電功和電熱+高二上學期物理魯科版（2019）必修第三冊

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

電動機把電能轉變?yōu)閯幽?，使電風扇旋轉，使電力機車飛馳；電熱器（圖3-14）把電能轉變?yōu)閮饶?，在寒冷的冬天送來溫?.....人類生活與電能密切相關。那么，如何理解電流做功？電能如何轉化為其他形式的能？本節(jié)將學習電功、電功率和電能轉化為電熱的規(guī)律——焦耳定律.我們先通過一個有趣的小實驗看看電能是如何轉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小風車，

把風車放在針尖上（圖3-15）。打開臺燈，觀察有什么現象發(fā)生。做此實驗時，時間不要太長，要注意用電安全，避免被燈泡燙傷或被大頭針扎傷等。迷你實驗室燈泡上的小風車我們會發(fā)現，小風車轉了起來，這是因為電能轉化為燈泡的內能、光能，部分內能通過空氣又轉化為小風車的動能。電能轉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。在導體兩端加上電壓，導體中就會產生電場，導體中的自由電荷在電場力的作用下就會發(fā)生定向移動，在這個過程中，電場力就對電荷做了功，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，在時間t內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。因為q=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

和通電時間

t三者的乘積。在國際單位制中，電功的單位是焦耳，符號為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間之比稱為電功率（electricpower），用公式表示為在國際單位制中，電功率的單位是瓦特，簡稱瓦，符號為W。

1W=1J/s=1V·A在電氣設備或家用電器的銘牌（圖3-16）和使用說明書上，一般都標有額定電壓和額定功率。在生產生活中，有時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際功率也不等于其額定功率。講授新課電流通過電氣設備時，導體一般都會產生一定的熱量，這就是電流的熱效應。電流通過導體時產生熱量的多少與哪些因素有關呢？

英國物理學家焦耳（J.Joule，1818—1889）用實驗研究了電流的熱效應后，得出如下規(guī)律：電流通過導體產生的熱量與電流的二次方成正比，與導體的電阻及通電時間成正比。這就是焦耳定律（Joulelaw），用公式表示為講授新課二、焦耳定律在國際單位制中，熱量的單位是焦耳，符號為J。

從微觀角度看，當導體內的電子在電場力作用下做定向運動時，會與金屬離子不斷碰撞，在碰撞過程中把一部分動能傳遞給離子，使離子的熱運動加劇，導致導體發(fā)熱。電流越大、電阻越大，碰撞就越頻繁、劇烈，導體發(fā)熱就越多。講授新課

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

1840年，焦耳通過實驗發(fā)現，導體在一定時間內產生的熱量與導體的電阻及電流的二次方之積成正比。四年之后，俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果，并進一步驗證了該結論的正確性。因此，該結論也稱為焦耳—楞次定律.科學書屋焦耳

1843年，焦耳又設計了一個實驗：將一個小線圈繞在鐵芯上，當鐵芯磁場發(fā)生變化時，小線圈產生感應電流，用電流計測量線圈電流，把線圈放在裝水的容器中，測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的，沒有外界電源供電，水溫的升高只是電能轉化為內能的結果，整個過程不存在“熱質”的轉移。這一實驗結果完全否定了“熱質說”。

后人為了紀念焦耳，把功和能的單位命名為焦耳。

科學書屋某玩具的直流電動機線圈的電阻一定，在線圈兩端加上0.3V的電壓時，電流為0.3A，此時因電壓過低，電動機不能轉動。若在線圈兩端施加2V的電壓，電流為0.8A，此時電動機正常工作。當正常工作時，該電動機的輸入電功率是多少？電動機的輸出機械功率是多少？典例精析已知電動機不能轉動時，U?=0.3V，I?=0.3A。當

電動機正常工作時，U?=2V，I?=0.8A。

設電動機的電阻為R。電動機不轉動時，根據歐姆定律當電動機不轉動時，消耗的電能全部轉化為內能，可視為純電阻電路，由歐姆定律可求得電動機線圈電阻；當電動機轉動時，消耗的電能一部分轉化為電動機因發(fā)熱所具有的內能，另外一部分轉化為電動機轉動所具有的機械能。典例精析分析解典例精析解

典例精析討論由結果可以看出，電源輸入電動機的電能大部分轉化為機械能，只有少部分轉化為電熱損耗了。在實際應用中，應當盡量減少電熱損耗。如果電風扇接通后由于某種原因被卡住，導致扇葉不轉動，可能會發(fā)生什么現象？策略提煉在求解電功率問題時，一般需要先判斷該電路是純電阻電路還是非純電阻電路，即電能除了轉化為內能外，是否轉化為機械能、化學能等其他形式的能。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。遷移關于電動機做功，往往視為非純電阻電路問題。

如圖3-18所示，一臺直流電動機所加電壓為110V，通過的電流為5A。若該電動機在10s內把一個質量為50kg的物體勻速提高了9m，求電動機的電功率和電動機線圈的電阻。（不計摩擦，取重力加速度g=10m/s2)電流的熱效應在生產生活中應用非常廣泛。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，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，利用接觸電阻產生的熱量得到適合焊接的高溫，對接觸面進行焊接的.講授新課電流的熱效應也有不利的一面。例如，插頭和插座之間、電線連接處如果接觸不良，就會產生大電阻，容易發(fā)熱，甚至迸出火花；發(fā)電機、電動機、變壓器等電氣設備的繞組都用銅導線繞制而成，電流通過繞組時發(fā)熱，如果散熱不好，就會燒壞繞組的絕緣層，釀

成事故；在輸電線路中，電流產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，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，都要考慮設備的散熱問題。例如，電視機和計算機顯示器的后蓋有很多孔，計算機的中央處理器上要安裝散熱片及風扇等。講授新課

小節(jié)練習2.在電阻兩端加上穩(wěn)定電壓時，一段時間內通過該電阻的電荷量為0.3C，消耗的電能為0.9J。若在相同時間內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。根據國家節(jié)能戰(zhàn)略，普通白熾燈應被逐步淘汰。假設每個家庭有三只60W的白熾燈，均用10W的LED燈替代，每天開燈時間為4h。請估算出全國一年節(jié)省的電能。小節(jié)練習4.某商場安裝了一臺傾角為30°的自動扶梯，該扶梯在電壓為380V的電動機帶動下以0.5m/s的恒定速率向斜上方移動，電動機的最大輸出功率為4.9kW。不載人時測得電動機中的電流為5A，若載人時扶梯的移動速率與不載人時相同，忽略電動機內阻的熱損耗，則不載人時扶梯運行的電功率是多大？若輸送一個人的功率為120W，則這臺自動扶梯可同時乘載多少人？小節(jié)練習5.一臺小型電動機在3V電壓下工作，勻速提升重力為4N的物體時，通過它的電流是0.2A，在30s內將該物體勻速提升3m。不計除電動機線圈發(fā)熱之外的能量損失，求：

（1）電動機的輸入功率；

（2）在提升重物的30s內電