電功和電熱+高二上學(xué)期物理魯科版（2019）必修第三冊(cè)

第3節(jié)電功與電熱情境導(dǎo)入在生產(chǎn)生活中，電燈把電能轉(zhuǎn)化為光能，給我們帶來光明；

電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，使電風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，使電力機(jī)車飛馳；電熱器（圖3-14）把電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，在寒冷的冬天送來溫暖......人類生活與電能密切相關(guān)。那么，如何理解電流做功？電能如何轉(zhuǎn)化為其他形式的能？本節(jié)將學(xué)習(xí)電功、電功率和電能轉(zhuǎn)化為電熱的規(guī)律——焦耳定律.我們先通過一個(gè)有趣的小實(shí)驗(yàn)看看電能是如何轉(zhuǎn)化為其他形式的能的。講授新課一、電功和電功率把一根大頭針插在一小塊硬紙片上，用膠水把硬紙片貼在功率不太大的白熾燈泡上，使大頭

針的針尖朝上；然后用三張紙條做一個(gè)小風(fēng)車，

把風(fēng)車放在針尖上（圖3-15）。打開臺(tái)燈，觀察有什么現(xiàn)象發(fā)生。做此實(shí)驗(yàn)時(shí)，時(shí)間不要太長(zhǎng)，要注意用電安全，避免被燈泡燙傷或被大頭針扎傷等。迷你實(shí)驗(yàn)室燈泡上的小風(fēng)車我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，小風(fēng)車轉(zhuǎn)了起來，這是因?yàn)殡娔苻D(zhuǎn)化為燈泡的內(nèi)能、光能，部分內(nèi)能通過空氣又轉(zhuǎn)化為小風(fēng)車的動(dòng)能。電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程就是電流做功的過程，消耗了多少電能，電流就做了多少功。在導(dǎo)體兩端加上電壓，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，導(dǎo)體中的自由電荷在電場(chǎng)力的作用下就會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，在這個(gè)過程中，電場(chǎng)力就對(duì)電荷做了功，這就是我們常說的電功（electricwork）。講授新課如果電路兩端的電壓為U，在時(shí)間t內(nèi)通過電路任一橫截面的電荷量為q，則電功的大?。ɑ蛳牡碾娔埽￤=qU。因?yàn)閝=It，所以講授新課上式表明，電流在一段電路上所做的功W

等于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I

和通電時(shí)間

t三者的乘積。在國(guó)際單位制中，電功的單位是焦耳，符號(hào)為J。

講授新課電流做功（或消耗電能）的快慢用電功率P

表示。電流做的功與所用時(shí)間之比稱為電功率（electricpower），用公式表示為在國(guó)際單位制中，電功率的單位是瓦特，簡(jiǎn)稱瓦，符號(hào)為W。

1W=1J/s=1V·A在電氣設(shè)備或家用電器的銘牌（圖3-16）和使用說明書上，一般都標(biāo)有額定電壓和額定功率。在生產(chǎn)生活中，有時(shí)用電器的工作電壓不等于其額定電壓，這種情況下用電器的實(shí)際功率也不等于其額定功率。講授新課電流通過電氣設(shè)備時(shí)，導(dǎo)體一般都會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這就是電流的熱效應(yīng)。電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生熱量的多少與哪些因素有關(guān)呢？

英國(guó)物理學(xué)家焦耳（J.Joule，1818—1889）用實(shí)驗(yàn)研究了電流的熱效應(yīng)后，得出如下規(guī)律：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。這就是焦耳定律（Joulelaw），用公式表示為講授新課二、焦耳定律在國(guó)際單位制中，熱量的單位是焦耳，符號(hào)為J。

從微觀角度看，當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)的電子在電場(chǎng)力作用下做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與金屬離子不斷碰撞，在碰撞過程中把一部分動(dòng)能傳遞給離子，使離子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。電流越大、電阻越大，碰撞就越頻繁、劇烈，導(dǎo)體發(fā)熱就越多。講授新課

講授新課焦耳（圖3-17），英國(guó)物理學(xué)家。18世紀(jì)，人們對(duì)熱的本質(zhì)的研究走上了一條彎路，一直沒有辦法解決熱和功的關(guān)系問題，是焦耳為這一問題的最終解決指明了道路。

1840年，焦耳通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流的二次方之積成正比。四年之后，俄國(guó)物理學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)一步驗(yàn)證了該結(jié)論的正確性。因此，該結(jié)論也稱為焦耳—楞次定律.科學(xué)書屋焦耳

1843年，焦耳又設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一個(gè)小線圈繞在鐵芯上，當(dāng)鐵芯磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，小線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，用電流計(jì)測(cè)量線圈電流，把線圈放在裝水的容器中，測(cè)量水溫以計(jì)算熱量。這個(gè)電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高只是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的結(jié)果，整個(gè)過程不存在“熱質(zhì)”的轉(zhuǎn)移。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全否定了“熱質(zhì)說”。

后人為了紀(jì)念焦耳，把功和能的單位命名為焦耳。

科學(xué)書屋某玩具的直流電動(dòng)機(jī)線圈的電阻一定，在線圈兩端加上0.3V的電壓時(shí)，電流為0.3A，此時(shí)因電壓過低，電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。若在線圈兩端施加2V的電壓，電流為0.8A，此時(shí)電動(dòng)機(jī)正常工作。當(dāng)正常工作時(shí)，該電動(dòng)機(jī)的輸入電功率是多少？電動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械功率是多少？典例精析已知電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，U?=0.3V，I?=0.3A。當(dāng)

電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，U?=2V，I?=0.8A。

設(shè)電動(dòng)機(jī)的電阻為R。電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)歐姆定律當(dāng)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，可視為純電阻電路，由歐姆定律可求得電動(dòng)機(jī)線圈電阻；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，消耗的電能一部分轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)因發(fā)熱所具有的內(nèi)能，另外一部分轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所具有的機(jī)械能。典例精析分析解典例精析解

典例精析討論由結(jié)果可以看出，電源輸入電動(dòng)機(jī)的電能大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只有少部分轉(zhuǎn)化為電熱損耗了。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)盡量減少電熱損耗。如果電風(fēng)扇接通后由于某種原因被卡住，導(dǎo)致扇葉不轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？策略提煉在求解電功率問題時(shí)，一般需要先判斷該電路是純電阻電路還是非純電阻電路，即電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，是否轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等其他形式的能。若是純電阻電路，輸入功率等于熱功率，消耗的電能等于電熱；若是非純電阻電路，輸入功率大于熱功率，消耗的電能大于電熱。遷移關(guān)于電動(dòng)機(jī)做功，往往視為非純電阻電路問題。

如圖3-18所示，一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)所加電壓為110V，通過的電流為5A。若該電動(dòng)機(jī)在10s內(nèi)把一個(gè)質(zhì)量為50kg的物體勻速提高了9m，求電動(dòng)機(jī)的電功率和電動(dòng)機(jī)線圈的電阻。（不計(jì)摩擦，取重力加速度g=10m/s2)電流的熱效應(yīng)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛。例如，電水壺、電飯鍋、電暖器、電熨斗等（圖3-19），都利用了電流的熱效應(yīng)，它們的電阻絲都由電阻率較大的材料制成。這是為什么？講授新課三、身邊的電熱電阻焊（圖3-20）就是在被焊接的金屬接觸面上通過電流，利用接觸電阻產(chǎn)生的熱量得到適合焊接的高溫，對(duì)接觸面進(jìn)行焊接的.講授新課電流的熱效應(yīng)也有不利的一面。例如，插頭和插座之間、電線連接處如果接觸不良，就會(huì)產(chǎn)生大電阻，容易發(fā)熱，甚至迸出火花；發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備的繞組都用銅導(dǎo)線繞制而成，電流通過繞組時(shí)發(fā)熱，如果散熱不好，就會(huì)燒壞繞組的絕緣層，釀

成事故；在輸電線路中，電流產(chǎn)生的熱降低了電能的傳輸效率，如果通過的電流過大，發(fā)熱過多散不出去時(shí)，還可能燒壞電線的絕緣層，引起漏電、觸電等事故。在制造家用電器時(shí)，都要考慮設(shè)備的散熱問題。例如，電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器的后蓋有很多孔，計(jì)算機(jī)的中央處理器上要安裝散熱片及風(fēng)扇等。講授新課

小節(jié)練習(xí)2.在電阻兩端加上穩(wěn)定電壓時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)通過該電阻的電荷量為0.3C，消耗的電能為0.9J。若在相同時(shí)間內(nèi)通過該電阻的電荷量為0.6C，則在其兩端需加的電壓和消耗的電能分別是多大？3.功率為10W的發(fā)光二極管（LED燈）的亮度與功率為60W的白熾燈相當(dāng)。根據(jù)國(guó)家節(jié)能戰(zhàn)略，普通白熾燈應(yīng)被逐步淘汰。假設(shè)每個(gè)家庭有三只60W的白熾燈，均用10W的LED燈替代，每天開燈時(shí)間為4h。請(qǐng)估算出全國(guó)一年節(jié)省的電能。小節(jié)練習(xí)4.某商場(chǎng)安裝了一臺(tái)傾角為30°的自動(dòng)扶梯，該扶梯在電壓為380V的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下以0.5m/s的恒定速率向斜上方移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率為4.9kW。不載人時(shí)測(cè)得電動(dòng)機(jī)中的電流為5A，若載人時(shí)扶梯的移動(dòng)速率與不載人時(shí)相同，忽略電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻的熱損耗，則不載人時(shí)扶梯運(yùn)行的電功率是多大？若輸送一個(gè)人的功率為120W，則這臺(tái)自動(dòng)扶梯可同時(shí)乘載多少人？小節(jié)練習(xí)5.一臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)在3V電壓下工作，勻速提升重力為4N的物體時(shí)，通過它的電流是0.2A，在30s內(nèi)將該物體勻速提升3m。不計(jì)除電動(dòng)機(jī)線圈發(fā)熱之外的能量損失，求：

（1）電動(dòng)機(jī)的輸入功率；

（2）在提升重物的30s內(nèi)電