第二章 8 焦耳定律 电路中的能量转化 9 家庭电路（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（教科版）

本讲义聚焦焦耳定律与电路能量转化核心知识点，系统梳理电功、电功率、电热、热功率的概念及区别联系，构建纯电阻与非纯电阻电路特点及计算的知识框架，结合家庭电路阐述安全用电常识，形成从基础概念到实际应用的完整学习支架。 资料通过问题导入（如用电器能量转化）、对比表格（纯电阻与非纯电阻电路）、生活实例（电饭锅、电动机）设计，培养科学思维（模型建构、推理计算）与科学态度（安全用电），课中辅助教师高效授课，课后助力学生巩固知识、弥补盲点。

8　焦耳定律　电路中的能量转化 9　家庭电路 [学习目标]　1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念，知道它们的区别和联系(重点)。2.知道纯电阻电路与非纯电阻电路的特点和区别，并能进行有关计算(重难点)。3.理解电路中的能量转化关系(重难点)。 4.了解安全用电和节约用电常识。 一、电功、电功率 现代生活中常见的用电器有电灯、电热水壶等。你知道这些用电器中的能量是通过什么途径转化的吗？ 答案　通过电流做功来实现，即导体中的恒定电场对自由电荷的静电力所做的功。 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)计算公式：W=qU=UIt(适用于任何电路) (3)单位：焦耳，符号J。 (4)电流做功实质：①从能的角度看，电能转化为其他形式能量的过程就是电流做功的过程，电流做功的多少等于电能转化为其他形式能量的数量。②从力的角度看，电流做功实质是电场力对自由电荷做功。 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：瓦特，符号W，1 W=1 J/s。 (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。 (6)实际功率：用电器实际工作消耗的电功率，为了保证用电器不被损坏要求实际功率不能大于额定功率。 我们常说的月耗电量为100度，其中“度” 表示什么物理意义？100度是多少焦耳？ 答案　“度”是能量单位，1度=1 kW·h=3.6×106 J 100度=100×3.6×106 J=3.6×108 J。 (1)电功率越大，表示电流做功越多。 (　×　) (2)由公式P=可知，时间越短，功率越大。 (　×　) 例1　(来自教材)三个阻值相同，但允许消耗的最大功率不同的电阻如图所示连接，各自允许消耗的最大功率分别是10 W、10 W、4 W。电路工作时，求它们实际消耗的功率之比。 答案　4∶1∶1 解析　两并联电阻的阻值相同，电压相同，根据P=则功率相同；根据串并联规律，左侧电阻通过的电流是右侧任一电阻通过的电流的两倍，根据P=I2R，则功率是两并联电阻的4倍，故它们实际消耗的功率之比为4∶1∶1。 1.无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率都等于各电阻消耗的功率之和。 2.串、并联电路的功率分配：串联时电流相同，由P=I2R可知，P与R成正比；并联时电压相同，由P=可知，P与R成反比。 3.最大功率求法：先找出电路允许通过的最大电流或允许加的最大电压，然后利用P=I2R或P=求解。 二、焦耳定律、热功率 1.焦耳定律 (1)内容：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。这个关系式最初是由焦耳通过实验直接得到的，物理学中就把它叫作焦耳定律。 (2)表达式 Q=I2Rt。 2.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，它在数值上等于单位时间内电流通过电阻所产生的热量。 (2)公式：P热==I2R。 用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？ 答案　通电导线跟电炉丝是串联在一起的，通过它们的电流相等，而电炉丝的电阻比导线的电阻要大得多。由焦耳定律Q=I2Rt知，在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热量要少得多。 例2　两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B并联在电路中，A的长度为2L，直径为d；B的长度为L，直径为2d，那么通电后，A、B在相同的时间内产生的热量之比为(　　) A.QA∶QB=1∶8 B.QA∶QB=8∶1 C.QA∶QB=1∶2 D.QA∶QB=4∶1 答案　A 解析　电阻丝A、B的长度之比为2∶1，直径之比为1∶2，则横截面积之比为1∶4，根据电阻定律R=ρ知，电阻之比为8∶1，电阻丝A、B并联在电路中，电压相同，根据I=可得电阻丝A、B中的电流之比为IA∶IB=1∶8，根据Q=I2Rt可知电阻丝A、B在相同的时间内产生的热量之比为QA∶QB=1∶8，故选A。 例3　(多选)(2024·巴中市高二期末)如图所示是电饭锅的电路原理图，R1是定值电阻，R2是加热用的电热丝。电饭锅工作时有两种状态，当自动开关S闭合时为锅的加热状态；当自动开关S断开时为保温状态。若要使R2在保温状态下的功率是加热状态的四分之一，不考虑电阻随温度的变化，则R2在保温状态下的电压U1与加热状态下的电压U2之比及R1、R2的电阻值之比，分别为(　　) A.U1∶U2=1∶1 B.U1∶U2=1∶2 C.R1∶R2=(-1)∶1 D.R1∶R2=1∶1 答案　BD 解析　在加热状态下P加热=，在保温状态下P保温=R2，P加热=4P保温，解得R1∶R2=1∶1，根据串联电路的分压原理，可知S断开后，两个电阻的电压相等，则U1=，加热状态的电压U2=U，可得U1∶U2=1∶2，故选B、D。 三、电路中的能量转化 电熨斗工作时，将电能转化为什么能？电吹风工作时，将电能转化为什么能？ 答案　电熨斗工作时，将电能转化为内能。电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能。 1.纯电阻电路：P电=P热 2.非纯电阻电路：P电=P热+P其他 3.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较 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+W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 4.闭合电路中的能量转化 在闭合电路中：IE=IU+I2r 这个式子的物理意义：电源把其他形式的能量转化为电能的功率IE，等于电源输出功率IU与电源内电路的热功率I2r之和。 闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体体现。 (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4　(来自教材改编)有一个直流电动机，其线圈电阻r=0.5 Ω，若在电动机两端加上2.0 V的电压，电动机正常工作，工作电流是1.0 A。求该电动机在1 min内： (1)电源输入给电动机的功率为多少？ (2)电动机消耗的电能为多少？ (3)电动机线圈产生的热量为多少？ (4)电动机有多少电能转化为机械能？ 答案　(1)2 W　(2)120 J　(3)30 J　(4)90 J 解析　(1)电源输入给电动机的功率为P=IU=1×2 W=2 W (2)电动机消耗的电能为 E=Pt=2×60 J=120 J (3)产生的热量为Q=I2rt=1.02×0.5×60 J=30 J (4)电动机电能转化为机械能为ΔE=E-Q=90 J。 例5　(2024·凉山州高二期末)某实验小组拆下一个小电风扇的电动机，他们把它接入某电路(图中未画出)，发现它不转动，用电压表测得它两端的电压U0=0.3 V，流过它的电流I0=0.3 A。该小组又设计了如图所示的实验电路，已知电源的电动势E=10 V，内阻 r=1 Ω。小灯泡的额定电压U=2 V，额定功率P=2 W。闭合开关S，调节电阻箱的阻值， 当R=2 Ω时，灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，根据以上信息，可知(　　) A.电动机线圈的电阻为5 Ω B.电动机正常工作时输出功率为5 W C.电源的效率为80% D.电动机被突然卡住(未烧坏)时的发热功率为 W 答案　D 解析　电动机两端电压为0.3 V，电流为0.3 A时，电动机不转动，根据欧姆定律有RM==1 Ω，故A错误；当 R=2 Ω时，灯泡恰好正常发光，则电路电流为I1==1 A，电动机两端电压为U1=E-U-I1(r+R)=5 V，电动机正常工作时输出功率为P输=U1I1-RM=4 W，故B错误；电源的效率为η=×100%=90%，故C错误；灯泡电阻为RL==2 Ω，电动机被突然卡住(未烧坏)时，根据闭合电路欧姆定律有I2== A此时电动机的发热功率为P'=RM= W，故D正确。 电动机电路的分析与计算 1.当电动机正常工作时，要注意分清电功和电热的关系，电动机消耗的电能也就是电流做的功W=UIt，电动机产生的内能必须用Q=I2Rt来求。另外，还要注意能量守恒定律的应用，即W=Q+E(E为其他形式的能)或P电=P机+P热，其中P电=UI，P热=I2R，P机为机械功率。 2.当电动机被卡住时，非纯电阻电路转变为纯电阻电路，电动机消耗的电能全部转化为电动机产生的内能，W=Q，即UIt=I2Rt。 四、安全用电　节约用电 1.安全用电 (1)安装可靠的接地线。 (2)过载保护与漏电保护。 家庭电路中使用的是低压断路器，又称自动空气开关。 2.节约用电 (1)尽量使用节能的用电器。 (2)合理使用空调。 (3)较长时间不使用的电器，请关闭电源。 3.不同规格铜芯导线允许通过的电流 横截面积/mm2 直径/mm 25 ℃时的载流量/A 1.5 1.38 18 2.5 1.78 26 4 2.25 38 6 2.76 44 10 1.30×7 80 (1)发现有人触电，该怎样施救？ (2)列举家庭电路中的安全防护措施。 答案　(1)应先切断电源开关，使触电者脱离电源后再进行抢救。 (2)①安装可靠的地线，②过载保护，③漏电保护。 例6　(来自教材)小明经过一番努力，终于把家里的主要电器工作时消耗的电功率情况基本摸清：空调柜机2 800 W，挂机1 200 W×2，微波炉1 500 W，电磁炉2 000 W，洗衣机300 W，电冰箱120 W，电视机100 W×2，台式电脑150 W，照明灯具130 W，其他不常用的如电熨斗、电吹风、吸尘器等未计入。请计算一下，他家的主输电线的横截面积应该选用多大的？ 答案　6 mm2 解析　上述所有用电器同时启动时消耗的总功率 P=9 600 W 干路的电流 I== A=43.6 A 从上表中查到，应该使用横截面积为6 mm2的铜导线。 课时对点练 [分值：70分] [1~8题，每题4分] 考点一　电功和电热的理解 1.(多选)(2024·南充市高级中学高二月考)关于公式①P=UI；②P=I2R；③P=；下列叙述正确的是(　　) A.只要是求电路的热功率，公式①②③均可以用 B.在非纯电阻电路中，①②③公式都可适用于求电功率，也可适用于求电热功率 C.在纯电阻电路中，①②③公式都可适用于求电功率，也可适用于求电热功率 D.公式②在纯电阻电路中和非纯电阻电路中均可求电路的热功率 答案　CD 解析　公式①适用于任何电路求电功率，也适用于纯电阻电路求电热功率；公式②适用于任何电路求电热功率，也适用纯电阻电路求电功率，但不适用非纯电阻电路求电功率；公式③只适用纯电阻电路求电功率，也适用纯电阻电路求电热功率，故A、B错误；根据以上分析可知，在纯电阻电路中，①②③公式都可适用于求电功率，也可适用于求电热功率，故C正确；根据以上分析可知，公式②在纯电阻电路中和非纯电阻电路中均可求电路的热功率，故D正确。 题点　电功和电功率的定义和简单计算 2.(2023·四川省合江县马街中学高二期中)输电线路会产生电能损失。一根某型号铜导线电阻约为0.8 Ω，通过2 A的电流时，10 s内产生的热量约为(　　) A.5 J B.10 J C.24 J D.32 J 答案　D 解析　由焦耳定律可得Q=I2Rt=32 J，故选D。 题点　热量和热功率的计算 考点二　纯电阻电路的分析与计算 3.(2024·巴中市高二期末)如图所示，a、b两只灯泡额定功率分别为100 W、50 W，额定电压均为110 V，R为一定值电阻。将下列连接方式电路的c、d两端分别加上220 V的电压时，两灯泡都可能正常发光的是(　　) 答案　C 解析　A、B图中一灯泡与电阻串联后再与另一灯泡并联，a、b两灯泡两端的电压不相等，不可能都正常发光，故A、B不符合题意；C、D图中a、b两只灯泡额定功率分别为100 W、50 W，额定电压均为110 V，由R=，可知b灯泡电阻较大，应与电阻R并联后，再与a灯泡串联，当并联总电阻与a灯泡电阻相同时，此时两灯泡两端电压都是110 V，两灯泡都正常发光，故C符合题意，D不符合题意。 题点　计算混联电路的电功和电功率 4.(2024·达州市外国语学校高二期中)如图所示，闭合开关S的瞬间，电路中的各个位置迅速建立了恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的自由电子几乎同时开始定向移动，整个电路也就几乎同时形成了电流。不考虑灯泡电阻随温度的变化，以下哪种措施可以让电子沿完整的电路dcbad运动的平均速率变为原来的。(　　) A.调整滑动变阻器的阻值变为原来的一半 B.调整滑动变阻器使得灯泡L1的功率变为原来的一半 C.调整滑动变阻器使得灯泡L2的功率变为原来的一半 D.调整滑动变阻器使得电路总功率变为原来的一半 答案　D 解析　自由电子沿完整的电路dcbad运动的平均速率变为原来的，则电路电流变为原来的。调整滑动变阻器的阻值变为原来的一半，总电压不变，总电阻减小，总电流增大，故A不符合题意；电路为串联，由于不考虑灯泡电阻随温度的变化，则由P=I2R可知，调整滑动变阻器使得灯泡L1或L2功率变为原来的一半，则电流变为原来的，故B、C不符合题意；调整滑动变阻器使得电路总功率变为原来的一半，由于电源电动势不变，则由P=UI可知，电路电流变为原来的，故D符合题意。 题点　计算混联电路的电功和电功率 考点三　非纯电阻电路的分析与计算 5.(2024·德阳市什都中学高二月考)如图所示，电阻R1=10 Ω，电动机绕线电阻R2=1 Ω，加在电路两端的电压为100 V；当开关S合上后，电动机正常工作，此时电流表的示数I=30 A，设电路两端的电压不变，电动机的输出功率P为(　　) A.3 000 W B.2 000 W C.1 600 W D.400 W 答案　C 解析　通过电阻R1的电流I1==10 A 通过电动机的电流I2=I-I1=20 A 电动机输入功率P入=UI2=2 000 W 电动机发热功率P热=R2=400 W， 电动机输出功率P=P入-P热=1 600 W，故选C。 题点　电动机与定值电阻并联 6.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，设手机电池的电阻为r，则时间t内(　　) A.手机电池储存的化学能为UIt-I2rt B.手机电池产生的焦耳热为t C.手机电池产生的焦耳热为UIt D.充电宝输出的电功率为UI+I2r 答案　A 解析　手机电池储存的化学能为E化=UIt-I2rt，故A正确；手机电池产生的焦耳热为Q=I2rt，由于手机电池是非纯电阻元件，上述焦耳热不等于t，且上述焦耳热小于UIt，故B、C错误；充电宝输出的电功率为P=UI，故D错误。 考点四　安全用电 7.关于家庭电路，下列说法正确的是(　　) A.家庭电路采用的是电压为220 V的交流电 B.洗衣机、电冰箱等家用电器都使用三孔插座，是为了节约用电 C.在家庭电路中，已有两盏灯正常发光，若再打开电视，则电路中的总电流变小 D.可以用铜丝代替保险丝，这样可以防止断电 答案　A 解析　家用电路采用的是电压为220 V的交流电，故A正确；使用三孔插座，是为了将金属外壳的电荷引入大地，防止因漏电而发生触电事故，故B错误；在家庭电路中，并联的用电器越多，总电阻越小，家庭电路的电压不变，则电路中的总电流变大，故C错误；铜丝无法像保险丝一样在电路过载时及时熔断，故无法起到保护电路的作用，故D错误。 题点　家庭用电 8.(多选)小红家的限电器允许通过的最大电流是10 A，她家有2个标有“220 V，40 W”的日光灯，4只标有“220 V，15 W”的灯泡，1个标有“220 V，1 000 W”的热水器，1台合计起来有160 W的电脑，1台制冷时耗电为140 W的电冰箱，1台耗电为80 W的电视机，1台标有“220 V，1 200 W”的空调。请你通过计算判断：小红家的这些用电器可以同时使用吗？哪些电器可以同时使用(　　) A.不能同时使用，灯泡、电视、空调、电脑、冰箱可以同时使用 B.不能同时使用，灯泡、日光灯、电视、冰箱、空调、电脑可以同时使用 C.不能同时使用，灯泡、热水器、空调可以同时使用 D.都能同时使用 答案　AB 解析　小红家最大可用电功率为P=UI=220×10 W=2 200 W，而所有的电器都打开时总耗电功率为2 720 W，所以不能同时使用。