第3章 第3节 电功与电热（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二物理必修第三册学习笔记（鲁科版）

本讲义聚焦电功、电功率、电热及热功率核心知识点，从电能转化切入电功概念，推导公式W=UIt及电功率P=UI，结合额定与实际功率辨析，再通过电流热效应引入焦耳定律Q=I²Rt，对比纯电阻与非纯电阻电路能量转化差异，构建完整知识支架。 资料以问题驱动（如“电流产热与哪些因素有关”）培养科学探究能力，用对比表格明晰两种电路模型（科学思维），结合电动机、电解槽等实例体现物理观念与社会责任。分层例题及课时对点练，课中助力教师高效教学，课后帮助学生查漏补缺，强化知识应用。

第3节　电功与电热 [学习目标]　1.理解电功、电功率、电热和热功率的概念，知道它们的区别与联系(重点)。2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别，理解两种电路的能量转化关系(重难点)。 一、电功和电功率 在生产生活中，电灯把电能转化为光能，电动机把电能转化为动能，电热器把电能转化为内能…，电能如何转化为其他形式的能的呢？ 答案　电能转化为其他形式的能的过程就是电流做功的过程。消耗了多少电能，电流就做了多少功。 1.电功 (1)自由电荷在电场力的作用下定向移动而形成电流，电场力对自由电荷做的功，称为电功。 (2)公式：如果电路两端的电压为U，电流为I，在时间t内电流做的功W＝UIt。 (3)1 kW·h＝3.6×106 J。 (4)理解 2.电功率 (1)单位时间内电流所做的功就叫电功率。 (2)用公式表示为P＝＝UI，单位：瓦特(W)。 (3)物理意义：衡量用电器做功(或消耗电能)的快慢。 (4)额定功率和实际功率 ①用电器的额定功率是用电器长期正常工作时消耗的电功率，也就是用电器加上额定电压(或通以额定电流)时消耗的电功率。 ②用电器的实际功率是用电器实际工作时消耗的电功率，用电器的实际功率不能大于额定功率。 例1　(2024·厦门市高二期中)标有“220 V　55 W”字样的白炽灯，不考虑灯泡通电发热，下列说法正确的是(　　) A.当它的实际工作电压小于220 V时，消耗的实际功率为55 W B.当它的实际工作电压小于220 V时，通过的电流为0.25 A C.当它的实际工作电压等于220 V时，消耗的实际功率大于55 W D.当它的实际工作电压大于220 V时，灯泡的阻值为880 Ω 答案　D 解析　白炽灯标有“220 V　55 W”字样，说明当它的实际工作电压等于220 V时，消耗的实际功率为55 W，通过的电流为I＝A＝0.25 A，此时灯泡的电阻R＝ Ω＝880 Ω，因不考虑灯泡通电发热，则灯泡的电阻为880 Ω不变。当它的实际工作电压大于220 V时，灯泡的阻值为880 Ω，选项A、B、C错误，D正确。 二、焦耳定律 电流通过电气设备时，导体一般会产生一定的热量，这就是电流的热效应。电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关呢？ 答案　与通过导体的电流、导体的电阻及通电时间有关。 1.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)公式：Q＝I2Rt。 (3)单位：在国际单位制中，热量Q的单位是焦耳J。 (4)电热的意义：电热是电能转化为内能的量度，用公式Q＝I2Rt计算。 (5)电热的微观解释：当导体内的电子在电场力作用下做定向运动时，会与金属离子不断碰撞，在碰撞过程中把一部分动能传递给离子，使离子的热运动加剧，导致导体发热。电流越大、电阻越大，碰撞就越剧烈、频繁，导体发热就越多。 (6)纯电阻电路与非纯电阻电路：电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为内能(电热)。在纯电阻电路中，电能全部转化为电热，即Q＝W＝UIt＝t＝I2Rt。在非纯电阻电路中，电能除部分转化为内能外，还要转化为机械能、化学能等，这时电功W＝UIt＝I2Rt＋E其他，电热用Q＝I2Rt计算，此时二者不再相等。 2.热功率 (1)定义：电流通过导体产生的热量跟所用时间之比称为热功率。热功率就是电能转化为内能的功率。 (2)公式：P＝＝I2R，适用于所有电路。 3.电动机的简单模型及其功率、效率 (1)电动机的总功率(输入功率)：P总＝UI。 (2)电动机的发热功率：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%。 注意：1.计算电功率的普遍适用公式为P＝和P＝UI，对于纯电阻电路，计算电功率还可用公式P＝I2R和P＝。 2.P＝I2R计算的是热功率，也就是电能转化为内能的那部分功率。 3.在任何电路中，始终有电功率大于或等于热功率，即UI≥I2R，只有在纯电阻电路中，I2R＝UI＝。 (1)电热Q＝I2Rt可以用来计算所有含有电阻的电路中产生的焦耳热。 (　√　) (2)任何电路中的电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，且W＝Q。 (　×　) (3)电功W＝UIt在任何电路中都适用，Q＝I2Rt只在纯电阻电路中适用。 (　×　) (4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈电阻产生的电热。 (　√　) 例2　(2024·厦门市高二期中)如图所示，是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图。电动机内电阻r＝0.8 Ω，通过电动机的电流为5 A，电压表示数UV＝110 V。试求： (1)输入电动机的电功率； (2)电动机的发热功率； (3)若电动机以v＝1 m/s匀速竖直向上提升重物，求该重物的质量(g取10 m/s2)。 答案　(1)550 W　(2)20 W　(3)53 kg 解析　(1)输入电动机的电功率为 P电＝IMUV＝5×110 W＝550 W (2)电动机的发热功率 P热＝r＝52×0.8 W＝20 W (3)电动机输出的机械功率 P机＝P电－P热＝530 W 又P机＝mgv，可得m＝ kg＝53 kg。 分析涉及电动机功率问题的注意点 1.电动机两端的电压UM、通过电动机的电流IM的求解是解题关键，但由于电动机不是纯电阻用电器，不满足欧姆定律，所以UM、IM是利用串、并联电路规律间接求解的。 2.对非纯电阻用电器（如电动机）而言，求电功率用P电＝IU，求热功率用P热＝I2r，求输出的机械功率用P出＝P电－P热。 3.电动机输出的机械功率还可用P出＝Fv求解。 4.电动机做功往往视为非纯电阻电路问题，但如果电风扇通电后由于某种原因被卡住，导致扇叶不转动，此时电动机做功视为纯电阻电路问题。 例3　(2024·铁岭市清河中学阶段检测)如图所示，A为电解槽，M为电动机，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，当S1闭合，S2、S3断开时，电流表示数为6 A；当S2闭合，S1、S3断开时，电流表示数为5 A，且电动机的内阻rM＝1 Ω；当S3闭合，S1、S2断开时，电流表示数为4 A，且电解槽内阻rA＝2 Ω。求： (1)电炉丝的电阻及发热功率； (2)电动机的机械效率； (3)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率。 答案　(1)2 Ω　72 W　(2)58.3 %　(3)16 W 解析　(1)当S1闭合，S2、S3断开时，电炉子接入电路。电炉丝为纯电阻元件，由欧姆定律得电炉丝的电阻R＝ Ω＝2 Ω 电炉丝发热功率P＝UI1＝12×6 W＝72 W (2)电动机为非纯电阻元件，则有 I2U＝rM＋P输出 η＝×100%≈58.3% (3)电解槽为非纯电阻元件，则有P化学＝I3U－rA＝16 W。 比较项目 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件 特点 电路中只有电阻元件，如电阻、电炉丝、小灯泡 电路中除电阻外，还包括能把电能转化为其他形式的能的用电器，如电动机、电解槽 欧姆 定律 适用，I＝ 不适用，I< 能量 转化 电能全部转化为内能： W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t 电能转化为内能和其他形式的能： W＝UIt，Q＝I2Rt，W＝Q＋E其他 功率 特点 电功率等于热功率： P电＝P热＝UI＝I2R＝ 电功率等于热功率与其他功率之和： P电＝UI P热＝I2R P电＝P热＋P其他 三、身边的电热 1.电热流效应的应用 如电热水器、电饭锅、电熨斗、电暖器等(如图)都是利用电流的热效应工作的。 2.电流热效应的危害 如果插头和插座之间接触不良会迸出火花。在输电线路中由于电热降低了电能的传输效率，如果电流过大，散热不好，还可能烧坏电线的绝缘层，引起漏电、触电等事故。 例4　(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的电热水壶、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.电热水壶和空调器 C.电磁炉和空调器 D.洗衣机、电视机和空调器 答案　BC 解析　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。 课时对点练 [分值：80分] [1~6题，每题5分] 考点一　电功和电热 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只适用于纯电阻电路，而W＝t适用于任何电路 C.在非纯电阻电路中，UI>I2R D.焦耳热Q＝I2Rt只适用于纯电阻电路 答案　C 解析　电功率越大，电流做功越快，时间不确定，电路中产生的焦耳热不一定越多，A错误；W＝UIt适用于任何电路，而W＝t只适用于纯电阻电路，B错误；在非纯电阻电路中，UI>I2R，C正确；焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路，D错误。 2.