电功和电热+高二上学期物理鲁科版（2019）必修第三册

第3节电功与电热情境导入在生产生活中，电灯把电能转化为光能，给我们带来光明；

电动机把电能转变为动能，使电风扇旋转，使电力机车飞驰；电热器（图3-14）把电能转变为内能，在寒冷的冬天送来温暖......人类生活与电能密切相关。那么，如何理解电流做功？电能如何转化为其他形式的能？本节将学习电功、电功率和电能转化为电热的规律——焦耳定律.我们先通过一个有趣的小实验看看电能是如何转化为其他形式的能的。讲授新课一、电功和电功率把一根大头针插在一小块硬纸片上，用胶水把硬纸片贴在功率不太大的白炽灯泡上，使大头

针的针尖朝上；然后用三张纸条做一个小风车，

把风车放在针尖上（图3-15）。打开台灯，观察有什么现象发生。做此实验时，时间不要太长，要注意用电安全，避免被灯泡烫伤或被大头针扎伤等。迷你实验室灯泡上的小风车我们会发现，小风车转了起来，这是因为电能转化为灯泡的内能、光能，部分内能通过空气又转化为小风车的动能。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。在导体两端加上电压，导体中就会产生电场，导体中的自由电荷在电场力的作用下就会发生定向移动，在这个过程中，电场力就对电荷做了功，这就是我们常说的电功（electricwork）。讲授新课如果电路两端的电压为U，在时间t内通过电路任一横截面的电荷量为q，则电功的大小（或消耗的电能）W=qU。因为q=It，所以讲授新课上式表明，电流在一段电路上所做的功W

等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I

和通电时间

t三者的乘积。在国际单位制中，电功的单位是焦耳，符号为J。

讲授新课电流做功（或消耗电能）的快慢用电功率P

表示。电流做的功与所用时间之比称为电功率（electricpower），用公式表示为在国际单位制中，电功率的单位是瓦特，简称瓦，符号为W。

1W=1J/s=1V·A在电气设备或家用电器的铭牌（图3-16）和使用说明书上，一般都标有额定电压和额定功率。在生产生活中，有时用电器的工作电压不等于其额定电压，这种情况下用电器的实际功率也不等于其额定功率。讲授新课电流通过电气设备时，导体一般都会产生一定的热量，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？

英国物理学家焦耳（J.Joule，1818—1889）用实验研究了电流的热效应后，得出如下规律：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。这就是焦耳定律（Joulelaw），用公式表示为讲授新课二、焦耳定律在国际单位制中，热量的单位是焦耳，符号为J。

从微观角度看，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，碰撞就越频繁、剧烈，导体发热就越多。讲授新课

讲授新课焦耳（图3-17），英国物理学家。18世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路，一直没有办法解决热和功的关系问题，是焦耳为这一问题的最终解决指明了道路。

1840年，焦耳通过实验发现，导体在一定时间内产生的热量与导体的电阻及电流的二次方之积成正比。四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，并进一步验证了该结论的正确性。因此，该结论也称为焦耳—楞次定律.科学书屋焦耳

1843年，焦耳又设计了一个实验：将一个小线圈绕在铁芯上，当铁芯磁场发生变化时，小线圈产生感应电流，用电流计测量线圈电流，把线圈放在装水的容器中，测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的，没有外界电源供电，水温的升高只是电能转化为内能的结果，整个过程不存在“热质”的转移。这一实验结果完全否定了“热质说”。

后人为了纪念焦耳，把功和能的单位命名为焦耳。

科学书屋某玩具的直流电动机线圈的电阻一定，在线圈两端加上0.3V的电压时，电流为0.3A，此时因电压过低，电动机不能转动。若在线圈两端施加2V的电压，电流为0.8A，此时电动机正常工作。当正常工作时，该电动机的输入电功率是多少？电动机的输出机械功率是多少？典例精析已知电动机不能转动时，U₁=0.3V，I₁=0.3A。当

电动机正常工作时，U₂=2V，I₂=0.8A。

设电动机的电阻为R。电动机不转动时，根据欧姆定律当电动机不转动时，消耗的电能全部转化为内能，可视为纯电阻电路，由欧姆定律可求得电动机线圈电阻；当电动机转动时，消耗的电能一部分转化为电动机因发热所具有的内能，另外一部分转化为电动机转动所具有的机械能。典例精析分析解典例精析解

典例精析讨论由结果可以看出，电源输入电动机的电能大部分转化为机械能，只有少部分转化为电热损耗了。在实际应用中，应当尽量减少电热损耗。如果电风扇接通后由于某种原因被卡住，导致扇叶不转动，可能会发生什么现象？策略提炼在求解电功率问题时，一般需要先判断该电路是纯电阻电路还是非纯电阻电路，即电能除了转化为内能外，是否转化为机械能、化学能等其他形式的能。若是纯电阻电路，输入功率等于热功率，消耗的电能等于电热；若是非纯电阻电路，输入功率大于热功率，消耗的电能大于电热。迁移关于电动机做功，往往视为非纯电阻电路问题。

如图3-18所示，一台直流电动机所加电压为110V，通过的电流为5A。若该电动机在10s内把一个质量为50kg的物体匀速提高了9m，求电动机的电功率和电动机线圈的电阻。（不计摩擦，取重力加速度g=10m/s²)电流的热效应在生产生活中应用非常广泛。例如，电水壶、电饭锅、电暖器、电熨斗等（图3-19），都利用了电流的热效应，它们的电阻丝都由电阻率较大的材料制成。这是为什么？讲授新课三、身边的电热电阻焊（图3-20）就是在被焊接的金属接触面上通过电流，利用接触电阻产生的热量得到适合焊接的高温，对接触面进行焊接的.讲授新课电流的热效应也有不利的一面。例如，插头和插座之间、电线连接处如果接触不良，就会产生大电阻，容易发热，甚至迸出火花；发电机、电动机、变压器等电气设备的绕组都用铜导线绕制而成，电流通过绕组时发热，如果散热不好，就会烧坏绕组的绝缘层，酿

成事故；在输电线路中，电流产生的热降低了电能的传输效率，如果通过的电流过大，发热过多散不出去时，还可能烧坏电线的绝缘层，引起漏电、触电等事故。在制造家用电器时，都要考虑设备的散热问题。例如，电视机和计算机显示器的后盖有很多孔，计算机的中央处理器上要安装散热片及风扇等。讲授新课

小节练习2.在电阻两端加上稳定电压时，一段时间内通过该电阻的电荷量为0.3C，消耗的电能为0.9J。若在相同时间内通过该电阻的电荷量为0.6C，则在其两端需加的电压和消耗的电能分别是多大？3.功率为10W的发光二极管（LED灯）的亮度与功率为60W的白炽灯相当。根据国家节能战略，普通白炽灯应被逐步淘汰。假设每个家庭有三只60W的白炽灯，均用10W的LED灯替代，每天开灯时间为4h。请估算出全国一年节省的电能。小节练习4.某商场安装了一台倾角为30°的自动扶梯，该扶梯在电压为380V的电动机带动下以0.5m/s的恒定速率向斜上方移动，电动机的最大输出功率为4.9kW。不载人时测得电动机中的电流为5A，若载人时扶梯的移动速率与不载人时相同，忽略电动机内阻的热损耗，则不载人时扶梯运行的电功率是多大？若输送一个人的功率为120W，则这台自动扶梯可同时乘载多少人？小节练习5.一台小型电动机在3V电压下工作，匀速提升重力为4N的物体时，通过它的电流是0.2A，在30s内将该物体匀速提升3m。不计除电动机线圈发热之外的能量损失，求：

（1）电动机的输入功率；

（2）在提升重物的30s内电