，选项D错误.] 228