(2024·福建永春第一中学高二月考)随着近年来国内经济的不断发展，中国已经一跃成为世界上第二能源消耗国。对于各项能源的需要以及消耗量现仅次于美国，而环境污染问题也随之产生且日益严重，为了加快双碳目标的实现，新能源的开发和利用迫在眉睫。作为新能源汽车中的主力军电动汽车已逐步在被大众接受。如图所示是一辆电动车某一次充电中已充30%电量时的显示界面，如果充电费用是1.8元一度电，请估算一下电池充满一次总费用是多少(　　) A.107元 B.62元 C.45元 D.5元 答案　C 解析　根据图示可知该电动车电池充满电需要用时t＝ min＋29 min≈0.69 h，而1 kW·h＝1度，则有W＝Pt＝35.8×0.69 kW·h≈25 kW·h，因此可知，电池充满一次总费用约为25×1.8元＝45元，故选C。 考点二　纯电阻电路的分析与计算 3.电烙铁是电子制作和电器维修的必备工具，主要用途是焊接元件及导线。电烙铁通电一段时间后，会变得很烫，而连接电烙铁的导线却不怎么热，其主要原因是(　　) A.导线有绝缘皮，隔热效果好 B.导线较长，散热比电烙铁快 C.通过导线的电流小于通过电烙铁的电流 D.导线的电阻远小于电烙铁的电阻 答案　D 解析　导线与电烙铁串联，通过导线的电流等于通过电烙铁的电流，电烙铁通电一段时间后，会变得很烫，而连接电烙铁的导线却不怎么热，说明电烙铁产生的焦耳热远比导线产生的焦耳热多，根据焦耳定律Q＝I2Rt，可知导线的电阻远小于电烙铁的电阻，故A、B、C错误，D正确。 4.(2024·福州市高二期中)如图所示，把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中，甲电路两端的电压为8 V，乙电路两端的电压为16 V，调节变阻器R1和R2使两灯都正常发光，此时变阻器消耗的功率分别为P1和P2，两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，则下列关系中正确的是(　　) A.P甲<P乙 B.P甲>P乙 C.P1 >P2 D.P1＝P2 答案　D 解析　设灯泡的额定电流为I，则甲电路干路电流2I，P甲＝2U1I，P乙＝U2I， 因为2U1＝U2，所以P甲＝P乙， 变阻器消耗的功率等于总功率减去电灯消耗功率，因为灯泡相同且都正常发光说明在两电路中灯泡消耗功率相同，即P1＝P2，故选D。 考点三　非纯电阻电路的分析与计算 5.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的电源两端，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 答案　C 解析　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＝ A，则电解槽消耗的功率P＝IU＝60 W，C正确，A错误；电解槽的发热功率P热＝I2R内≈1.3 W，B错误；整个电路消耗的总功率P总＝220× W＝120 W，D错误。 6.(2024·三明一中高二月考)电阻R和电动机M相串联接到电路中，如图所示，已知电阻R跟电动机线圈的电阻相等，开关接通后，电动机正常工作，设电阻R和电动机两端的电压分别为U1和U2；经过时间t，电流通过电阻R做功W1，产生的电热为Q1；电流通过电动机M做功W2，产生的电热为Q2，则下列说法不正确的是(　　) A.U1<U2 B.Q1＝Q2 C.W1>W2 D.W1<W2 答案　C 解析　设回路电流为I， 则对电阻W1＝IU1t＝Q1＝I2Rt， 对电动机W2＝IU2t＝W机＋Q2>Q2＝I2Rt， 即U1<U2，Q1＝Q2，W1<W2，故选C。 [7~9题，每题6分] 7.(2024·三明市高二期末)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t内，充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为r，则时间t内(　　) A.充电宝输出的电功率为UI＋I2r B.充电宝产生的热功率为I2r C.手机电池产生的焦耳热为t D.手机电池储存的化学能为UIt－I2rt 答案　D 解析　已知充电宝的输出电压U、输出电流I，所以充电宝输出的电功率为P＝UI，A错误；手机电池充电电流为I，所以手机电池产生的热功率为Pr＝I2r，焦耳热Q＝I2rt，而充电宝的热功率应为充电宝的总功率减去输出功率，根据题目信息无法求解，B、C错误；输出的电能一部分转化为手机的化学能，一部分转化为热能，故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为W＝UIt－I2rt，D正确。 8.(多选)(2024·泉州市高二联考)一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压为220 V的电源上(其内电阻可忽略不计)，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0 A，通过洗衣机电动机的电流是0.50 A，则下列说法正确的是(　　) A.