高中物理选修3-1 焦耳定律

第29讲电功电功率焦耳定律考情剖析(注：①考纲要求及变化中Ⅰ代表了解和认识，Ⅱ代表理解和应用；②命题难度中的A 代表容易，B代表中等，C代表难)知识 整合知识网络焦耳定律电功公式：W ＝Uq ＝UIt电功率公式：P ＝IU电功和电热的关系纯电阻电路，W ＝Q 非纯电阻电路，W ＞Q公式：Q ＝I 2Rt 内容适用范围基础自测1．电功和电功率电流做功实质上是导体中的________对自由电荷的静电力做功．静电力做的功W ＝qU 其中q ＝It即： 电功率P ＝Wt＝UI2．焦耳定律焦耳定律是一个实验定律．它描述________遵守的规律．焦耳定律的内容： 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．公式： Q ＝I 2Rt 3．电功和电热对任何电路都有电功 W ＝UIt 对任何电路都有电热 Q ＝I 2Rt纯电阻电路，由欧姆定律U ＝IR 成立，显然有W ＝ Q ，即电功等于电热．从能量转化的角度讲，电流流过电阻时是将________转化为 ________能．非纯电阻电路，即电路中除含有电阻外还包含其他元件(如电解槽、电动机等)，由于__________________，所以W ≠Q .从能量转化的角度讲，电流流过非纯电阻电路时电流做的功除一部分转化电热外，其余部分转化为其他形式的能．如电动机在工作时消耗的电能除转化成热能外还有机械能，且W ＝Q ＋E 机．而电解槽工作时除转化为热能外，还有一部分转化为化学能，且有W ＝Q ＋E 化．所以在非纯电阻电路中W ＞Q .重点阐述重点知识概述一、电功公式：W ＝qU ＝UIt【说明】①电功W ＝UIt 适用于任何电路．②在纯电阻电路中，由于I ＝U R ，所以W ＝UIt ＝I 2Rt ＝U 2Rt .二、电功率公式：P ＝Wt＝UI .【说明】①电功率P ＝UI 适用于任何电路．②在纯电阻电路中，P ＝I 2R ＝U 2R.用电器的额定功率和实际功率①额定功率：用电器长期正常工作时的最大功率，也就是用电器加上额定电压(或通以额定电流)时消耗的电功率．②实际功率：用电器在实际工作时消耗的电功率．【说明】为了使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大． 三、焦耳定律(1)电流的热效应；电流通过导体(或用电器)时，做定向移动的自由电子要频繁地跟金属正离子碰撞．由于这种碰撞，电子在电场力的加速作用下获得的功能，不断传递给金属正离子，使金属正离子的热运动加剧，于是通电导体的内能增加，温度升高，即电能通过电流做功转化为内能，这就是电流的热效应．(2)焦耳定律；在一段电路中只有电阻元件，则电场力所做的功W 等于电流通过这段电路时发出的热量Q ，即Q ＝W ＝UIt .由欧姆定律U ＝IR ，热量Q 的表达式可写成Q ＝I 2Rt .这就是焦耳定律．难点释疑【典型例题】 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 ＝I 2Rt ＝U 2Rt 只适用于纯电阻的电路C ．在非纯电阻的电路中，UI ＞I 2R D ．焦耳热Q ＝I 2Rt 适用于任何电路 温馨提示解答此题要熟悉电功、电功率和焦耳定律公式的适用条件，然后选出正确选项． 记录空间【变式训练】 电阻R 和电动机M 串联接到电路中，如图所示，已知电阻R 跟电动机线圈的电阻值相等，电键接通后，电动机正常工作，设电阻R 和电动机M 两端的电压分别为U 1和U 2，经过时间t ，电流通过电阻R 做功为W 1，产生热量为Q 1，电流通过电动机做功为W 2，产生热量为Q 2，则有( )A ．U 1＜U 2，Q 1＝Q 2B ．U 1＝U 2，Q 1＝Q 2C ．W 1＝W 2，Q 1＞Q 2D ．W 1＜W 2，Q 1＜Q 2随堂 演练1．一根电阻丝，通过2 C 电荷量所消耗的电能是8 J ．若在相同的时间内通过4 C 的电荷量，该电阻丝上所加电压和消耗的电能分别是( )A ．4 V 16 JB ．8 V 16 JC ．4 V 32 JD ．8 V 32 J2．如图所示，在输入电压U 恒定的电路上，将用电器L 接在AB 两端时消耗的功率是9 W ，将它接在较远的CD 两端时消耗的功率是4 W ，则AC 、BD 两根输电线上消耗的功率为( )第2题图A ．1 WB ．2 WC ．5 WD ．13 W3．如图所示，在一幢居民楼里有各种不同的用电器，如电灯、电视机、洗衣机、微波炉、排油烟机等．停电时，用多用电表测得A 、B 间的电阻为R ；供电后，设各家用电器全都同时使用时，测得A 、B 间电压为U ，进线电流为I ；经过一段时间t ，从总电能表中测得这段时间内消耗的电能为W ，则下列表达式用来计算该幢楼居民用电的总功率，其中正确的是( )第3题图A ．P ＝I 2R B ．P ＝U 2RC ．P ＝IUD ．P ＝Wt4．一台电动机内阻为1 Ω，接到120 V 的电源上．当电动机工作时，电流为10 A ．问： (1)电动机输入功率是多少瓦？ (2)电动机发热功率是多少瓦？ (3)输出的机械功率是多少瓦？5．一台电风扇的额定功率是60 W ，内阻为2 Ω，当它接在220 V 的电压下正常运转，求：(1)电风扇正常运转时，通过它的电流多大？每秒钟有多少电能转化为机械能？(2)若接上电源后，电风扇因故不能转动，这时通过它的电流多大？电风扇实际消耗的电功率多大？此时可能会发生什么问题？6．如图所示，为电动机提升重物的装置，电动机线圈的电阻为r＝1 Ω，电动机两端电压为5 V，电路中的电流为1 A，物体A重20 N，不计摩擦力，求：第6题图(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少？(2)电动机输入功率和输出功率各是多少？(3)10 s内，可以把重物A匀速提升多高？(4)这台电动机的机械效率是多少？7．一般地说，用电器的工作电压并不等于额定电压，家庭里通常不备电压表，但可以借助电能表测出用电器的实际工作电压，现在电路中只接入一个电热水壶，壶的铭牌和电能表的铭牌分别如图甲和乙所示．测得电能表的转盘转过125转的时间为121秒，求此时加在电热水壶上的实际电压．第7题图第29讲 电功 电功率焦耳定律知识整合 基础自测1．电场 2.电流热效应 3.电能 内 I ≠UR重点阐述【典型例题】 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 ＝I 2Rt ＝U 2Rt 只适用于纯电阻的电路C ．在非纯电阻的电路中，UI ＞I 2RD ．焦耳热Q ＝I 2Rt 适用于任何电路【答案】 BCD 【解析】 本题考查的是电功、电功率和焦耳定律，关键是正确区分电功和电功率．电功率公式P ＝Wt ，功率越大，表示电流做功越快．对于一段电路，有P ＝IU ，I ＝P U ，焦耳热Q ＝⎝⎛⎭⎫P U 2Rt ，可见Q 与P 、U 、t 都有关．所以，P 越大，Q 不一定越大，A 错误．W ＝UIt 是电功的定义式，适用于任何电路，而I ＝UR 只适用于纯电阻的电路，B 正确．在不是纯电阻的电路中，电流所做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W ＞Q ，即UI ＞I 2R ，C 正确．Q ＝I 2Rt 是焦耳热的定义式，适用于任何电路中产生的焦耳热，D 正确．变式训练 A 【解析】 电动机是非纯电阻，其两端电压U 2＞IR ＝U 1，B 错；电流做的功W 1＝IU 1t ，W 2＝IU 2t ，因此W 1＜W 2，C 错；产生的热量由Q ＝I 2Rt 可判断Q 1＝Q 2，A 对，D 错．随堂演练1.D 【解析】 设电阻丝电阻为R ，开始所加电压U 1，则W 1＝q 1U 1即8＝2U 1，所以U 1＝4 V ．设后来所加电压为U 2，电功为W 2，则I 2＝q 2t ＝U 2R ，又I 1＝q 1t ＝U 1R 解得U 2＝q 2q 1U 1＝42×4 V ＝8 V ，W 2＝q 2U 2＝4×8 J ＝32 J ．D 正确． 2.B 【解析】 设用电器电阻为R ，接在AB 和CD 两端时的电压分别为U 和U′，则P ＝U 2R ＝9 W ，P′＝U′2R ＝4 W ，得U′＝23U.因此用电器接在CD 两端时，输电线上降落的电压U 线＝U －U′＝13U.则两根输电线的总电阻R 线＝12R.所以P 线＝U 2线R 线＝19U 212R ＝29·U 2R ＝29×9 W ＝2 W ．故选B.3.CD 【解析】 电路消耗的电功率的计算公式P ＝UI 、P ＝Wt是普遍适用的，而A 、B 两选项中公式只适用于纯电阻电路，而电视机、洗衣机、微波炉和排油烟机都不是纯电阻，所以选项A 、B 错误，正确选项为C 、D.4.(1)1 200 W (2)100 W (3)1 100 W【解析】 (1)电动机的输入功率P 电＝UI ＝120×10 W ＝1 200 W. (2)电动机的发热功率P 热＝I 2r ＝102×1 W ＝100 W.(3)输出的机械功率P 机＝P 电－P 热＝1 200 W －100 W ＝1 100 W. 5.(1)0.27 A 59.85 J (2)110 A 24 200 W 电风扇将被烧坏．【解析】 (1)电风扇正常运动，消耗的功率为额定功率P ＝UI ，所以I ＝P U ＝60220A ＝0.27 A ，由能量守恒定律得W ＝Q ＋E ，即Pt ＝I 2Rt ＋E ，所以E ＝Pt －I 2Rt ＝59.85 J.(2)电风扇不转动，相当于纯电阻，电欧姆定律得U ＝I′R ，所以I′＝U R ＝2202A ＝110 A ，实际消耗的电功率P′＝U 2R ＝22022W ＝24 200 W ．由于电风扇实际消耗的电功率远大于某额定功率，且电能全部转化为内能，电风扇将被烧坏．6.(1)1 W (2)5 W 4 W (3)2 m (4)80% 【解析】 (1)根据焦耳定律，热功率为P 热＝I 2r ＝12×1 W ＝1 W.(2)输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积P 入＝IU ＝1×5 W ＝5 W输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率P 出＝P 入－P 热＝5 W －1 W ＝4 W.(3)电动机输出的功用来提升重物转化为机械功能，在10 s 内，P 出t ＝mgh.解得h ＝P 出tmg ＝4×1020m ＝2 m. (4)机械效率η＝P 出P 入＝80%.7.200 V【解析】 设电热水壶的电阻为R 由图甲知R ＝P 2额U 2额＝22021 500Ω＝48415Ω由图乙知电能表转1转消耗的电能为： 3 600×1033 000J ＝1 200 J设电热水壶的实际电压为U则U 2R t ＝125×1 200 J ，解得U ＝200 V。

焦耳定律知识集结知识元焦耳定律知识讲解电功、电功率、效率1．电功的计算及单位（1）定义：电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I、通电时间t三者的乘积。

（2）公式：W=qU=UIt.（3）单位：在国际单位制中功的单位是焦耳，符号为J，常用的单位还有：千瓦时（KW·h），也称“度”，1KW·h=3.6×106J.2．电功计算公式所适用的电路（1）电功W=UIt适用于任何电路。

（2）在纯电阻电路中，由于，所以.3．电功率定义、公式及单位（1）定义：单位时间内电流所做的功，等于这段电路两端的电压U与通过这段导体的电流I的乘积。

（2）公式：.（3）单位是瓦特，符号为W（国际单位制），常用的还有千瓦（kW），1kW=1000W.4．电功率计算公式所适用的电路（1）电功率P=UI适用于任何电路。

（2）在纯电阻电路中，焦耳定律1．焦耳定律：（1）1841年，英国物理学家焦耳发现载流导体中产生的热量Q（称为焦耳热）与电流I 的平方、导体的电阻R、通电时间t成正比，这个规律叫焦耳定律。

Q=I2Rt.焦耳定律是一个实验定律。

它的适用范围很广，纯电阻电路、非纯电阻电路在计算电热时都用到它。

（2）热功率：单位时间内导体的发热功率叫做热功率．热功率等于通电导体中电流I的二次方与导体电阻R的乘积．.（3）电功率与热功率对纯电阻电路，电功率等于热功率即：UI=I2R.此时，可得U=IR,所以纯电阻电路也可以说是欧姆定律成立的电路对非纯电阻电路，电功率等于热功率与转化为除热能外其他形式的功率之和．即：UI>I2R.此时，可得U>IR,所以，对非纯电阻电路欧姆定律不成立.2．电热（1）电热：由于导体的电阻，使电流通过导体时消耗的电能中转化为内能的那一部分能量叫电热。

（2）内容：电流通过导体时产生的热量等于电流的平方、导体的电阻和通电时间的乘积。

（3）公式：Q=I2Rt.（4）适用对象凡是要计算电热，都应首选Q=I2Rt，可求任何电路中电流I通过电阻R时所产生的热量。

高二物理选修3-1焦耳定律知识点一、电功和电功率(一)导体中的自由电荷在电场力作用下定向移动，电场力所做的功称为电功。

适用于一切电路.包括纯电阻和非纯电阻电路。

1、纯电阻电路：只含有电阻的电路、如电炉、电烙铁等电热器件组成的电路，白炽灯及转子被卡住的电动机也是纯电阻器件。

2、非纯电阻电路：电路中含有电动机在转动或有电解槽在发生化学反应的电路。

在国际单位制中电功的单位是焦(J)，常用单位有千瓦时(kW·h)。

1kW·h=3.6×106J(二)电功率是描述电流做功快慢的物理量。

额定功率：是指用电器在额定电压下工作时消耗的功率，铭牌上所标称的功率。

实际功率：是指用电器在实际电压下工作时消耗的功率。

用电器只有在额定电压下工作实际功率才等于额定功率。

二、焦耳定律和热功率(一)焦耳定律：电流流过导体时，导体上产生的热量Q=I 2Rt此式也适用于任何电路，包括电动机等非纯电阻发热的计算.产生电热的过程，是电流做功，把电能转化为内能的过程。

(二)热功率：单位时间内导体的发热功率叫做热功率。

热功率等于通电导体中电流I 的二次方与导体电阻R 的乘积。

(三)电功率与热功率1、区别：电功率是指某段电路的全部电功率，或这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压和通过的电流强度的乘积。

热功率是指在这段电路上因发热而消耗的功率.决定于通过这段电路电流强度的平方和这段电路电阻的乘积。

2、联系：对纯电阻电路，电功率等于热功率;对非纯电阻电路，电功率等于热功率与转化为除热能外其他形式的功率之和。

(四)电功和电热的关系1、在纯电阻电路中，电流做功，电能完全转化为电路的内能.因而电功等于电热，有：2、在非纯电阻电路中，电流做功，电能除了一部分转化为内能外，还要转化为机械能、化学能等其他形式的能.因而电功大于电热，电功率大于电路的热功率。

.即有：W=UIt=E机、化+I2Rt或UI=I2R+P其他(P其他指除热功率之外的其他形式能的功率)高二物理选修3-1必考知识点电场力的功电场力做功的特点：电场力做功与重力做功一样，只与始末位置有关，与路径无关。