《学霸笔记 同步精讲》第二章 8.焦耳定律　电路中的能量转化（课件）高中物理教科版必修三

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8.焦耳定律　电路中的能量转化
第二章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.理解焦耳定律。
2.理解电功、电功率、电热、热功率的概念。
3.理解只含有电阻元件的电路和含有非电阻元件的电路中电功和电热的区别和联系。
1.通过对焦耳定律的学习,形成物理观念。
2.弄清电功与电热、电功率与热功率的区别和联系,形成科学思维。
3.通过对电功和电热相关物理规律的探究,形成科学探究方法。
自主预习 新知导学
一、电功和电功率
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 和通电时间t三者的乘积。
(2)公式:W=UIt。单位是焦耳,简称焦,符号是J。
(3)实质:导体中的恒定电场对自由电荷的静电力所做的功。
2.电功率
(1)定义:电流所做的功W与做这些功所用时间t的比叫作电功率,它在数值上等于单位时间内电流所做的功。
(2)公式:P= = UI 。单位是瓦特,简称瓦,符号为W。
(3)意义:表示电流做功的快慢。
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。
(2)表达式:Q= I2Rt 。
(3)焦耳热:电流通过电阻而产生的热。
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的比叫作热功率,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)表达式:P热= = I2R 。
(3)物理意义:表示电流发热快慢的物理量。
三、电路中的能量转化
1.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。
2.在闭合电路中,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。即IE=IU+I2r。
3.含有反电动势的电路(选学)
(1)电路特点:电路中含有电动机、充电电池等,电路中会产生一个与电源电动势相反的电动势,叫作反电动势。
(2)能量转化特点:电源输出的电能只有一部分转化为内能,而其余部分转化为化学能或机械能。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)电功与电能的单位相同,电功就是电能。(　　)
(3)电功率越大,表示电流做功越多。(　　)
(4)电功W=UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功。(　　)
(5)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。(　　)
(6)电动机消耗的电能,一部分转化为机械能,一部分转化为线圈内阻上的电热。(　　)
×
×
×
√
√
√
2.用电器额定功率越大,接在电路中电流做的功越多,这种说法对吗
提示:不对。电流做功一方面与实际功率有关,另一方面还与通电时间有关,只有实际功率与时间乘积大时,电流做功才多。
3.标有“220 V　40 W”的白炽灯和“220 V　40 W”的电动机,把它们并联后接到220 V的照明电路中,二者都能正常工作,它们在相同的时间内产生的电热相同吗
提示:不同。“220 V　40 W”的白炽灯通电时将电能全部转化为内能,而“220 V　40 W”的电动机,通电后消耗的电能大部分转化为机械能,剩余的小部分才转化为内能。
合作探究 释疑解惑
知识点一
电功和电功率
问题引领
1.怎样从力和能量转化两个角度分析电流做功
提示:从力的角度看,电流做功本质上是电场力对电荷做功;从能量角度看,电流做功过程是电能转化为其他形式能的过程。
2.讨论电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”是否相同,各用什么物理量表示。
提示:电流做功快,做功不一定多;电流做功慢,做功不一定少。电流做功的快慢用电功率表示,电流做功的多少用电功表示。电流做功的快慢与做功的时间和做功的多少有关。
归纳提升
(1)功是能量转化的量度,电流做了多少功,就有多少电能转化为其他形式的能,即电功等于电路中电能的减少量,这是电路中能量守恒的体现。
(2)电功表达式W=IUt的物理意义:电流在一段电路上所做的功,跟这段电路两端的电压、电路中的电流和通电时间成正比。
(3)电功率表达式P=IU的物理意义:电流做功的功率,跟这段电路两端的电压、电路中的电流成正比。
典型例题
【例题1】 (多选)一个电阻接入某电路后,消耗的功率为110 W,通过3 C 的电荷量时,有330 J的电能转化为内能,则下列说法正确的是(　　)
A.电阻两端所加电压为330 V
B.通过电阻的电流为1 A
C.电阻通电时间为3 s
D.这个电阻的阻值为110 Ω
答案:BCD
W=qU是静电场中电场力做功的公式,W=UIt是电流做功的公式,这两个公式本质上是一致的。
【变式训练1】 一台自动洗衣机说明书中列出了洗衣机的额定功率为360 W,问:
(1)这台洗衣机在额定电压工作时,通过洗衣机的电流是多大
(2)如洗衣机累计工作时间为40 min,则洗衣机耗电多少
答案:(1)1.64 A　(2)8.64×105 J
解析:(1)由说明书可知P=360 W,又由P=UI,可得
(2)W=Pt=360×40×60 J=8.64×105 J
故消耗的电能为8.64×105 J。
知识点二
焦耳定律　热功率
问题引领
1.据统计,电源插头处发生火灾的概率要远大于正常导线发生火灾的概率,请思考并回答其中的原因。
提示:与正常导线相比,电源插头电阻较大,相等时间内产生的热量较多。
2.设在一段电路中只有电阻元件,其电阻为R,通过的电流为I,试以此为模型探究焦耳定律的表达式。
提示:由欧姆定律U=IR,在时间t内电流做的功W=IUt=I2Rt。电路为纯电阻电路,W=Q,即Q=I2Rt,此式为焦耳定律的表达式。
归纳提升
1.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。
2.焦耳定律公式:Q=I2Rt。
3.热功率:在数值上等于单位时间内电流通过电阻所产生的热量。公式为P=I2R。
4.纯电阻电路和非纯电阻电路
(1)纯电阻电路:如果电路中只含电阻元件,这样的电路称为纯电阻电路。
(2)非纯电阻电路:如果电路中除电阻元件外,还含有电动机或电解槽等,这样的电路称为非纯电阻电路。
5.电功与电热
(2)非纯电阻电路:电功W=UIt,电热Q=I2Rt,W>Q;电功率P=UI,热功率
P热=I2R,P>P热。
典型例题
【例题2】 (多选)下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是(　　)
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,而W=I2Rt= t只适用于纯电阻电路
C.在不是只含电阻的电路中,UI>I2R
D.焦耳热Q=I2Rt适用于任何电路
答案:BCD
1.W=UIt适用于任何电路求电功。
2.Q=I2Rt适用于任何电路求焦耳热。
3.在纯电阻电路中,欧姆定律I= 成立,此时W=Q。
【变式训练2】 有一个电风扇,标有“200 V　50 W”,电动机线圈的电阻为0.4 Ω,把它接入220 V的电路中,以下几种计算时间t内产生热量的方法正确的是(　　)
答案:C
知识点三
电路中的能量转化
问题引领
下图是电动起重机电路,请分析电路中的能量转化情况。
(1)电源消耗的电能转化成了几种形式的能
(2)怎样计算电动起重机的工作效率
提示:(1)电源消耗的电能转化为内能和机械能。
归纳提升
纯电阻电路和非纯电阻电路能量转化情况
项目 纯电阻电路 非纯电阻电路
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量:
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
典型例题
【例题3】 规格为“220 V　36 W”的排气扇,线圈电阻为40 Ω,问:
(1)接上220 V电压后,排气扇转化为机械能的功率和发热的功率是多少
(2)如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,求电动机消耗的功率和发热的功率。
答案:(1)35 W　1 W
(2)1 210 W　1 210 W
解析:(1)排气扇在220 V电压下正常工作的电流I= A=0.16 A
发热功率P热=I2R=0.162×40 W=1 W
转化为机械能的功率P机=P-P热=(36-1) W=35 W。
(2)扇叶被卡住不能转动后,电动机相当于纯电阻,电能全部转化为内能,此时通过排气扇的电流I'= A=5.5 A
电动机消耗的功率等于发热功率P'=P热=I'U=5.5×220 W=1 210 W
由于发热量很大,将很快烧坏电动机线圈。
电动机电路的分析方法
(1)电动机转动时是非纯电阻电路,电动机不转动时是纯电阻电路。
(2)电动机的输入功率即总功率P入=IU,电动机的发热功率P热=I2r,电动机的输出功率P出=P入-P热。
【变式训练3】 (多选)如图所示,电阻R1=20 Ω,电动机的线圈电阻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=IR算出电源电压为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。此电压不可能全部在电动机的内阻上,故电动机中的电流不可能达到1 A,所以总电流小于1.5 A。据P=UI可知,电源的功率也小于15 W。选项B、D正确。
课堂小结
随堂练习
1.(公式P= 的应用)电功率的计算公式P= 中,U是加在用电器上的电压,R是用电器的电阻,此式可用于(　　)
A.计算电冰箱的功率
B.计算电风扇的功率
C.计算电烙铁的功率
D.计算洗衣机的功率
答案:C
解析:公式P= 是根据电功率公式和欧姆定律推导出来的,只能用在纯电阻电路中,故C正确,A、B、D错误。
2.(电功和电热的区别与联系)关于电功W和电热Q的说法正确的是(　　)
A.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,且W=Q
B.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,但W不一定等于Q
C.W=UIt、Q=I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立
D.W=UIt在任何电路中成立,Q=I2Rt只在纯电阻电路中成立
答案:B
解析:W=UIt、Q=I2Rt适用于一切电路,但在纯电阻电路中W=Q,在非纯电阻电路中W>Q,B正确,A、C、D错误。
3.(焦耳定律)(2023秋·四川泸州合江校级期末)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:根据焦耳定律,导线在10 s内产生的热量Q=I2Rt=22×0.8×10 J=32 J,故D正确。
4.(焦耳定律的应用)(2024·湖北卷)如图所示,电路中接入正弦式交变电流,灯泡L1的电阻是灯泡L2的2倍。假设两个二极管正向电阻为0、反向电阻无穷大。闭合开关S,灯泡L1、L2的电功率之比P1∶P2为(　　)
A.2∶1 B.1∶1
C.1∶2 D.1∶4
答案:C
解析:本题结合二极管考查交流电路中电功率的计算。由电路图可知,二极管导通则短路与其并联的灯泡,此时另一个灯泡与电源串联,在正弦式交变电流一个完整的周期内,两个灯泡有电流通过的时间相等,都为半个周期,且电压有效值相等,根据P=,可知P1∶P2=RL2∶RL1=1∶2,故选C。