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第12章　电能　能量守恒定律
第1节　电路中的能量转化
　　现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、电热水壶、电动机等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？电流做功过程是什么力在做功呢？
导入
　　电热水壶通电时，电能转化为内能；电动机通电时，电能转化为机械能和内能；蓄电池充电时，电能转化为化学能的同时也会使电池生热。电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的。初中所学过的电功公式W=UIt是通过实验得到的，现在我们能否结合电场的知识完成W=UIt的推导呢？
环节一：电功和电功率
　　如图所示，一段电路两端的电压为U，电路中的电流为I，求时间t内电流在这段电路中所做的功W。
环节一：电功和电功率
　　模型Ⅰ：经过时间t，电路中各个横截面所通过的总电荷量q相等，如图所示。
　　从效果上看，整段电路各处的自由电荷没有变化，只是在这段时间内将电荷q由电路的一端移动到另一端。则静电力所做的功W=Uq=UIt 。
环节一：电功和电功率
　　模型Ⅱ：如图所示，经过时间t，电路中各个横截面所通过的总电荷量q相等。
　　经过时间t，电荷从左向右定向移动通过很小一段电路，设该段电路两端的电势差为U1，则静电力所做的功为W1=qU1。
环节一：电功和电功率
　　通电时，电路中的自由电荷同时开始定向移动，整段电路可以分割成很多段“很小一段电路”，各小段电路两端的电压分别为U1、U2、U3……则有U=U1+U2+U3……各小段电路中静电力所做的功分别为W1、W2、W3……则有W=W1+W2+W3……
　　由以上分析可知，电流在这段电路中所做的功W=UIt。
环节一：电功和电功率
　　电功率的定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率。
　　这里应用的是比值定义法。
　　公式：P===UI。
环节一：电功和电功率
　　 1840年，焦耳发表了名为
《论伏打电产生的热》的论文，
详细描述了其实验过程。焦耳用
多种金属导线进行实验，产生的
热量通过水温的上升来计算。通
过实验，他发现了热量和导线中
电流、电阻以及通电时间之间的
关系。
环节二：焦耳定律
　　如图所示的电热水器中电流做的功与产生的热量之间的关系是怎样的？
　　电热水器可看成纯电阻电路，电流通过
电热水器中的电热元件做功时，电能全部转
化为导体的内能。电流在这段电路中做的功
W等于这段电路产生的热量Q。
环节二：焦耳定律
　　总结：
　　(1)表达式的推导过程：在纯电阻电路中，Q=W=UIt，由欧姆定律U=IR，可得Q=I2Rt。
　　(2)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。
　　说明：在推导焦耳定律时，电功全部转化为电热，即W=Q；但在实际电路中，电能不一定全部转化为电热。若只求电热时，例如，要计算电流通过某一电路时放出热量的多少，都可以使用焦耳定律。
环节二：焦耳定律
　　【演示实验1】给如图所示的电动机的内部线圈通电，使其正常工作。电流通过电动机时电能转化为什么能？
　　电能转化为机械能和线圈的内能。
环节三：电路中的能量转化
　　【演示实验2】
　　(1)按如图所示的电路连接实物，调
节电源电压为U。
　　(2)闭合开关，使小灯泡和小电动机
工作，记录电表的示数。
　　(3)将小电动机的轴按住，使小电动
机不转动，观察小灯泡的发光情况，并记录电表的示数。
环节三：电路中的能量转化
　　(1)实验步骤(2)(3)中，电路中的电能转化为什么能？
　　实验步骤(2)中能量的转化关系：E电源=Q电阻箱+Q灯+E机械能+
Q电动机。
　　实验步骤(3)中能量的转化关系：E电源=Q电阻箱+Q灯+Q电动机。
环节三：电路中的能量转化
　　(2)根据实验数据，计算实验步骤(2)中的下列物理量：
　　①电路的总功率P总是多少？
　　设实验步骤(2)中电压表的示数为UV1，电流表的示数为IA1，电阻箱的示数为R；实验步骤(3)中电压表的示数为UV2，电流表的示数为IA2。则有：
　　电路的总功率P总=UIA1。
环节三：电路中的能量转化
　　(2)根据实验数据，计算实验步骤(2)中的下列物理量：
　　②能否测出电动机的输入功率P输入？
　　设实验步骤(2)中电压表的示数为UV1，电流表的示数为IA1，电阻箱的示数为R；实验步骤(3)中电压表的示数为UV2，电流表的示数为IA2。则有：
　　电动机的输入功率P输入=UV1IA1。
环节三：电路中的能量转化
　　(2)根据实验数据，计算实验步骤(2)中的下列物理量：
　　③能否测出电动机线圈的电阻R线圈？
　　设实验步骤(2)中电压表的示数为UV1，电流表的示数为IA1，电阻箱的示数为R；实验步骤(3)中电压表的示数为UV2，电流表的示数为IA2。则有：
　　电动机线圈的电阻R线圈=。
环节三：电路中的能量转化
　　(2)根据实验数据，计算实验步骤(2)中的下列物理量：
　　④怎样确定电动机输出的机械功率P机？
　　设实验步骤(2)中电压表的示数为UV1，电流表的示数为IA1，电阻箱的示数为R；实验步骤(3)中电压表的示数为UV2，电流表的示数为IA2。则有：
　　电动机输出的机械功率P机=UV1IA1-IA12R线圈=UV1IA1-IA12。
环节三：电路中的能量转化
　　(2)根据实验数据，计算实验步骤(2)中的下列物理量：
　　⑤灯泡的电功率P灯是多少？
　　设实验步骤(2)中电压表的示数为UV1，电流表的示数为IA1，电阻箱的示数为R；实验步骤(3)中电压表的示数为UV2，电流表的示数为IA2。则有：
　　方案1：P灯=UIA1-UV1IA1-IA12R。
　　方案2：R灯=，P灯=IA12R灯=UIA1-UV1IA1-IA12R。
环节三：电路中的能量转化
　　用手机充电器给手机充电的过程中，都发生了哪些能量转化？
　　电能转化为化学能和内能。
环节三：电路中的能量转化
课堂练习
A
　　2.一台电风扇，内阻为20 Ω，接上220 V 的电压后，消耗功率为88 W。
　　(1)电风扇正常工作时，通过电动机的电流是多少？
　　I== A=0.4 A。
环节三：电路中的能量转化
　　2.一台电风扇，内阻为20 Ω，接上220 V 的电压后，消耗功率为88 W。
　　(2)电风扇正常工作时电能转化为机械能的功率是多少？转化为内能的功率是多少？电动机的效率是多少？
　　P机=P-I2R=88 W-0.42×20 W=84.8 W，
　　P内=I2R=0.42×20 W=3.2 W，
　　η=×100%=×100%=96.4%。
环节三：电路中的能量转化
　　2.一台电风扇，内阻为20 Ω，接上220 V 的电压后，消耗功率为88 W。
　　(3)如果接上电源后，电风扇的风叶被卡住而不能转动，这时通过电动机的电流以及电动机消耗的电功率和发热功率是多少？
　　I卡== A=11 A，
　　P电动机=P热=I卡2R=112×20 W=2 420 W。
环节三：电路中的能量转化
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