2020-2021学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册课件：12.1 电路中的能量转化60张PPT

1　电路中的能量转化
第十二章 电能 能量守恒定律
1.理解电功、电功率、电热、热功率的概念，知道它们的区别与联系.
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.
学习目标
知识梳理
重点探究
随堂演练
课时对点练
内容索引
NEIRONGSUOYIN
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 在做功.电能转化为其他形式的能，是通过 来实现的.
(2)电功的计算公式：W＝ .
单位： ，符号为 .
常用的单位：千瓦时(kW·h)，也称“ ”，1 kW·h＝ J.

知识梳理
静电力
电流做功
焦耳
J
度
3.6×106
UIt
2.电功率
(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电 之比.
(2)公式：P＝ ＝ .
(3)单位： ，符号为 .
(4)意义：表示电流做功的 .
时间
UI
瓦特
W
快慢
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 成正比，跟导体的 _____及 成正比.
(2)表达式：Q＝ .
2.热功率
(1)定义： 内的发热量称为热功率.
(2)公式：P热＝I2R.
电流的二次方
电阻
通电时间
I2Rt
单位时间
三、电路中的能量转化
1.电动机消耗的功率P电＝ .
2.电动机线圈电阻上的热功率P热＝I2R.
3.电动机输出功率P机＝UI－I2R.
UI
1.判断下列说法的正误.
(1)电功率越大，表示电流做功越多.(　　)
(2)电功W＝UIt可以用来计算所有电路中电流所做的功.(　　)
(3)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.(　　)
(4)电动机消耗的电能，一部分转化为机械能，一部分转化为线圈内阻上的电热.(　　)

即学即用
×
√
√
√
(5)焦耳定律的表达式为Q＝I2Rt，此式适用于任何电路.(　　)
(6)三个公式P＝UI、P＝I2R、P＝ 没有任何区别，它们表达相同的意义，所以三式中P都是电功率.(　　)
√
×
2.通过电阻R的电流为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电
流为 ，则在时间t内产生的热量为_____.
一、电功和电热的理解
导学探究　电吹风工作时，将电能转化为什么能？电熨斗工作时，将电能转化为什么能？
重点探究
答案　电吹风工作时，将电能转化为内能和机械能.电熨斗工作时，将电能转化为内能.
知识深化
1.电功和电功率
W＝UIt是电功的计算式，P＝UI是电功率的计算式，适用于任何电路.
2.电热和热功率
Q＝I2Rt是电热的计算式，P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率.
3.电功和电热的关系
(1)在纯电阻电路中：
①电功和电热相等，W＝Q＝UIt＝ t＝I2Rt；
(2)在非纯电阻电路中：
①电功大于电热，W＝Q＋W其他，电功只能用W＝UIt计算，电功率只能用P＝UI计算；
②电热只能用Q＝I2Rt计算，热功率只能用P＝I2R计算；
③欧姆定律不成立，由UIt>I2Rt得：U>IR.
例1　(多选)对电功及焦耳定律公式的理解正确的是
A.焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解
B.电功公式W＝UIt、焦耳定律公式Q＝I2Rt都适合于任何电路，因此W
一定等于Q
C.非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热
D.电功的另一表达式W＝ t只适用于纯电阻电路
√
√
解析　任何电路的焦耳热都可用焦耳定律求解，A正确；
B选项中的两个公式均适合于任何电路，但W不一定等于Q，B错误；
非纯电阻电路中的电功一定大于焦耳热，C错误；
例2　如图1所示，一幢居民楼里住着生活需求各不相同的24户居民，所以整幢居民楼里有各种不同的电器，例如电炉、电视机、微波炉、电风扇等.停电时，用欧姆表测得A、B间电阻为R；供电后，各家电器同时使用，测得A、B间电压为U，进线电流为I，则计算该幢居民楼用电的总功率可以用的公式是
图1
√
解析　家用电器中有纯电阻也有非纯电阻，故总电功率只能用P＝UI来计算，C正确.
二、纯电阻电路中功率的分配与计算
2.串、并联电路中的功率关系
?
串联电路
并联电路
功率分配


总功率
P＝P1＋P2＋…＋Pn
P＝P1＋P2＋…＋Pn
3.额定功率和实际功率
(1)用电器正常工作时所消耗的电功率叫作额定功率.当实际电压达到额定电压时，实际功率等于额定功率.
(2)为了用电器不被烧毁，实际功率不能大于额定功率.
例3　(2020·广州市模拟)定值电阻R1、R2、R3的阻值均为2 Ω，在电路中允许消耗的电功率的最大值分别为10 W、10 W、2 W，现将这三个电阻按照如图2所示的方式连接，则这部分电路消耗的电功率的最大值为




A.22 W B.12 W C.15 W D.16 W
图2
√
解析　首先分析两个并联电阻R2、R3所允许消耗的最大功率，
因为R2与R3并联，则两端电压相等，
已知R2与R3本身允许的最大功率分别是10 W和2 W，
所以R2、R3在该电路中消耗的最大功率都是2 W，否则会超过R3的最大功率.
再分析R1在电路中允许消耗的最大功率，把R2与R3看成一个并联电阻R′，
则电路就是R1与R′串联，而串联电路电流处处相等，
则R1消耗的功率为2×4 W＝8 W<10 W.
所以这部分电路消耗的电功率最大值为2 W＋2 W＋8 W＝12 W，故B正确.
针对训练　额定电压均为110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W的A、B两盏灯泡，若接在电压为220 V的电路上，使两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是

√
对于A电路，由于RA＜RB，所以UB＞UA，UB＋UA＝220 V，则UB＞110 V，B灯被烧毁，UA＜110 V，A灯不能正常发光；
对于B电路，由于RB＞RA，A灯与滑动变阻器并联，并联电阻小于RB，所以UB＞U并，则UB＞110 V，B灯被烧毁，A灯不能正常发光；
对于C电路，B灯与滑动变阻器并联，并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光；
对于D电路，若滑动变阻器的有效电阻等于A灯、B灯的并联电阻，则UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光.
比较C、D两个电路，当灯A、B均正常发光时，由于C电路中滑动变阻器功率为(IA－IB)×110 V，而D电路中滑动变阻器功率为(IA＋IB)×110 V，所以C电路消耗电功率最小，综上所述，C正确.
三、非纯电阻电路功率的分析与计算
1.电动机的功率和效率
(1)电动机的输入功率是电动机消耗的总功率，P电＝UI.
(2)电动机的热功率是线圈上电阻的发热功率，P热＝I2R.
(3)电动机的输出功率是电动机将电能转化为机械能的功率P出＝P机.
三者关系为：P电＝P热＋P机
2.串、并联电路的总功率
(1)串联电路：P总＝U总I＝(U1＋U2＋U3＋…＋Un)I＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn
(2)并联电路：P总＝UI总＝U(I1＋I2＋I3＋…＋In)＝P1＋P2＋P3＋…＋Pn
从能量转化的角度看，无论是串联电路还是并联电路，无论是纯电阻电路还是非纯电阻电路，电路消耗的总功率均等于电路中各部分消耗的功率之和.
例4　(2020·九江一中月考)有一个直流电动机，把它接入0.2 V电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是0.4 A；把它接入2 V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1 A.
(1)求这台电动机的内阻；

答案　0.5 Ω
解析　电动机不转时电路为纯电阻电路，
(2)求电动机正常工作时的输出功率；
答案　1.5 W
解析　电动机正常工作时电路为非纯电阻电路，消耗的总功率P总＝UI＝2×1 W＝2 W
线圈内阻的热功率P热＝I2r＝12×0.5 W＝0.5 W
则电动机正常工作时的输出功率P出＝P总－P热＝2 W－0.5 W＝1.5 W
(3)如在正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率为多大？
答案　8 W
解析　电动机的转子突然被卡住时，此时电路为纯电阻电路，
例5　小型直流电动机(其线圈内阻为r＝1 Ω)与规格为“4 V　4 W”的小灯泡并联，再与阻值为R＝5 Ω的电阻串联，然后接至U＝12 V的电源上，如图3所示，小灯泡恰好正常发光，电动机正常工作，求：
(1)通过电动机的电流；
答案　0.6 A
图3
通过电动机的电流I＝IR－IL＝0.6 A.
(2)电动机的输出功率P出；
答案　2.04 W
解析　电动机消耗的总功率P＝ULI＝4×0.6 W＝2.4 W
电动机线圈内阻的热功率P热＝I2r＝(0.6)2×1 W＝0.36 W
电动机的输出功率P出＝P－P热＝2.4 W－0.36 W＝2.04 W
(3)电动机的效率.
答案　85%
1.(电功、电热的理解)(多选)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，而W＝I2Rt＝ t只适用于纯电阻电路
C.在非纯电阻电路中，UI>I2R
D.焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路
1
2
3
随堂演练
√
√
√
1
2
3
在非纯电阻电路中，W＝Q＋W其他，所以W>Q，故UI>I2R，C正确.
Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路，D正确.
2.(纯电阻电路中的功率计算)在如图4所示的电路中，有四盏灯，L1和L2都标有“220 V　100 W”字样，L3和L4都标有“220 V　40 W”字样，把电路接通后，最暗的是




A.L1　　　　　　 B.L2 　　　 　　　C.L3　　　　　　 D.L4
1
2
3
图4
√
1
2
3
解析　由题意可知，L1、L2的电阻相等，L3、L4的电阻相等.
设L1、L2、L3、L4实际消耗的功率分别为P1、P2、P3、P4.
由题图可知，通过L1的电流大于通过L2的电流，
由公式P＝I2R得到，P1>P2.
同理，P4＞P3，P4＞P1.
L2和L3的电压相等，
3.(非纯电阻电路的功率分配和计算)如图5所示，一台直流电动机所加电压为110 V，通过的电流为5 A.该电动机在10 s内把一个质量为50 kg的物体匀速提高了9 m，求该电动机的电功率和该电动机线圈的电阻(不计摩擦)，g取10 N/kg.
1
2
3
图5
答案　见解析
1
2
3
解析　该电动机的电功率P＝UI＝110×5 W＝550 W
电动机做功的过程就是把电能转化为机械能和内能的过程.
机械能E＝mgh＝50×10×9 J＝4 500 J
内能Q＝W－E＝Pt－E＝(550×10－4 500) J＝1 000 J
由焦耳定律Q＝I2Rt，
考点一　电功和电热的理解
1.(2019·西安市高新一中期末)把家用电炉的电热丝剪去一小段后，继续使用，则在同样的时间内
A.由Q＝I2Rt可知，电炉的发热量减小
B.由Q＝UIt可知，电炉的发热量不变
C.由Q＝ t可知，电炉的发热量增大
D.无法确定
基础对点练
课时对点练
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
解析　将家用电炉的电热丝剪去一小段后，其电阻R变小，
由于加在电炉两端的电压U不变，
10
11
12
2.室内有几种家庭常用电器：1.5 kW的电饭煲、200 W的电冰箱、750 W的取暖器、250 W的电视机和2 kW的空调器.如果进线处有13 A的保险丝，供电电压为220 V，下列情况下不能同时使用的是
A.电饭煲和电冰箱
B.取暖器和空调器
C.电饭煲和空调器
D.电冰箱、电视机和空调器
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
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，用电器就不可以同时使用，故C正确.
10
11
12
考点二　纯电阻电路的分析及计算
3.如图1所示为某两个电阻的U－I图像，则电阻之比R1∶R2和把两电阻串联后接入电路时消耗功率之比P1∶P2及并联后接入电路时消耗功率之比P1′∶P2′分别是
A.2∶1　2∶1　1∶2
B.2∶1　1∶2　2∶1
C.1∶2　1∶2　2∶1
D.1∶2　2∶1　1∶2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
图1
10
11
12
4.(多选)有两个灯泡L1、L2，额定电压皆为6 V，额定功率分别为6 W、3 W，将它们接在电路中，下列说法正确的是
A.若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为9 W
B.若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 W
C.若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为9 W
D.若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5 W
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
√
10
11
12
解析　当两灯泡串联时，电流相等，
要使两灯泡不致被烧坏，电路中的最大电流为0.5 A，两灯泡的最大功率为Pmax＝I22R1＋I22R2＝4.5 W，
故A错误，B正确；
当两灯泡并联时，电压相等，
当电压为6 V时，两灯皆可正常发光，
此时两灯泡最大功率为9 W，
故C正确，D错误.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
考点三　非纯电阻电路的分析及计算
5.如图2所示，直流电动机M的线圈电阻为r，接入电压恒为U的电源时，电动机正常工作，此时电动机中通过的电流为I、消耗的电功率为P、线圈电阻的发热功率为P热、输出的机械功率为P出.则下列关系式正确的是
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
图2
10
11
12
解析　电动机为非纯电阻用电器，电动机中通过的电流为I< ，它消耗的电能一部分转化成机械能，一部分自身发热，线圈电阻的发热功率
P热＝I2r，消耗的电功率为P＝IU，所以根据能量守恒得P出＝UI－I2r.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
6.如图3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的直流电路两端，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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
图3
√
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
解析　灯泡正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且由于电解槽和灯泡串联，它们的电流相等，
则电解槽消耗的电功率P＝P灯＝60 W，A错误，C正确；
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.
10
11
12
7.(2020·吉林榆树一中期中)在如图4所示的电路中，输入电压U恒为8 V，灯泡L标有“3 V　6 W”字样，电动机线圈的电阻RM＝0.5 Ω.若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是
A.电动机的输入电压是8 V
B.流过电动机的电流是10 A
C.电动机的效率是80%
D.整个电路消耗的电功率是10 W
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
图4
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
解析　电动机的输入电压U1＝U－UL＝8 V－3 V＝5 V，故A错误；
所以电动机消耗的电功率P电＝U1I＝5×2 W＝10 W，
电动机发热的功率P热＝I2RM＝4×0.5 W＝2 W，
则电动机输出的功率P出＝P电－P热＝10 W－2 W＝8 W，
整个电路消耗的电功率P总＝UI＝8×2 W＝16 W，故D错误.
10
11
12
8.(多选)一只电炉的电阻丝和一台直流电动机线圈电阻相同，都为R，设通过它们的电流相同(电动机正常运转)，则在相同时间内
A.电炉和电动机产生的热量相同
B.电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率
C.电炉两端电压小于电动机两端电压
D.电炉和电动机两端电压相等
1
2
3
4
5
6
7
8
9
√
√
√
10
11
12
解析　电炉电路和电动机电路都适用焦耳定律.根据焦耳定律Q＝I2Rt得，电炉和电动机线圈的电阻相同，通过它们的电流相同，则在相同的时间内电炉和电动机产生的电热相等，A正确；
电动机消耗的电能一部分转化为内能，另一部分转化为机械能，电炉消耗的电能全部转化为内能，而相同时间内它们产生的热量相等，则在相同的时间内，电动机消耗的电能大于电炉消耗的电能，电动机消耗的电功率大于电炉消耗的电功率，B正确；
设电流为I，则电炉两端电压U炉＝IR，电动机两端电压U机>IR，所以U机>U炉，
即电动机两端电压大于电炉两端电压，C正确，D错误.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
9.(2020·浙江余姚模拟)如图5所示为一台冬天取暖用的暖风机.其内部电路可简化为加热电阻丝与电动机串联，电动机带动风叶转动，将加热后的热空气吹出.设电动机的线圈电阻为R1，电阻丝的电阻为R2，将暖风机接到额定电压为U的交流电源上，正常工作时，电路中的电流为I，电动机、电阻丝、暖风机消耗的电功率分别为P1、P2、P，则下列关系式正确的是
A.P1＝I2R1 B.P2>I2R2
C.P＝UI D.P＝I2(R1＋R2)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
图5
能力综合练
√
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
解析　暖风机消耗的电功率P是总的功率，总功率的大小为P＝IU，故C正确；


电动机两端的电压U1＝U－IR2，电动机消耗的电功率为P1＝U1I＝UI－I2R2，故A错误；
电阻丝为纯电阻，所以消耗的电功率P2＝I2R2，故B错误；
因为电动机是非纯电阻，所以暖风机消耗的电功率P>I2(R1＋R2)，故D错误.
10
11
12
10.(2019·北京市海淀区三模)如图6所示，一电饭煲和一洗衣机并联接在输出电压为220 V的交流电源上，均正常工作.用电流表分别测得通过电饭煲的电流为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.电饭煲的电功率为1 555 W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5 W
C.1 min内，电饭煲消耗的电能为6.6×104 J，洗衣机消耗的电能为
6.6×103 J
D.电饭煲发热功率是洗衣机发热功率的10倍
图6
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
解析　电饭煲为纯电阻元件，电阻R＝ ＝44 Ω，
电功率P＝UI＝1 100 W，
每分钟消耗的电能E＝UIt＝6.6×104 J；
洗衣机电动机线圈电阻无法确定，也无法确定其发热功率，
洗衣机电功率P′＝UI′＝110 W，
每分钟消耗的电能E′＝UI′t＝6.6×103 J，
故选项C正确，A、B、D错误.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
11.(2019·启东中学高一下期末)如图7所示，M为电动机，N为电炉，电炉的电阻R＝4 Ω，电动机的内阻r＝1 Ω，恒定电压U＝12 V.当S1闭合、S2断开时，理想电流表A示数为I1；当S1、S2同时闭合时，理想电流表A示数为I2＝5 A.求：
(1)理想电流表的示数I1及电炉发热功率；
答案　3 A　36 W
图7
解析　电炉为纯电阻元件，由欧姆定律得：
其发热功率为：PR＝I12R＝32×4 W＝36 W；
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(2)电动机的输出功率.
答案　20 W
解析　当S1、S2同时闭合时，流过电动机的电流为：
I3＝I2－I1＝2 A，
电动机为非纯电阻元件，由能量守恒定律得：
UI3＝P出＋I32r，
代入数据解得：P出＝20 W.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
12.(2020·成都高二期末)一台小型电动机在6 V电压下正常工作，用此电动机提升重力为10 N的物体时，在10 s内使该物体在竖直方向匀速上升了1.1 m，上述过程中，通过电动机的电流为0.2 A.不计除电动机线圈发热外的其他能量损失.求：
(1)电动机输出的机械功率；
答案　1.1 W
解析　物体做匀速直线运动，则拉力F＝G＝10 N
电动机输出的机械功率P机＝Fv＝10×0.11 W＝1.1 W
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(2)电动机线圈的电阻.
解析　电动机的输入功率P入＝UI＝6×0.2 W＝1.2 W
根据能量守恒定律得P入＝P机＋P热，
则电动机发热的功率P热＝P入－P机＝1.2 W－1.1 W＝0.1 W
又P热＝I2r，得线圈电阻r＝2.5 Ω.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
答案　2.5 Ω
本课结束