电饭煲的电阻为44 Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440 Ω B.电饭煲消耗的电功率为110 W，洗衣机电动机消耗的电功率为1 100 W C.1 min内电饭煲消耗的电能为6.6×104 J，洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103 J D.洗衣机电动机发热功率明显小于110 W 答案　CD 解析　由于电饭煲是纯电阻元件，所以R1＝＝44 Ω，但洗衣机不是纯电阻用电器，由欧姆定律求得的电阻440 Ω是错误的，故A错误；电饭煲消耗的功率P1＝UI1＝1 100 W，洗衣机电动机消耗的电功率为P2＝UI2＝110 W，故B错误；电饭煲在1 min内消耗的电能W1＝UI1t＝6.6×104 J，洗衣机电动机在1 min内消耗的电能为W2＝UI2t＝6.6×103 J，故C正确；洗衣机电动机是非纯电阻电路，发热功率与机械功率之和为电功率，洗衣机电动机发热功率明显小于电功率110 W，故D正确。 9.(多选)如图所示，电阻R1＝20 Ω，电动机的电阻R2＝10 Ω。当开关断开时，电流表的示数是0.5 A，当开关闭合后，电动机转动起来，电路两端的电压U不变，此时电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(　　) A.I＝1.5 A B.I<1.5 A C.P＝15 W D.P<15 W 答案　BD 解析　当开关断开时，根据U＝IR1算出电路两端的电压为10 V，开关闭合后，电阻R1中的电流没变，电动机两端电压也为10 V。此电压不可能全部加在电动机的内阻上，故电动机中的电流小于1 A，所以总电流小于1.5 A。据P＝UI可知，电路的功率也小于15 W。选项B、D正确。 10.(12分)(2024·湖南衡阳县第四中学期中)如图所示为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为r＝1 Ω，电动机两端电压为5 V，电路中的电流为1 A，物体A重20 N。忽略一切摩擦及空气阻力，求： (1)(2分)电动机线圈电阻消耗的热功率为多少？ (2)(3分)电动机输入功率和输出功率各是多少？ (3)(3分)10 s内电动机可以把物体A匀速提升多高？ (4)(4分)这台电动机的效率是多少？ 答案　(1)1 W　(2)5 W　4 W　(3)2 m　(4)80% 解析　(1)电动机线圈电阻消耗的热功率为P热＝I2r＝1 W。 (2)电动机的输入功率就是电流通过电动机做功的功率， 即P入＝UI＝5×1 W＝5 W 电动机的输出功率就是电动机对外做功的功率，根据P入＝P出＋P热得P出＝P入－P热＝5 W－1 W＝4 W。 (3)设物体A的重力为G，t＝10 s内物体A上升的高度为h，可得P出t＝Gh h＝2 m。 (4)这台电动机的效率为η＝×100%＝80%。 11.(13分)(2024·广东省六校高二联考)干旱季节，农民通过抽水泵抽取地下水灌溉农田。已知抽水泵由电动机、水泵、输水钢管组成，某地下水源距离地表5.55 m深，安装抽水泵时将一根输水钢管竖直打入地底下与地下水源连通，水泵出水口离地表高度为0.45 m，水流由出水口水平喷出时的速度为3 m/s，出水量为4 kg/s。已知电动机额定电压为220 V，水泵的抽水效率为75%，重力加速度g＝10 m/s2。求： (1)(4分)每秒内水流增加的机械能； (2)(4分)电动机的输入功率； (3)(5分)电动机线圈的电阻(保留两位有效数字)。 答案　(1)258 J　(2)344 W　(3)35 Ω 解析　(1)以每秒出水量为研究对象，每秒内水流机械能增加ΔE＝mgh＋mv2 h＝5.55 m＋0.45 m＝6 m 代入数据解得ΔE＝258 J (2)电动机的输出功率 P出＝ W＝258 W 电动机的输入功率为P入＝ W＝344 W (3)对电动机，有P入＝P出＋I2r P入＝UI 代入数据联立解得r＝ Ω≈35 Ω。 　[7分] 12.(多选)如图所示是某型号电吹风的电路图，它主要由电动机M和电热丝R构成。已知电吹风的额定电压为220 V，吹冷风时的功率为120 W，吹热风时的功率为1 000 W。则(　　) A.当S1断开、S2闭合时，电吹风吹冷风 B.电热丝的电阻为50 Ω C.无论吹冷风还是吹热风，流经电动机的电流均为 A D.电吹风吹热风5分钟后，约耗电0.5 kW·h 答案　AC 解析　当S1断开、S2闭合时，电动机正常工作，电热丝处于断路状态，则电吹风吹冷风，故A正确；根据题意可知，电热丝的功率为P＝1 000 W－120 W＝880 W，因此电热丝的电阻为R＝ Ω＝55 Ω，故B错误；依题意，知无论吹冷风还是吹热风，电动机M的功率均为120 W，根据功率的计算公式P＝UI得，流过电动机的电流为I＝ A＝ A，故C正确；电吹风吹热风5分钟后，消耗的电能为W＝P2t＝1 000 W× h＝ kW·h，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $