第十二章 1 电路中的能量转化（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（人教版）

本高中物理讲义聚焦电路中的能量转化核心知识点，从电功、电功率的概念及公式（W=UIt，P=UI）切入，延伸至焦耳定律（Q=I²Rt）和热功率（P热=I²R），通过对比纯电阻与非纯电阻电路的能量转化关系构建完整知识支架。 该讲义通过判断题辨析概念误区，结合电动机、灯泡串并联等实例培养科学推理能力，对比表格清晰呈现两种电路差异助力模型建构。课时对点练覆盖不同考点，课中辅助教师教学，课后帮助学生查漏补缺，提升物理观念应用与科学思维。

1　电路中的能量转化 [学习目标]　1.理解电功、电功率、焦耳定律、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 1.电功 (1)电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的。 (2)电功的计算公式：W=UIt。 单位：焦耳，符号为J。 常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“度”，1 kW·h=3.6×106 J。 2.电功率 (1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。 (2)公式：P==UI。 (3)单位：瓦特，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。 (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　(2024·上海交大附中浦东实验高中高二期中)已知电灯的亮暗取决于其两端的电压和通过的电流的乘积。如图，电灯L1、L2的电阻值均为3 Ω；电灯L3、L4的电阻值均为6 Ω。将A、B两端接入电源，四个灯均能发光，若不考虑温度对电阻的影响，最暗的灯是(　　) A.L1 B.L2 C.L3 D.L4 答案　C 解析　L1与L4为串联关系，电流相等，根据P=I2R，且L1的电阻值小于L4的电阻值，则L1与L4的功率大小关系为P1<P4，L2与L3为并联关系，两端电压相等，根据P=，且L2的电阻值小于L3的电阻值，则L2与L3的功率大小关系为P2>P3，由于L1与L2电阻值相等，且通过L1的电流大于通过L2的电流，根据P=I2R，可知L1与L2的功率大小关系为P1>P2，则L1、L2、L3、L4的功率大小关系为P4>P1>P2>P3，则最暗的灯是L3。故选C。 二、焦耳定律 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。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：单位时间内的发热量称为热功率。 (2)公式：P热=I2R。 电烙铁通电后，电烙铁的烙铁头热得能把金属熔化，而与电烙铁相连的导线却不怎么热，为什么？ 答案　电流通过导体时产生的热量Q等于电流I的二次方、导体的电阻R和通电时间t三者的乘积，因为烙铁头的电阻大，在通电电流和通电时间相同时，烙铁头产生的热量多，导线的电阻很小，产生的热量少，所以烙铁头的温度高于导线的温度。 例2　(2025·蚌埠市高二月考)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8L，直径为d，B的长度为L，直径为d。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=4∶1 B.QA∶QB=8∶1 C.QA∶QB=1∶2 D.QA∶QB=1∶8 答案　D 解析　由电阻定律R=ρ可知电阻丝A、B电阻之比为8∶1，电阻丝A、B并联在电路中，两端电压相同，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D。 三、电路中的能量转化 1.电动机工作时的能量转化关系 (1)电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。 (2)电动机的简易模型及其功率、效率 ①电动机消耗的功率(总功率)：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%。 2.电池充电时的能量转化关系：电池从电源获得的能量一部分转化为电池的化学能，还有一部分转化为内能。 (1)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。(　×　) (2)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。(　√　) (3)任何电路中的电功W=UIt，电热Q=I2Rt，且W=Q。(　×　) 例3　(2024·徐州市高二月考)关于以下三个公式①P=UI；②P=I2R；③P=。计算电动机有关功率时，公式选择正确的是(　　) A.热功率可以用公式① B.热功率可以用公式② C.总功率可以用公式③ D.总功率可以用公式①②③ 答案　B 解析　电动机为非纯电阻元件，热功率只能用公式②P=I2R，总功率只能用公式①P=UI。故选B。 例4　(2025·南充市高二期中)在如图所示的电路中，输入电压U恒为10 V，灯泡L标有“6 V，12 W”字样，电动机线圈的电阻RM=1 Ω。若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是(　　) A.流过电动机的电流是4 A B.电动机的电功率是16 W C.电动机的输出功率是4 W D.电动机两端的电压是2 V 答案　C 解析　灯泡恰能正常发光，则电路中的电流为I==2 A，由于电路串联，因此流过电动机的电流是2 A，故A错误；灯泡正常发光时的电压等于其额定电压，故电动机的输入电压为UM=U-UL=4 V，电动机的热功率为P热=I2RM=4 W，电动机的电功率P总=UMI=8 W，所以电动机的输出功率为P出=4 W，故C正确，B、D错误。 拓展　电动机两端的电压UM　　　　(填“>”“=”或“<”)IRM，试根据公式讨论说明。  答案　本题中电动机两端电压UM=4 V IRM=2×1 V=2 V 数据显示UM>IRM 公式讨论：因为PM=UMI=I2RM+E其他 即UMI>I2RM 故UM>IRM。 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 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 欧姆定律 适用，I= 不适用，I< 课时对点练 [分值：60分] [1~5题，每题4分] 考点一　电功和电热的理解 1.(2024·揭阳市高二期末)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适用于任何电路，W=t也适用于任何电路 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，纯电阻电路中产生的焦耳热的多少还与通电时间的长短有关，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.(2025·临夏市高二期末)小梅同学发现家里的电热毯、吊扇和抽油烟机上均印有“220 V　120 W”的字样。若这三个用电器均接在实际电压为220 V的电源插座上工作，则这三个用电器(　　) A.热功率相同 B.电功率相同 C.输入功率不同 D.实际功率不同 答案　B 解析　三个电器中，电热毯是纯电阻用电器，故同一电压下，电热毯热功率最大，故A错误；三个用电器均在额定电压下工作，它们的实际功率均等于额定功率，即输入的功率相同，即电功率相同，故B正确，C、D错误。 考点二　纯电阻电路的分析与计算 3.A、B、C三个灯泡按如图所示的方式连接时，各自消耗的实际功率相同，则RA∶RB∶RC为(　　) A.1∶1∶1 B.1∶2∶2 C.2∶1∶1 D.1∶4∶4 答案　D 解析　B、C两个灯泡并联，UB=UC，B、C两个灯泡消耗的实际功率相同，由P=得RB=RC，IA=2IB=2IC，由P=I2R及PA=PB=PC得RA∶RB∶RC=1∶4∶4，故选D。 4.(多选)(2024·佛山市高二期中)把标有“220 V　100 W”的A灯和“220 V　200 W”的B灯串联起来，接在电压恒为220 V的电源两端，不计导线电阻及灯泡电阻阻值随温度的变化，则下列判断中正确的是(　　) A.两灯的电阻之比RA∶RB=2∶1 B.两灯的实际电压之比UA∶UB=1∶2 C.两灯实际消耗的电功率之比PA∶PB=1∶2 D.在相同时间内，两灯实际发热之比QA∶QB=2∶1 答案　AD 解析　根据P=，代入数据可得A灯泡电阻为484 Ω，B灯泡电阻为242 Ω，故RA∶RB=2∶1，故A正确；两灯串联，根据U=IR，两灯的实际电压之比UA∶UB=2∶1，故B错误；根据P=UI，电流相等，故两灯实际消耗的电功率之比PA∶PB=2∶1，故C错误；根据焦耳定律Q=I2Rt，电流和时间相等，故两灯实际发热之比QA∶QB=2∶1，故D正确。 考点三　非纯电阻电路的分析与计算 5.如图所示，电阻R和电动机M串联接到电路中，已知电阻R跟电动机M线圈的电阻相等，开关闭合后，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做的功为W1，产生的热量为Q1，电流通过电动机M做的功为W2，产生的热量为Q2，则有(　　) A.U1=U2，Q1<Q2 B.W1<W2，Q1=Q2 C.W1<W2，Q1<Q2 D.U1>U2，Q1=Q2 答案　B 解析　电阻R和电动机M串联，流过两用电器的电流相同。电阻R跟电动机M线圈的电阻相等，则由焦耳定律可知两者产生的热量相等，则Q1=Q2，电动机正常工作时为非纯电阻用电器，消耗的电能绝大部分转化为机械能，少部分转化为内能Q2，电流通过R做的功等于Q1，所以电流通过电动机M做的功要大于电流通过电阻R做的功，则W1<W2，又U1=IR，U2>IR，则U1<U2，故选B。 6.(9分)(2024·赤峰市实验中学高二开学考)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，且电动机的电阻rM=1 Ω；当S3闭合，S1、S2断开时，电流表示数为4 A，且电解槽电阻rA=2 Ω。电流表为理想电表，求： (1)(3分)电炉丝的电阻及发热功率； (2)(3分)电动机的机械效率； (3)(3分)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)当S2闭合，S1、S3断开时，电动机接入电路，电动机为非纯电阻元件，有 I2U=rM+P输出 η=×100%=×100%≈58.3% (3)当S3闭合，S1、S2断开时，电解槽接入电路，电解槽为非纯电阻元件， 则有P化学=I3U-rA 代入数据解得 P化学=(4×12-42×2) W=16 W。 [7~9题，每题5分] 7.(2024·广州市高二期末)有一家用电熨斗，其内部电路结构如图所示，改变内部连线方式可以使电熨斗处于断开状态或获得低、中、高三个不同的温度挡，选项图中是它的四种不同的连接方式，其中能获得高温度挡的是(　　) 答案　D 解析　A选项为断路，没有电流，不工作，故A错误； B选项R1、R2串联，发热功率为P2= C选项只有R1工作，发热功率为P3= D选项R1、R2并联，发热功率为P4=，可以判断出，P2最小，P4最大，所以能获得高温度挡的是D选项。 8.(2025·常州市高二月考)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。 9.(2024·江门市高二期中)某型号扫地机器人的铭牌信息如下表。已知扫地机器人剩余电量为480 mA·h时，机器人自动停止扫地并返回充电基座充电。该型号扫地机器人(　　) 额定工作电压 10 V 额定功率 40 W 电池容量 2 400 mA·h A.扫地时额定电流为2 A B.内部电路的总电阻为2.5 Ω C.可以连续扫地的时间为0.6 h D.每次扫地释放的电能最多约为6.9×104 J 答案　D 解析　设扫地机器人扫地时额定电流为I，由P=UI，代入数据解得I=4 A，故A错误； 扫地机器人为非纯电阻元件，由扫地机器人铭牌数据不能得出其内部电路的总电阻，故B错误； 由题知，扫地机器人工作过程中消耗电量为q=(2.4-0.48)×3 600 C=6 912 C，可以连续扫地的时间为t==0.48 h，故C错误； 每次扫地释放的电能最多为ΔE=W=qU=6 912×10 J≈6.9×104 J，故D正确。 10.(10分)(2024·深圳市高级中学高二期末)如图所示是一提升重物用的直流电动机工作时的电路图。电动机电阻r=1 Ω，电路中另一电阻R=10 Ω，直流电压U=100 V，理想电压表示数UV=60 V。求： (1)(3分)通过电动机的电流； (2)(3分)输入电动机的电功率； (3)(4分)若电动机以v=2 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)4 A　(2)240 W　(3)11.2 kg 解析　(1)通过电动机的电流为 I== A=4 A (2)输入电动机的电功率 P=IUV=4×60 W=240 W (3)若电动机以v=2 m/s匀速竖直向上提升重物，则有P-I2r=mgv 解得m=11.2 kg。 [6分] 11.(2024·上饶市高二月考)如图甲所示，横截面都是正方形的三段导体，它们的材料和长度都相同，导体B刚好能嵌入导体A，导体C刚好能嵌入导体B，现将三段导体按图乙方式接入到电路中，则(　　) A.导体A、B、C的电阻之比为3∶2∶1 B.导体A、B、C两端的电压之比为1∶2∶3 C.流过导体A、B、C的电流之比为2∶2∶1 D.导体A、B、C在相等时间内产生的热量之比为1∶1∶4 答案　D 解析　依题意，可得A的横截面积为SA=(L)2-(L)2=L2，B的横截面积为SB=(L)2-(L)2=L2，C的横截面积为SC=L2，故A、B、C横截面积相等，且它们的材料和长度都相同，由电阻定律R=ρ可知导体A、B、C的电阻之比为1∶1∶1；由电路图结合串、并联特点可知UC=2UA=2UB，可知导体A、B、C两端的电压之比为1∶1∶2；根据欧姆定律I=，可知流过导体A、B、C的电流之比为1∶1∶2，故A、B、C错误；由Q=I2Rt可知导体A、B、C在相等时间内产生的热量之比为1∶1∶4，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $