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第21课时　电能　电功率　焦耳定律的应用
【本课时知识结构】
过 基 础
1．电源与用电器：电源是提供________，将其他形式的能转化为电能的装置；用电器是消耗电能，将______能转化为其他形式的能的装置。
电能
知识点　 　电能　电功(用符号W表示)
电
2．电能
(1)电能的单位
①国际单位：__________。
②常用单位：_______________，俗称“度”。
单位换算：1 kW·h＝_________W×_________s＝__________J。
(2)电能的计量
①供电单位通过__________来计量每家消耗的电能。
②一段时间内的用电量：这段时间起始和结束时两次电能表的示数之______。
焦耳(J)
千瓦时(kW·h)
1 000
3 600
3.6×106
电能表
差
3．电功
(1)定义：电能转化为其他形式的能的过程是电流________的过程，有多少电能发生了转化就说电流做了__________，即电功是多少。
(2)计算公式：
做功
多少功
1．电功率：电功与完成这些电功所用的时间之______，表示电流做功的________。
2．计算公式：
比
知识点　 　电功率
单位换算：1 kW＝______W；1 W＝______mW。
快慢
103
103
3．推导公式
UI
(3)由U＝IR、P＝UI得，P＝_______(适用于纯电阻电路)。
I2R
1．额定电压和额定功率
(1)额定电压U额：用电器____________时的电压。
(2)额定功率P额：用电器在____________下工作时的电功率。
2．实际电压和实际功率
(1)实际电压U实：用电器____________时的电压。
(2)实际功率P实：用电器在____________下工作时的电功率。
正常工作
知识点　 　额定电压　额定功率
额定电压
实际工作
实际电压
3．实际功率和额定功率的关系
U实＜U额 P实______P额 用电器不能正常工作
U实＝U额 P实______P额 用电器正常工作
U实＞U额 P实______P额 用电器容易损坏
＜
＝
＞
注意　一个用电器只有一个额定电压和一个额定功率，并且是确定的，与实际电压无关。用电器的实际功率是不确定的，随着它两端电压的改变而改变。
1．电流的热效应：电流通过导体时______能转化成______能，这种现象叫作电流的热效应。
2．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量跟________________成正比，跟导体的________成正比，跟____________成正比。
电
知识点　 　焦耳定律
内
电流的二次方
电阻
通电时间
(2)计算公式：
1．实验原理：如图1所示，透明容器中密封着空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气的体积变化。实验中通过观察U形管液面的__________来比较电流产生热量的多少，这种研究方法叫________法。
高度差
知识点　 　探究焦耳定律
图1
转换
2．探究电流通过导体产生的热量跟电阻的关系。控制________、通电时间相同，改变________的大小，如图2所示。
图2
结论：当导体中的电流一定时，电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成______比。
电流
电阻
正
3．探究电流通过导体产生的热量跟电流的关系。控制________、通电时间相同，改变________的大小，如图3所示。
电阻
电流
图3
结论：当导体的电阻一定时，电流通过导体产生的热量跟_______ _________成正比。
电流
的二次方
过 易 错
易错点　 　电能表读数错误
120
60
电能表示数的单位是kW·h，读数时注意电能表示数的最后一位是小数。
