第十二章电能+能量守恒定律+知识点清单 高二上学期物理人教版(2019)必修第三册

新教材人教版高中物理
必修第三册
第十二章知识点清单目录
第12章电能能量守恒定律
第1节电路中的能量转化
第2节闭合电路的欧姆定律
第3节实验：电池电动势和内阻的测量
第4节能源与可持续发展
第12章电能能量守恒定律
第1节电路中的能量转化
一、电功和电功率
1. 电功
(1)定义：静电力移动电荷所做的功，简称电功。

(2)公式：
(3)单位：在国际单位制中，电功的单位是焦耳，符号为J。

常用的单位还有千瓦时，
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：
(3)单位：在国际单位制中，电功率的单位是瓦特，符号为W。

常用的单位还有千瓦(kW)，1 kW=1 000 W。

(4)意义：电功率表示电流做功的快慢。

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电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电
时间成正比。

(2)表达式：
2. 热功率
(1)定义：热功率指单位时间内电流通过导体产生的热量。

(2)表达式：P 热=I 2R 。

三、电路中的能量转化
1. 纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为电阻的内能。

此时电功等于电热，W=Q=UIt=I 2
Rt=U 2
R
t ，电功率等于热功率，P=P 热=UI=I 2
R=U 2
R。

2. 非纯电阻电路：含有电动机、电解槽等用电器的电路称为非纯电阻电路。

在非纯电阻电路中，电流做的功一部分转化为机械能或化学能，还有一小部分转化为内能。

此时电功大于电热，W=UIt=Q+E 其他>Q=I 2Rt ，电功率大于热功率，P=UI=P 热+P 其他>P 热=I 2R 。

四、纯电阻电路和非纯电阻电路的理解 纯电阻电路
非纯电阻电路
电路特点 电路中只有电阻元件，只能把电能转化为内能 除电阻外还包括能把电能转化为除内能外的其他形式能的用电器 是否遵循 欧姆定律
遵循欧姆定律I=U
R
不遵循欧姆定律U>IR 或I<U
R
能量转化 电流做功，电能全部转化为内能 电流做功，电能除转化为内能外，还要转化为其他形式的能 元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯等 电动机、电解槽等 电功 W=UIt=I 2
Rt=U 2
R
t
W=UIt 电热 Q=I 2
Rt=UIt=U 2
R
t
Q=I 2Rt 电功率 P=UI=I 2
R=U 2
R
P=UI 热功率 P 热=I 2
R=UI=U 2
R
P 热=I 2R
五、电动机的功率和效率 1. 电动机模型
如图，电动机由线圈电阻和其他元件组成。

电动机正常工作时，部分电压加在线圈电阻上，大部分电压加在其他元件上用来将电能转化为机械能，此时电路为非纯电阻电路；电动机通电但电动机不工作时，电压全部加在线圈电阻上，此时电路为纯电阻电路。

2. 电动机的功率和效率 输入功率 电动机消耗的电功率(总功率)，由电动机两端的电压和通过的电流决定，P 总=UI
发热功率 电动机线圈上有电阻，电流通过线圈时要发热，P 热=I 2r
输出功率 电动机做有用功的功率，P 出=Fv ，F 为电动机产生的牵引力，v 为使物体获得的速度大小 功率关系
P 总=P 出+P 热
电动机效率 η=P 出
P 总
×100%=P 出
P 入
×100%=
UI−I 2r UI
×100%
第2节闭合电路的欧姆定律
一、电源的电动势和内阻
1. 电动势
(1)定义：非静电力所做的功与所移动的电荷量之比。

(2)表达式：
(3)物理意义：反映电源把其他形式的能转化成电能的本领大小的物理量。

2. 内阻
电源内部也是由导体组成的，也有电阻，叫作电源的内阻，它是电源的另一重要参数。

二、闭合电路欧姆定律
1. 内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。

2. 公式
3. 常用的变形公式
(1)公式：E=U外+U内或U=E-Ir。

(2)适用范围：既适用于外电路为纯电阻电路也适用于非纯电阻电路。

三、路端电压U与电流I的关系
1. 关系式：U=E-Ir。

2. U-I图像如图所示。

(1)当电路断路即I=0时，图线与U轴交点的纵坐标为电源电动势。

(2)当外电路电压为U=0时，图线与I轴交点的横坐标为短路电流。

(3)图线的斜率的绝对值表示电源的内阻。

四、闭合电路的动态分析
1. 判定总电阻变化情况的规律
(1)当外电路的任何一个电阻增大(或减小)时，电路的总电阻一定增大(或减小)。

(2)若开关的通、断使串联的用电器增多，则电路的总电阻增大；若开关的通、断使并联的支路增多，则电路的总电阻减小。

(3)在如图所示分压电路中，滑动变阻器可视为由两段电阻构成，其中一段R并与用电器并联，另一段R串与并联部分串联。

电路中的总电阻与R串的变化趋势一致。

2. 电路动态分析的方法
(1)程序法：遵循“局部—整体—部分”的思路，按以下步骤分析：
(2)极限法：因滑动变阻器滑片滑动引起的电路变化问题，可将滑动变阻器的滑片分别滑至两个极端去讨论。

(3)串反并同法：“串反”是指某一电阻增大(或减小)时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小(或增大)；“并同”是指某一电阻增大(或减小)时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大(或减小)。

五、闭合电路的功率及效率问题 1. 闭合电路的功率和效率
电源总功率
任意电路：P 总=EI=P 出+P 内
纯电阻电路：P 总=I 2
(R+r)=
E 2
R+r
电源内部消耗的功率 P 内=I 2r=P 总-P 出
电源的输出功率
任意电路：P 出=UI=P 总-P 内
纯电阻电路：P 出=I 2
R=E 2R
(R+r)2
电源的效率
任意电路：η=
P 出P 总
×100%=U E
×100%
纯电阻电路：η=
R
R+r
×100%
2. 电源的输出功率与外电阻的关系 由P 出与外电阻R 的关系图像可知： (1)当R=r 时，电源的输出功率最大，为E 2
4r 。

(2)当R>r 时，随着R 的增大，输出功率越来越小。

(3)当R<r 时，随着R 的增大，输出功率越来越大。

(4)当P 出<P 出m 时，每个输出功率对应两个外电阻R 1和R 2，且R 1R 2=r 2。

六、含容电路问题 1. 电路的简化
不分析电容器的充、放电过程时，把电容器所在的支路视为断路，简化电路时可以去掉，求电荷量时再在相应位置补上。

2. 电路稳定时电容器的处理方法
电容器所在的支路中没有电流，同支路的电阻相当于导线，即电阻不分压，是等势体。

电容器两端的电压等于与之并联的支路两端的电压。

3. 电容器所带电荷量的变化
如果变化前后极板带电的电性相同，那么通过所连导线的电荷量等于初、末状态电容器所带电荷量之差；如果变化前后极板带电的电性相反，那么通过所连导线的电荷量等于初、末状态电容器所带电荷量之和。

第3节实验：电池电动势和内阻的测量
一、实验思路
1. 伏安法：根据闭合电路欧姆定律，电源电动势E、内阻r与路端电压U、电流I的关系可以写成E=U+Ir，测出U、I的两组数据，就可以列出两个关于E、r的方程，从中解出E和r。

电路如图所示。

2. 安阻法：根据闭合电路的欧姆定律，电源电动势E、内阻r与外电阻R、电流I的关系可以写成E=IR+Ir，测出I、R的两组数据，也可以得到关于E和r的两个方程，从中解出E和r。

电路如图所示。

3. 伏阻法：根据闭合电路的欧姆定律，电源电动势E、内阻r与外电阻R、路端电压U的关系可以写成E=U+U
r，测出U、R的两组数据，也可以得到关于E和r的两个方
R
程，从中解出E和r。

电路如图所示。

二、实验步骤(以伏安法为例)
1. 电流表用0~0. 6 A 量程，电压表用0~3 V 量程，按实验原理图连接好电路。

2. 把滑动变阻器的滑片移到最左端，使其接入电路的阻值最大。

3. 闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显的示数，记录一组数据(I 1、U 1)。

用同样的方法测量几组I 、U 值。

4. 断开开关，整理好器材。

三、数据分析(以伏安法为例)
1. 计算法：由E=U 1+I 1r ，E=U 2+I 2r 可解得E=I 1U 2−I 2U 1
I 1−I 2
，r=
U 2−U 1I 1−I 2。

可以利用U 、I 的值
多求几组E 、r 的值，算出它们的平均值。

2. 作图法
(1)本实验中，为了减小实验误差，一般用图像法处理实验数据，即根据多次测出的U 、I 值，作U-I 图像。

(2)将图线两端延长，纵轴截距点对应断路情况，这时的电压U 等于电源电动势E 。

(3)横轴截距点(路端电压U=0)对应短路情况，这时的电流I 等于短路电流E
r 。

(4)图线斜率的绝对值等于电源的内阻r ，即r=|ΔU ΔI
|=E
I 短
，如图所示。

四、伏安法测电动势和内阻中的误差分析 1. 系统误差
根据E=U+Ir 测E 、r ，要求U 是路端电压，I 是流过电源的总电流。

但由于电流表、电压表内阻的影响，存在系统误差。

(1)如图甲所示，电压表的读数是准确的，但由于电压表的分流作用，电流表的读数小于总电流I。

而且电压表的读数越大，分流越大；读数越小，分流越小。

如图乙所示，对实验作出的测量图线(实线)进行修正可得到虚线，对比实验图线和修正图线，易得E测<E真，r测<r真。

即用图甲所示的方式测电动势和内阻，测量值均小于真实值。

甲乙
(2)如果采用图丙的电路测量电动势和内阻，系统误差来源于电流表分压，且电流表读数越大，电流表分压越大，如图丁所示，对实验作出的测量图线(实线)进行修正，可得到虚线，对比实验图线和修正图线，可得E测=E真，r测=R A+r真>r真。

丙丁
2. 偶然误差
引起偶然误差的原因：
(1)电表读数视差或电表接线柱接触不良。

(2)每次读完电表示数没有立即断电，而是长时间闭合开关，甚至改变变阻器阻值的全过程中始终通电，造成电池电动势E减小，内阻r增大。

(3)用图像法求E和r时作图不准确。

五、安阻法和伏阻法测电源电动势和内阻
方法
安阻法
伏阻法
实验电路
数据 处理
计算法
E=I 1(R 1+r) E=I 2(R 2+r)
E=I 1I 2(R 1−R 2)I 2−I 1
r=
I 1R 1−I 2R 2
I 2−I 1
E=U 1+U
1R 1r E=U 2+U 2R 2
r
E=U 1U 2(R 1−R 2)
U 2R 1−U 1R 2
r=
R 1R 2(U 1−U 2)U 2R 1−U 1R 2
图像法
1I =1E
R+1E
r R=E·1I
-r
1
U =r E ·1
R +1
E
第4节能源与可持续发展
一、能量转移或转化的方向性
1. 能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

2. 能量转移或转化的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行，因此能量的转化过程有些是可以自然发生的，有些则不能。

3. 能量的耗散：例如，电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。

这种现象叫作能量的耗散。

能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。

4. 能源危机的含义：能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。

二、能源的分类与应用
1. 能源的分类
(1)煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源。

这类能源又叫作化石能源。

化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源叫作不可再生能源。

(2)水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能。

这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。

2. 能源的应用：太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电等。

三、能源与社会发展
1. 人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。

2. 环境污染：温室效应、形成酸雨、产生光化学烟雾等。

3. 可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。

一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明。

四、闭合电路的功率和效率问题
1. 闭合电路中功率的三种最值问题
(1)定值电阻的功率：P定=I2R
R为定值电阻，P定只与电流有关，
当R外最大时，I最小，P定最小；
当R外最小时，I最大，P定最大。

(2)电源的输出功率
R外与r越接近，电源的输出功率越大，当R外=r时，电源的输出功率最大。

(3)变化电阻的功率
利用等效思想，把除变化电阻之外的其他的定值电阻等效成电源的内阻r'，则变化电阻的功率即为等效以后的电源的输出功率，即当R变=r'时，P变有最大值。

如图所示，R1为定值电阻，R2为电阻箱，E为电源的电动势，r为电源的内阻。

①当R2最小时，定值电阻R1的功率最大，电源内阻的功率最大；
②当R1+R2=r时，电源的输出功率最大；
③当R2=R1+r时，变化电阻R2的功率最大。

上面的结论都是在电源的内电阻r不变且外电路为纯电阻电路的情况下适用。

2. 解决最大功率问题的三点注意
(1)在电源的内电阻r 不变时，电源的输出功率(即外电阻消耗的功率)随外电阻的变化不是单调的，存在极值。

如图所示，当外电阻等于内电阻时，输出功率达到最大值。

(2)如果一个电路的外电阻固定不变，当电源的内电阻r 发生变化时，电源的输出功率随内电阻r 的变化是单调的，P 出=I 2
R=
E 2R
(R+r)2
，内电阻r 减小，输出功率增大，当内电
阻最小时，输出功率最大。

(此情况当内电阻等于外电阻时，内电阻消耗的功率最大) (3)电源输出功率最大时，电源的效率不是最大，只有50%。

3. 图像问题中的功率 (1)电源的U-I 图像
坐标U 、I 的乘积表示电源的输出功率。

(2)电阻的U-I 图像
坐标U 、I 的乘积表示电阻消耗的功率。

(3)两图线在同一坐标系中的交点表示电阻的工作点，即将电阻接在该电源上时，电阻中的电流和两端的电压，此交点横、纵坐标的乘积表示了电源的输出功率和电阻消耗的功率。