高中物理选修3-1电功和电热、焦耳定律、导体的电阻

电功和电热、焦耳定律、电阻定律

【学习目标】

1．理解电功、电功率以及焦耳热的计算公式，能够熟练地运用其进行计算；明确不同的电路中能的转化情况，能够区分电功和焦耳热的不同、电功率和热功率的不同。

2．在非纯电阻电路中能的转化，电功和电热的区别以及一些功率的意义（如电源的总功率，发热功率，额定功率，实际功率等）。

3．明确导体电阻的决定因素，能够从实验和理论的两个方面理解电阻定律，能够熟练地运用电阻定律进行计算。

【要点梳理】 要点一、 电功

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”，6

1kW h 3.610J ⋅=⨯.

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U I R

=，所以22

U W UIt I Rt t R ===. 3．电功实质及意义

如图一段电路两端的电压为U ，通过的电流为I ，在时间t 内通过这段电路任一横截面的电荷量

q It =，则电场力做功W qU =即：W UIt =．

（1）实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功。

（2）意义：电流做功的过程是电能转化为其它形式的能的过程，电流做了多少功，表明就有多少电能转化为其它形式的能，即电功是电能转化为其它形式的能的量度。

要点二、 电功率

1．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：W

P UI t

=

=. （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 .

2．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，2

2

U P I R R

==.

3．电功率的意义

（1）意义：电功率表示电流做功的快慢。 （2）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：用电器的实际工作时消耗的电功率。

要点进阶：为了使用电器不被烧毁，要求实际功率不能大于其额定功率。

要点三、 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。 2

Q I Rt =.

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． 2

Q P I R t

=

=. (3)电功率与热功率

对纯电阻电路，电功率等于热功率 即：

2UI I R =.

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：

2UI I R >.

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：2

Q I Rt =. （4）适用对象

凡是要计算电热，都应首选2

Q I Rt =，可求任何电路中电流I 通过电阻R 时所产生的热量。 3．热功率的意义及计算

（1）热功率：单位时间内发热的功率叫作热功率。热功率即电能转化为内能的功率， 即2

Q P I R t

=

=. （2）热功率计算

当电路不是纯电阻电路时，电功用W UIt =来计算，电热Q 只能用2

Q I Rt =进行计算，电功率用

P UI =计算，热功率只能用2P I R =热计算。

要点四、 电动机工作过程的能量转化

1．电流做功的过程，是电能转化为其他形式能量的过程．

电动机把电能转化为机械能；电解槽把电能转化为化学能；电热器把电能转化为热能．

在真空中，电场力对电荷做正功时，减少的电势能转化为电荷的动能；在金属导体中，在电场力作用下做加速运动的自由电子频繁地与离子碰撞，把定向移动的动能传给离子，使离子热运动加剧，将电能完全转化为内能．

2.电动机的

总功率（输入功率）：总=P UI 总. 3. 电动机的热功率 2

P I r

=热. 4. 电动机的输出功率（机械功率）：2

=P UI I r -出.

5. 电动机的效率：2100%=100%(1)100%P UI I r Ir P UI U η-=⨯⨯=-⨯出

总

.

要点进阶：注意区分电动机的几种功率，从能量守恒角度去分析和考虑电动机问题。

要点五、电路中热功率的计算及注意事项 1．注意区别“负载”与电阻

“负载”或“负荷”是对用电器功率特征的一种习惯称谓，通常说“负载”或“负荷”大，是指用电器的功率大，并不是用电器的“电阻大”，一般情况下，“负载”大的用电器电阻反而小，如“220V60W ”与“220V100W ”的两个灯泡，后者的功率大但电阻较小。 2.注意区别纯电阻电路与一般电路

○1电路消耗的电能全部转化为电热（内能）的电路称为纯电阻电路，对纯电阻电路有：

22

U P P UI I R R

====电热. ○2电路消耗的电能并不完全转化为内能，还有一部分转化为其它形式的能（如机械能、化学能等），

这种电路叫非纯电阻电路，如电动机、电解槽的电路等。对非纯电阻的电路有：2

P UI I R =＞电

，此时U

I R

＜

或U IR ＞，决不能乱套用公式。 要点进阶：对非纯电阻电路计算电功率只能用P UI =电，计算热功率只能用2

P I R

=热.

要点六、 电阻定义及意义

1．导体电阻的定义及单位

导体对电流的阻碍作用叫做导体的电阻，导体的电阻与导体本身性质有关，与电压、电流均无关。 （1）定义：导体两端的电压与通过导体的电流大小之比叫导体的电阻。

（2）公式：U R I

=

. （3）单位：欧姆（Ω），常用单位还有千欧（k Ω）、兆欧（M Ω）．

3

6

1M Ω=10k Ω=10Ω． 2．物理意义

反映导体对电流阻碍作用的大小。 要点进阶：

○1导体对电流的阻碍作用，是由于自由电荷在导体中做定向运动时，跟导体中的金属正离子或原子相碰撞发生的。