易错点　 　不能正确区分电能和电功率
例2　研究发现，额定功率为3 W的LED灯、额定功率为8 W的节能灯和额定功率为25 W的白炽灯在正常发光时的亮度相当。下列说法正确的是 (　　)
A．三盏灯的额定功率相同
B．LED灯比节能灯和白炽灯消耗的电能都少
C．LED灯中的电流比节能灯和白炽灯中的电流做功都快
D．LED灯将电能转化为光能的效率比节能灯高
D
电功是电流做功的多少，电流做了多少功，就有多少电能转化成其他形式的能；电功率表示电流做功的快慢。
易错点　 　对“电池的容量”理解不透彻
例3　某摄像机的锂电池输出电压为12 V，容量为“2 A·h”(“2 A·h”的含义是该电池若以2 A 的电流放电，可放电1 h)，该锂电池充满电后，能释放的最大电能为____________J。
8.64×104
蓄电池容量的单位是安时(A·h)，它是供电电流(A)和供电时间(h)的乘积。电池储存的电能等于供电电压、供电电流和供电时间三者的乘积，即W＝UIt，公式中各物理量均用国际单位(V、A、s)。
易错点　 　不理解灯泡亮度只与其实际功率有关
例4　甲、乙两个灯泡分别标有“6 V　3 W”“6 V　5 W”字样，两灯泡的钨丝长度相同，则钨丝较粗的是______灯泡；若将它们并联在6 V的电源上，较亮的是______灯泡；若将它们串联在6 V的电源上，较亮的是______灯泡。(均选填“甲”或“乙”)
乙
乙
甲
1．灯泡的亮度只与它的实际功率有关，实际功率越大，灯泡越亮，反之则越暗。灯泡的额定功率是不变的。
3．根据P＝I2R可知，两灯泡串联时，电阻越大的灯泡，实际功率越大，亮度越亮。
易错点　 　利用焦耳定律求热量
例5　如图4，已知电阻R跟电动机M线圈的电阻相等。开关闭合后，电动机正常工作，经过时间t，电流通过电阻R做的功为W1，产生的热量为Q1，电流通过电动机M做的功为W2，产生的热量为Q2，则有 (　　)
A．W1＜W2，Q1＝Q2
B．W1＝W2，Q1＝Q2
C．W1＝W2，Q1＞Q2
D．W1＜W2，Q1＜Q2
A
图4
在计算电热时：
2．在非纯电阻电路中，电能只有一部分转化为内能，此时Q＜W，计算电功只能用W＝Pt＝UIt，计算电热只能用Q＝I2Rt。
易错点　 　分不清多挡位电路的挡位高低
例6　(2024广州)某电热敷腰带如图5甲所示，有高温、中温和低温三个挡位。图乙是内部简化电路图，R1、R2、R3为加热电阻，其中R1、R2的阻值均为1 100 Ω；通过旋转开关可以实现挡位切换。把电热敷腰带接入220 V的家庭电路中。
图5
(1)旋转开关转至_______(选填“ab”“bc”“cd”或“de”)时，电热敷腰带处于高温挡，理由是____________________________________
________________________________________________________。
(2)电热敷腰带在高温挡工作时的总电流为0.25 A，求通电10 min消耗的电能。
de
(3)旋转开关转至bc时，电热敷腰带的功率为22 W，求电路中的电流。
(4)旋转开关转至cd时，求电热敷腰带的功率。
此时电路中的总电阻最小，根据P＝UI
解：(2)通电10 min消耗的电能
W＝UIt＝220 V×0.25 A×10×60 s＝3.3×104 J
(3)旋转开关转至bc时，电路中的电流
(4)旋转开关转至cd时，R1被短路，只有R2接入电路，电热敷腰带的功率
多挡位电路中，电阻最小时是高挡，电阻最大时是低挡，电阻介于最小电阻和最大电阻之间时是中挡。
过 考 点
考点　 　电能　电功
1．图6甲、乙分别是小明家5月初和6月初电能表的示数，下列说法正确的是
(　　)
D
图6
A．电能表是测量电流做功快慢的仪表
B．小明家5月用电12 428 kW·h
C．电能表在5月消耗的电能是200 kW·h
D．若每度电的电费是0.5元，则小明家5月应缴纳电费100元
2．如图7所示的电路中，电源电压恒定，R2＝10 Ω，开关S、S1都闭合时，电流表的示数为0.4 A；开关S闭合、S1断开时，电流表示数变为0.3 A。电源电压为_____V，电阻R1为______Ω。当开关S、S1都闭合时，通电1 min，该电路消耗的电能是______J。
3
图7
30
72
考点　 　电功率
3．(2025越秀区二模)将灯泡L1和L2接入电路，闭合开关S，测得的电流如图8所示，下列说法正确的是 (　　)
A．灯泡L1两端的电压比灯泡L2的大
B．电流I1做功比电流I2快
C．灯泡L1的实际功率比灯泡L2的小
D．灯泡L1发光时的电阻比灯泡L2的大
B
图8
4．有两个电路元件A和B，通过元件的电流与其两端电压的关系如图9甲所示，把它们串联接在电压为4.5 V的电源上，如图乙所示，闭合开关S后，A、B两元件的电功率之比为 (　　)
A．4∶5　
B．1∶1
C．2∶1　
D．5∶8
A
图9
5．水中溶氧量是水产养殖的一项关键指标。小红利用溶解氧传感器设计了自动充氧装置，其监测电路如图10所示，电源电压保持不变。溶解氧传感器的阻值随水中溶氧量的降低而减小。闭合开关，当水中溶氧量降低时 (　　)
A．电流表的示数变小　
B．电压表的示数变大
C．电路的总功率变小　
D．滑动变阻器的电功率变大
D
图10
6．(2025育才教育集团模拟)右表是某品牌电热水壶的铭牌，根据铭牌给出的信息，下列说法正确的是 (　　)
C
××牌电热水壶
型号 DSP－19B
额定电压 220 V
额定功率 880 W
频率 50 Hz
热水壶容量 1.0 L
A．该电热水壶只能在220 V的电压下工作
B．该电热水壶正常工作时的电流为0.25 A
C．该电热水壶正常工作时的电阻为55 Ω
D．该电热水壶正常工作30 min消耗的电能为0.88 kW·h
7．(2025铁一中学二模)如图11甲所示的电路，已知灯泡L的铭牌为“2.5 V　0.3 A”，其I－U图像如图乙所示，滑动变阻器的最大电阻为20 Ω。
(1)闭合开关后，将滑动变阻器的滑片移到阻值最大处时，电压表的示数为3 V。求：
①电源电压；
②此状态下灯泡L工作10 s消耗的电能。
(2)移动滑动变阻器的滑片使灯泡L正常发光，此时电压表的示数为0.8 V，求此时整个电路的总功率。
图11
由题图乙可知，此时灯泡L两端的电压UL＝0.5 V
电源电压U＝UR＋UL＝3 V＋0.5 V＝3.5 V
②此状态下灯泡L工作10 s消耗的电能W＝ULIt＝0.5 V×0.15 A×10 s＝0.75 J
(2)灯泡L正常发光时，两端的电压U额＝2.5 V
电路中的电流I′＝I额＝0.3 A
电源电压U′＝U额＋UR′＝2.5 V＋0.8 V＝3.3 V
此时整个电路的总功率P＝U′I′＝3.3 V×0.3 A＝0.99 W
考点　 　焦耳定律
8．如图12所示，甲、乙、丙、丁四个相同容器里装有质量和初温相同的水，水中有同种材料绕成的导电线圈，其电阻R1＝R3，R2＝R4＝2R1。若同时通电，经过一段时间后这四个容器中的水温从高到低的顺序是(假设电阻产生的热量全部被水吸收) (　　)
A．甲、乙、丙、丁　
B．丁、丙、乙、甲
C．丙、丁、乙、甲　
D．甲、乙、丁、丙
图12
C
9．如图13所示的实验，实验前已调好器材，实验过程中通过电阻R1、R2的电流________(选填“相等”或“不相等”)；观察U形管内液面的高度差可知，电阻为______ (选填“R1”或“R2”)的电阻丝产生的热量较多；要使液面高度差变化得更快，可将滑动变阻器的滑片P向_____(选填“左”或“右”)移动。
相等
图13
R2
右
10．图14所示为导线的两种接法，连接段电阻较大的是______，在相同电路中，更容易出现故障的是______(前两空均选填“甲”或“乙”)；若乙中连接段导线的电阻为2.5×10－4 Ω，电路电流为0.2 A，则1 min内此连接段产生的热量为__________J。
甲
图14
甲
6×10－4
考点　 　多挡位电路的计算
11．(2025花都区一模)如图15甲所示的空气炸锅能快捷烹制食物，图乙是该空气炸锅加热部分的简化电路，该空气炸锅有低温、中温和高温三个挡位。下列说法正确的是 　 　 (　　)
A．只闭合开关S1，该空气炸锅处于高温挡
B．只闭合开关S2，该空气炸锅处于低温挡
C．只闭合开关S3，该空气炸锅处于高温挡
D．同时闭合开关S1和S3，该空气炸锅处于低温挡
B
图15
12．(2025增城区一模)某款电热锅的简化工作电路图如图16，加热电阻R2＜R1。电热锅的部分参数如下表所示。把电热锅接入220 V的家庭电路中。
(1)调节开关S可使电热锅处于“关”“加热”“保温”三种工作状态，当开关S与触点_____(选填“1”“2”或“3”)接触时，电热锅处于保温状态，理由是______________________
__________________________________________________________________。
2
图16
额定电压 220 V
保温功率 88 W
加热功率 550 W
此时电路中的电阻较大，
电阻越大，电功率越小
(2)将电热锅调至加热状态，求：
①电路中的电流；
②通电1 min电路消耗的电能。
(3)求加热电阻R2。
图16
额定电压 220 V
保温功率 88 W
加热功率 550 W
13．艾灸疗法是中医学的重要组成部分。图17甲是一款额定电压为220 V的艾灸坐垫，有高温和低温两个挡位。图乙为该坐垫的简化电路原理图，发热电阻丝的电阻R2为1 650 Ω，高温挡的功率为88 W。已知艾灸坐垫自动工作一次的时间为30 min，先在高温挡工作10 min，之后跳到低温挡，继续工作20 min后断电。求：
(1)发热电阻丝的电阻R1；
(2)艾灸坐垫低温挡时通过电阻为R1的
发热电阻丝的电流；
(3)艾灸坐垫自动工作一次消耗的电能。
图17
(3)艾灸坐垫高温挡工作10 min 消耗的电能W1＝P1t1＝88 W×10×
60 s＝5.28×104 J
低温挡工作20 min消耗的电能W2＝UIt2＝220 V×0.1 A×20×60 s＝2.64×104 J
艾灸坐垫自动工作一次消耗的电能W＝W1＋W2＝5.28×104 J＋2.64×104 J＝7.92×104 J
跨学科实践
14．为家庭节约用电提建议。
【项目提出】你的家中有没有浪费电的现象？请你了解家中用电情况并提出安全用电、节约用电的建议。
【项目分析】
(1)调查家中的用电情况。
(2)了解用电器的耗电情况。
(3)提出节约用电的建议。
(4)评估采纳节电建议后的效果。
【项目实施】
(1)用电设备及使用时长调查
为全面了解家中用电情况，小明对家中主要用电设备进行了为期一个月的跟踪调查，记录各设备的相关数据及耗电情况如下表所示。
用电设备 功率/W 每日平均使用时长/h 每日耗电量/(kW·h) 每月耗电量/(kW·h)
冰箱 150 24 3.6 108
空调(卧室) 1200 8(夏季) 9.6 288(夏季)
空调(客厅) 1500 6(夏季) 9 270(夏季)
电视机 200 4 0.8 24
洗衣机 500 1 0.5 15
电饭煲 800 1.5 1.2 36
照明灯具(总) 100 5 0.5 15
电脑 300 5 1.5 45
(2)用电情况分析
从表中数据可以看出，家庭用电消耗主要集中在以下几个方面：
①空调：在夏季，空调耗电量占家庭总耗电量的比例最大。卧室空调和客厅空调每月总耗电量达______kW·h，是家庭用电的“大户”。
②冰箱：冰箱需24 h运行，每月耗电量达108 kW·h，占家庭总耗电量的________%(结果保留3位有效数字)，也是家庭用电中不可忽视的一部分。
③其他用电器：电视机、洗衣机、电饭煲、照明灯具和电脑等用电器每月的总耗电量为_______kW·h，虽然单个用电器的耗电量相对较少，但总耗电量却不可忽视。
558
13.5
135
(3)提出节电建议
①将空调温度设定在26 ℃左右，定期清洁空调滤网，合理利用空调的节能模式。
②尽量减少冰箱门的开启次数和开启时间；定期除霜；合理摆放冰箱内食物，留出适当的空间，保证冰箱内冷空气流通，提高制冷效率。
③看完电视后及时关闭电源，避免让其长时间处于待机状态；尽量将衣物集中洗涤，提高洗衣机的使用效率，减少洗涤次数；照明灯具更换为LED节能灯具，养成人走灯灭的好习惯；长时间不使用电脑时，将电脑关机，避免待机耗电。
(4)评估节电建议的效果
①卧室空调每月耗电量从288 kW·h降至216 kW·h，减少了72 kW·h；客厅空调每月耗电量从270 kW·h降至202.5 kW·h，减少了67.5 kW·h。两台空调每月共节约电量_________kW·h，节电效果显著。
②冰箱每月耗电量从108 kW·h降至95 kW·h，减少了______ kW·h，节电效果良好。
③电视机的待机功率为10 W，一天待机20 h，若看完电视及时关闭电源，每月(30天)可节省_____kW·h的电量。
139.5
13
6
④随手关灯：根据公式W＝Pt可知，这样可以节约用电的理由是________________。
⑤尽量使用节能灯：根据公式W＝Pt可知，这样可以节约用电的理由是______________________。家中照明灯具都改用LED节能灯后，总功率为20 W，按平均每天工作5 h计算，每月(30天)可节约用电______ kW·h。
减小通电时间
减小用电器的电功率
12
【展示交流】
家庭节电建议：
(1)减少用电器待机耗电。
(2)采用LED节能灯具照明，提高照明效率，降低耗电量。
(3)充分利用自然光，在自然光线充足的情况下，不开启或减少开启照明灯具的数量。
(4)养成人走灯灭的习惯；在使用频率较低的区域安装感应灯。
(5)合理使用其他用电器。
(6)加强节电管理和意识培养。
参考答案
过基础
知识点1　1．电能　电
2．(1)①焦耳(J)　②千瓦时(kW·h)　1 000　3 600　3.6×106
(2)①电能表　②差
3．(1)做功　多少功
知识点2　1．比　快慢　2．103　103
知识点3　1．(1)正常工作　(2)额定电压
2．(1)实际工作　(2)实际电压
3．＜　＝　＞
知识点4　1．电　内
2．(1)电流的二次方　电阻　通电时间
知识点5　1．高度差　转换　2．电流　电阻　正
3．电阻　电流　电流的二次方
过易错
例1　120　60
例2　D
例3　8.64×104
例4　乙　乙　甲
例5　A
(2)通电10 min消耗的电能
W＝UIt＝220 V×0.25 A×10×60 s＝3.3×104 J
过考点
1．D　2．3　30　72　3．B　4．A　5．D　6．C
由题图乙可知，此时灯泡L两端的电压UL＝0.5 V
电源电压U＝UR＋UL＝3 V＋0.5 V＝3.5 V
②此状态下灯泡L工作10 s消耗的电能
W＝ULIt＝0.5 V×0.15 A×10 s＝0.75 J
(2)灯泡L正常发光时，两端的电压U额＝2.5 V
电路中的电流I′＝I额＝0.3 A
电源电压U′＝U额＋UR′＝2.5 V＋0.8 V＝3.3 V
此时整个电路的总功率
P＝U′I′＝3.3 V×0.3 A＝0.99 W
8．C　9．相等　R2　右　10．甲　甲　6×10－4　11．B
②通电1 min电路消耗的电能W＝P加热t＝550 W×1×60 s＝3.3×104 J
(3)艾灸坐垫高温挡工作10 min 消耗的电能
W1＝P1t1＝88 W×10×60 s＝5.28×104 J
低温挡工作20 min消耗的电能
W2＝UIt2＝220 V×0.1 A×20×60 s＝2.64×104 J
艾灸坐垫自动工作一次消耗的电能
W＝W1＋W2＝5.28×104 J＋2.64×104 J＝7.92×104 J
跨学科实践
14．【项目实施】
(2)①558　②13.5　③135
(4)①139.5　②13　③6　④减小通电时间
⑤减小用电器的电功率　12

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