热水器和空调同时使用时的功率恰好等于限电功率，打开任意电器，只要不跟空调、热水器共同使用即可，故A、B正确。 题点　家庭用电 [9、10题，每题6分] 9.(2025·成都市蓉城高三多校联考)为比较额定电压为5 V、内阻为2.5 Ω的USB小电风扇(如图甲)正常工作时和卡住时的功率，将其电机拆下与电动势为6 V、内阻为2 Ω的电源串联(如图乙)，电机恰好能正常工作，则此电路中电机正常工作时的功率与卡住时的功率的比值为(　　) A. B. C. D. 答案　D 解析　电机正常工作时，由闭合电路欧姆定律有E=UM+Ir 解得I=0.5 A 电机的功率P正=UMI=2.5 W 电机卡住时相当于纯电阻，则E=I'(RM+r) 解得I'= A 此时电机的功率P卡=I'2RM= W 所以=，故选D。 题点　电动机被卡住时的相关计算 10.(多选)(2024·成都市石室中学高二月考)直流电动机在生产生活中有着广泛的应用。同学们为了研究直流电动机的机械效率(有用功率与总功率的百分比)问题，设计了如图甲所示的电路，一内阻为r1=1 Ω直流电动机M和规格为“6 V　6 W”的指示电灯L并联之后接在电动势为E=8 V、内阻r2=0.5 Ω的直流电源上。闭合开关S，电动机和指示灯均正常工作，在提升物体过程中，如图乙所示，则下列说法正确的是(　　) A.流过电动机的电流为3 A B.该电源的效率为60% C.电动机的输出功率为15 W D.用该电动机可将重为7.5 N的物体以0.6 m/s的速度匀速提升，则电动机工作的机械效率为25% 答案　AD 解析　根据题意，由公式P=UI可得， 由于指示灯正常工作，则流过指示灯的电流为IL==1 A 设干路电流为I，由闭合回路欧姆定律有UL=E-Ir2 解得I=4 A 则流过电动机的电流为IM=I-IL=3 A，故A正确； 该电源的效率为η=×100%=×100%=75%，故B错误； 电动机的输出功率为P出=UMIM-r2=(6×3-32×1)W=9 W，故C错误； 用该电动机可将重为7.5 N的物体以0.6 m/s的速度匀速提升，根据能量转化和守恒定律得，电动机的有用功率为P有=Gv=4.5 W 则电动机工作的机械效率为η=×100%=×100%=25%，故D正确。 题点　含电动机电路的综合计算 11.(10分)(2024·绵阳市南山中学高二期中)如图所示，电源电动势E=6 V，小灯泡L的规格为“3 V　0.9 W”，开关S接1，当滑动变阻器调到R=8 Ω时，小灯泡L正常发光，现将开关S接2，小灯泡L和电动机M均正常工作，已知电动机的线圈电阻R0=2 Ω。求： (1)(4分)电源内阻； (2)(6分)电动机效率。 答案　(1)2 Ω　(2)75% 解析　(1)小灯泡正常发光时的电阻为 RL==10 Ω 流过小灯泡的电流I==0.3 A 当开关S接1时R总==20 Ω 电源内阻为r=R总-RL-R=2 Ω (2)当开关S接2时，灯泡正常发光，电路中的电流与开关S接1时的电流相同，所以电动机的正常工作电压U机=E-I(RL+r)=2.4 V 电动机的输入功率P入=U机I=0.72 W 而电动机的热功率P热=I2R0=0.18 W 则电动机输出的机械功率 P机出=P入-P热=0.54 W 电动机的效率η机=×100%=×100%=75%。 12.(16分)有一个用直流电动机提升重物的装置，重物的质量m=50 kg，电路电压为120 V，当电动机以v=0.9 m/s的恒定速率向上提升重物时，电路中的电流I=5 A。(取g=10 m/s2) (1)(5分)电动机线圈的电阻R等于多少？ (2)(5分)若因故障电动机不能转动，这时通过电动机的电流是多大？电动机消耗的电功率又为多大？ (3)(6分)电动机对该重物的最大提升速度是多少？ 答案　(1)6 Ω　(2)20 A　2 400 W　(3)1.2 m/s 解析　(1)电动机提升重物时，根据能量守恒定律得P电=P热+P机， 即UI=I2R+mgv 解得R=6 Ω (2)若因故障电动机不能转动，则由欧姆定律得通过电动机线圈的电流为I'== A=20 A 电动机消耗的电功率为P电'=I'2R=2 400 W (3)根据P电=P热+P机，得P机=P电-P热=UI″-I″2R 当I″=时，P机有最大值，最大值为 即I″==10 A时，P机max=600 W 根据P机max=mgvmax，得vmax=1.2 m/s。 题点　含电动机电路的综合计算 学科网（北京）股份有限公司 $