资源简介

2.3 电路中的电能
九上 · 第2章 能的转化与能量守恒
01 情境导入·学习目标
情境导入　电视机点亮、电暖器发热、电动汽车飞驰、工厂电炉炼钢——电能在生活和生产中无处不在。电流通过用电器，电能转化成了光、声、机械、内能等不同形式的能。本节学习电功与电能的计量、电功率与额定值、伏安法测功率，以及电流的热效应与焦耳定律。
目标导航
方法指导
· 理解电功的概念，知道电功的单位，列举决定电功大小的因素；知道用电器消耗的电能用电功来度量。
· 用"能量转化"视角理解电功：电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程。
· 了解电能表上各参数的含义，会根据电能表做简单的计算。
· 控制变量法贯穿实验：探究电功率与电压/电流、探究电热与电阻/电流/时间的关系。
· 理解电功率的概念，掌握电功率和电功的基本计算；能区分额定电压与实际电压、额定功率与实际功率。
· 伏安法测功率：P=UI，滑动变阻器改变小灯泡两端电压，实现多次测量。
· 会使用电流表和电压表测定小灯泡的电功率。
· 熟悉常用电热器，知道电流通过导体产生的热量跟哪些因素有关；理解焦耳定律，能进行简单计算。
【预习导航】教材 P64—P77。预习重点：①电能与电功；②电器的电功率；③额定功率；④电功率和电功的计算公式；⑤常用电热器。
02 教材精研·内容全解
一、电能与电能的利用
电能：电能是能的一种形式，各类用电器的工作过程，实质上都是把电能转化为其他形式能的过程。电能的利用（教材第64页读图）：不同的用电器把电能转化为不同形式的能——·电视机：电能 → 光能、声能；·抽油烟机：电能 → 机械能（风扇转动）；·充电设备（充电头灯等）：电能 → 化学能（储存在电池中）；·电暖器（电热油汀）：电能 → 内能（电流的热效应）；·工业应用：电炉炼钢（电能 → 内能）、电动汽车（电能 → 机械能）、滚筒洗衣机（电能 → 机械能 + 内能）等。结论：电能可以方便地进行传输和转化，是现代生产、生活最重要的能源之一。
图1 电视机：电能转化为光能和声能
图2 电暖器：电能转化为内能
二、电功
电功的概念：电流通过各种导体时，都要做功。电流做功的过程，实质上就是电能转化为其他形式能的过程。电功的单位：国际单位制单位是焦耳（J）；日常生活中常用千瓦时（kW·h，即"度"）作单位。1 度 = 1 kW·h = 3.6×10? J。决定电功大小的因素：电流做功的多少与导体两端的电压、通过导体的电流以及通电时间都有关。电压越高、电流越大、通电时间越长，电流做的功越多。电功的公式：W = UIt（U 电压、I 电流、t 时间）。电流做功的多少可以用电功来量度，即用电器的电能消耗等于电流所做的功。
三、电能的计量工具——电能表（电度表）
电能表的作用：测量电路在一段时间内消耗电能多少的仪表。电能表上所标参数的物理意义（以常见转盘式为例）：·"220 V"——电能表的额定电压为 220 V，应接在 220 V 的家庭电路上；·"10(20) A"——标定电流为 10 A，短时间内允许通过的最大电流为 20 A；·"50 Hz"——适用于频率为 50 Hz 的交流电路；·"1600 r/(kW·h)"——每消耗 1 kW·h（1 度）的电能，电能表上的转盘转动 1600 转。读数方法：电能表计数器上前后两次读数之差，就是这段时间内消耗的电能；最后一位数字（通常为红色框）是小数位。例如示数 751.8 表示已用电 751.8 度。其他电能表：·IC 卡电能表：先买电后使用（先购电再插入 IC 卡），不需要人工抄表；·电子式电能表：用电子电路计量，带有脉冲指示灯，可实现远程抄表；其参数如"1600 imp/kW·h"表示每消耗 1 kW·h 电能脉冲灯闪烁 1600 次。1 度电的作用（节约用电意义）：1 度电虽少，却能做不少事——可驱动电力机车、炼钢、使电动汽车行驶一段距离、让洗衣机工作一次、供教室照明若干小时等，因此要随手关灯、节约用电。
图3 电能表表盘及参数（220 V、10(20) A、50 Hz、1600 r/(kW·h)）
图4 IC 卡电能表（先买后用）与电子式电能表（可远程抄表）
图5 1 度电能驱动煤矿机械生产
图6 1 度电能让电动汽车行驶一段距离
四、典例1（电能表的读数、参数与计算）
题目：小明同学观察到自己家的电能表的表盘如图所示，并得到了下列结论，你认为正确的是（ ）。A．电能表是测量电功率大小的仪表B．电能表所在电路允许通过的最大电流是 10 AC．电能表上"1600 r/(kW·h)"表示每消耗 1 kW·h 电能，转盘转 1600 转D．当前电能表的示数单位应为"瓦特"正确选项为 C。解析：电能表测消耗电能（非电功率），A 错；"10(20) A"中 10 A 是标定电流、20 A 才是最大允许电流，B 错；示数单位是 kW·h（度），D 错；"1600 r/(kW·h)"正是每消耗 1 度电转盘转 1600 转，C 正确。
图7 典例1 所用家用电能表表盘
五、电功率
电功率的概念：电流在单位时间内所做的功，叫作电功率。电功率是表示电流做功快慢的物理量。定义式：P = W / t（电功率等于电功与做功所用时间的比值）。电功率的单位：国际单位制单位是瓦特（W）；常用单位还有千瓦（kW）。1 kW = 1000 W。常用单位组合：·国际单位制：功率 P 用 W、时间 t 用 s、电功 W 用 J；·常用单位：功率 P 用 kW、时间 t 用 h、电功 W 用 kW·h（度）。常见电器设备的功率：不同用电器功率差别很大，如小灯泡几瓦、电视机约一百多瓦、空调上千瓦等；功率越大的用电器在相同时间内消耗的电能越多。
图8 电功/电功率的单位组合：W·s·J 与 kW·h·kW·h（度）
六、额定电压、额定功率与实际功率
额定电压：用电器正常工作时的电压。额定功率：用电器在额定电压下工作时的电功率。实际电压：用电器实际工作时的电压（可能不等于额定电压）。实际功率：用电器在实际电压下工作时的电功率。区别与联系：·额定功率是用电器固有的、唯一的，不随实际电压改变而改变；实际功率不是唯一的，不同实际电压对应不同实际功率。·用电器的亮度由实际功率决定：实际功率越大，用电器越亮（或工作越"猛"）。无论额定值如何，只要实际功率相等，发光亮度就相同。·应尽量保证用电器两端电压等于或接近其额定电压，才能更好地发挥作用并延长使用寿命。铭牌标注：凡是用电器铭牌或说明书上标注的电压、电流、电功率等值，都是额定值。例如灯泡"PZ 220 V 40 W"表示额定电压 220 V、额定功率 40 W；电视机铭牌"220 V 140 W"表示额定电压 220 V、额定功率 140 W。
图9 灯泡铭牌：PZ 220 V 40 W（额定值）
图10 电视机铭牌：220 V 140 W（额定功率）
七、探究实践：小灯泡的电功率跟哪些因素有关
提出问题：小灯泡的电功率跟哪些因素有关？建立假设：①小灯泡的电功率跟电压有关，电压越高，电功率越大；②小灯泡的电功率跟电流有关，电流越大，电功率越大。实验方法：控制变量法——·探究电功率与电流的关系：将两只不同的小灯泡并联，控制它们两端电压相同，比较通过两灯的电流大小和亮度（亮度反映实际功率大小）。·探究电功率与电压的关系：将两只不同的小灯泡串联，控制通过它们的电流相同，比较两灯两端电压和亮度（亮度反映实际功率大小）。实验现象记录（控制变量）：·并联时（电压相同）：电流大的灯泡更亮，说明电压相等时电流越大、电功率越大；·串联时（电流相同）：电压高的灯泡更亮，说明电流相等时电压越高、电功率越大。分析与论证（结论）：小灯泡的电功率大小跟它两端的电压和通过的电流都有关。在电压相等时，电流越大电功率越大；在电流相等时，电压越高电功率越大。
图11 并联电路：控制电压相同，比较电流与亮度
图12 串联电路：控制电流相同，比较电压与亮度
图13 并联实验记录表（亮度/电流）
图14 串联实验记录表（亮度/电压）
八、电功率和电功的计算公式
电功率计算式：实验表明，用电器的电功率等于它两端电压与通过它的电流的乘积，即 P = UI。·U：电压，单位伏特（V）；I：电流，单位安培（A）；P：电功率，单位瓦特（W）。·1 W = 1 V·A，该式适用于所有电路（包括非纯电阻电路）。电功计算式：由 P = W/t 与 P = UI 可得 W = Pt = UIt。·W：电功，单位焦耳（J）；U：电压（V）；I：电流（A）；t：时间（s）。·1 J = 1 V·A·s；在纯电阻电路中还可导出 W = I?Rt = U?t/R。公式中各符号的意义及单位：P—W（瓦）、U—V（伏）、I—A（安）、W—J（焦）、t—s（秒）；常用 kW、kW·h（度）配套使用。
图15 电功率 P = UI 及单位关系
图16 电功 W = UIt 及单位关系（1 J = 1 V·A·s）
九、电路中电功关系的推论
1. 串、并联电路电功的特点：无论在串联还是并联电路中，总电功都等于各用电器电功之和，即 W总 = W? + W? + …。2. 串、并联电路电功的分配关系（仅适用于纯电阻电路）：·串联电路：电流相等、通电时间相等，电功与电阻成正比，W?:W? = R?:R? = U?:U?；·并联电路：电压相等、通电时间相等，电功与电阻成反比，W?:W? = R?:R? = I?:I?。说明：上述分配关系利用了纯电阻电路中 U=IR、W=UIt=I?Rt，不适用于电动机等非纯电阻用电器。
图17 串联电路电压按电阻分配（U=U?+U?）
图18 并联电路电流按电阻反比分配（I=I?+I?）
十、电功和电功率的区别与联系
区别——定义：电功是电流通过导体或用电器所做的功；电功率是电功与时间的比值（单位时间内电流做的功）。区别——物理意义：电功表示电流做功多少的物理量；电功率表示电流做功快慢的物理量。区别——单位：电功单位焦耳（J）或千瓦时（kW·h）；电功率单位瓦特（W）或千瓦（kW）。联系：P = W/t，即电功率等于电功与时间的比值；已知电功和通电时间可求电功率，已知电功率和通电时间可求电功（W = Pt）。
十一、伏安法测量小灯泡的电功率
实验原理：P = UI。用电压表测小灯泡两端电压，用电流表测通过小灯泡的电流，相乘得到电功率。实验电路：电源、开关、滑动变阻器、小灯泡、电流表（串联）、电压表（并联在小灯泡两端）组成；滑动变阻器采用"一上一下"接法，用于改变小灯泡两端电压。实验过程（教材第71页探究实践）：·断开开关连接电路，滑动变阻器滑片置于最大阻值处；·闭合开关，调节滑动变阻器，使小灯泡两端电压约为额定电压的五分之四，记录电压、电流和发光情况；·继续调节，使电压等于额定电压（正常发光），记录数据；·再调节，使电压约为额定电压的 1.2 倍（不可超过 1.2 倍，以防烧坏灯泡；通电时间不能太长），记录数据；·断开开关，整理器材；分别计算三种情况下的实际功率（多次测量是为了测不同电压下的实际功率，不是为求平均值）。实验数据示例：电压 2.0 V、电流 0.25 A → P=0.5 W（较暗）；2.5 V、0.30 A → P=0.75 W（正常发光，即额定功率）；3.0 V、0.34 A → P=1.02 W（较亮）。实验注意事项：·连接时开关断开，防止短路损坏元件；·滑动变阻器"一上一下"且滑片置最大阻值处，防电流过大；·电流表、电压表正负接线柱接法正确；·高于额定电压时要缓慢移动滑片，实际电压不超 1.2 倍、通电时间不能太长，防烧坏灯泡；·实验完毕先断开开关再拆电路；·不能把三次电功率求平均值（它们是不同电压下的实际功率，求平均无意义）。
图19 伏安法测小灯泡电功率的电路图与实物图
图20 测量数据表（U、I、P 与亮度）
十二、伏安法测小灯泡电功率与测电阻的异同
相同点：·都采用"伏安法"，电路图基本相同（电源、开关、滑动变阻器、电流表串联、电压表并联在被测元件两端）；·都需使用电流表、电压表、滑动变阻器，都进行多次测量；·都通过调节滑动变阻器改变被测元件两端电压。不同点：·实验目的：测功率是求 P=UI；测电阻是求 R=U/I。·被测对象：测功率用小灯泡；测电阻用定值电阻。·数据处理：测功率不求平均值（各次为不同电压下的实际功率）；测电阻求平均值以减小误差。·滑动变阻器作用侧重：测功率用于改变电压测不同实际功率；测电阻用于多次测量取平均。
图21 伏安法测小灯泡电功率电路
图22 伏安法测定值电阻电路（将灯泡换为定值电阻）
十三、伏安法测功率实验中的常见故障判断
（1）断路类：灯不亮、电流表无示数（电路不通，存在断路）。·电压表无示数 → 与电压表并联以外的元件断路；·电压表有示数且接近电源电压 → 与电压表并联的元件断路。（2）短路类：电流表有示数、电压表无示数（电路通，存在短路）。·与电压表并联的元件短路。（3）滑动变阻器类：·调节滑片电表示数或灯亮度不变 → 滑动变阻器接法错误（如接成两上或两下）；·电压表示数总小于额定电压 → 电源电压过低；·两电表示数一个变大另一个变小 → 电压表与滑动变阻器并联了；·电压表示数不变、电流及灯亮度能改变 → 电压表与电源并联了。（4）电表指针偏转类：·指针反偏 → 正、负接线柱接反；·偏转角度很小 → 量程选择过大（或电源电压过低）；·偏转超过量程 → 量程选择过小（或电路短路）。
十四、电流的热效应
定义：电流通过各种导体时，会将电能转化成内能，使导体的温度升高，这种现象叫作电流的热效应。实质：电流通过导体发热的过程，实质上是电能转化为内能的过程。电热器：利用电流的热效应工作的装置。电热器的主要组成部分是发热体，发热体一般由电阻大、熔点高的金属导体制成。常见电热器：电烙铁、电炉子、电暖气、电熨斗、电饭煲、电热水壶、电热毯等，都是利用电流的热效应工作的。电流热效应的利与弊：·利：利用率高、无污染（如电热器加热）；·弊：容易引起火灾，存在安全隐患（如电线老化、过载发热）。
图23 常见电热器：电熨斗、电饭煲、电热水壶、电热毯
十五、探索活动：电流产生的热量跟哪些因素有关
提出问题：电流通过导体产生的热的多少跟哪些因素有关？猜想与假设：①与通电时间长短有关；②与导体的电阻大小有关；③与电流大小有关。实验方法：控制变量法（转换法——通过观察煤油温度/玻璃管液面上升高度来比较产生热量的多少）。实验设计与现象：·探究与电阻的关系：将两根电阻丝串联（控制电流、通电时间相同），闭合开关相同时间后，电阻大的烧瓶中液面上升更高 → 电流相等、时间相同时，电阻越大，产生的热越多。·探究与电流的关系：减小滑动变阻器阻值使电流增大（电阻、时间相同），再次通电相同时间，液面上升更高 → 电阻相等、时间相同时，电流越大，产生的热越多。·常识：电流、电阻相同时，通电时间越长，产生的热越多。实验结论：电流通过导体产生的热量跟导体的电阻、通过的电流和通电时间都有关；电阻越大、电流越大、通电时间越长，产生的热量越多。
图24 探究电热与电阻关系的实验装置（两电阻丝串联，等质量煤油）
十六、典例4（探究电流热效应与哪些因素有关）
题目情境：甲、乙两个装置中装有相同质量的煤油，按图示电路连接（甲、乙串联）。（1）甲、乙两个装置是串联的，这样连接的目的是控制通过电阻丝的电流相等、通电时间相同；图示电路是为了探究电流热效应与电阻的关系。（2）通过比较电压表示数的大小，可以比较两电阻丝阻值大小；若甲电阻丝阻值更大，闭合开关一段时间后，甲装置中温度计示数升高得多；结论是电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。解析要点：串联保证电流相等、时间相同，只改变电阻这一变量；两电阻丝两端各并联电压表，电压表示数大的电阻大，对应煤油升温多、产热多。
图25 典例4 实验电路（甲、乙串联，各并联电压表）
十七、焦耳定律
内容：英国科学家焦耳于 1840 年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系——电流通过导体产生的热量，跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。公式：Q = I?Rt。·Q：热量，单位焦耳（J）；I：电流（A）；R：电阻（Ω）；t：时间（s）。理解和应用应注意：·公式中各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的；·运用时各物理量要先换算成国际单位制单位再代入公式；·纯电阻电路（如电炉、电烙铁）：电能全部转化为内能，W=Q，即 W=Q=UIt=I?Rt=U?t/R；·非纯电阻电路（如电吹风、电风扇）：电能一部分转化为内能、一部分转化为机械能，W=Q+W其他，此时 W=UIt > Q=I?Rt，计算热量只能用 Q=I?Rt，不能用 W 代替。能量转化举例：电熨斗可认为将电能全部转化为内能；电吹风工作时主要将电能转化为机械能，一小部分转化为内能。
图26 纯电阻电路（W=Q）与非纯电阻电路（W=Q+W其他）能量转化对比
03 方法提炼·易错提醒
【温馨提示】
1. 电功 vs 电能——用电器消耗的电能等于电流做的电功；电能可以多种形式转化（光、声、机械、内能）。
2. 电能表读数——示数单位 kW·h（度），最后一位是小数；两次读数之差为用电量。
3. 电功率是快慢——电功率表示电流做功快慢，不是多少；P=W/t=UI（适用于所有电路）。
4. 额定与实际——额定值唯一（铭牌标注）；亮度由实际功率决定，实际电压≠额定会偏离。
5. 伏安法要点——滑动变阻器"一上一下"；实际电压不超额定 1.2 倍；三次功率不求平均。
6. 串并联电功——分配关系 W?:W?=R?:R?（串，正比）、=R?:R?（并，反比）仅适用于纯电阻电路。
7. 电流热效应——Q=I?Rt 对任何电路的热量都成立；纯电阻 W=Q，非纯电阻 W>Q。
8. 非纯电阻陷阱——电动机、电吹风等求热量用 Q=I?Rt，求总功用 W=UIt，二者不等。
04 随堂检测·分层练习
实战演练
1. 【典例1】小明观察到自家电能表表盘如图所示，下列结论正确的是（ ）
A．电能表是测量电功率大小的仪表
B．电能表所在电路允许通过的最大电流是 10 A
C．"1600 r/(kW·h)"表示每消耗 1 kW·h 电能，转盘转 1600 转
D．电能表计数器最后一位是整数位
2. 关于灯泡的亮度，下列说法中正确的是（ ）
A．额定功率大的灯泡一定更亮
B．额定电压高的灯泡一定更亮
C．灯泡的亮度取决于其实际功率的大小
D．实际电压高的灯泡一定更亮
3. 在"测量小灯泡的电功率"实验中，小灯泡额定电压 2.5 V。当电压表示数为 2.5 V、电流表示数为 0.30 A 时，小灯泡的额定功率为______W；实验中发现小灯泡的电阻随温度升高而______；若把小灯泡换成一个定值电阻，还可探究电流与______的关系（选填"A.电阻"或"B.电压"）。
4. 【典例4】甲、乙两个装置装有相同质量煤油，按图示串联电路连接，两电阻丝两端各并联一个电压表。
（1）甲、乙装置是串联还是并联？这样连接的目的是什么？图示电路是在探究电流热效应与哪个因素的关系？
（2）通过比较什么可比较两电阻丝阻值大小？若甲电阻丝阻值更大，闭合开关一段时间后观察到的现象是什么？由此可得什么结论？
5. 一台电动机正常工作时两端电压为 220 V，通过线圈的电流为 5 A，线圈电阻为 2 Ω。工作 1 min，求：
（1）电流做的功 W；（2）电流通过线圈产生的热量 Q。（提示：电动机为非纯电阻用电器）
05 答题技巧·知识梳理
???? 答题模板
1. 电能表计算：用电量 = 末读数 ? 初读数（kW·h）；转数 N 对应电能 W = N / (1600 r/(kW·h))。
2. 电功率：P=UI（通用）；已知 U、I 直接乘。单位 W、V、A。
3. 电功：W=UIt=Pt；常用 W=Pt 配合 kW 与 h 得 kW·h（度）。
4. 额定/实际：看实际电压：等于额定→正常；低于→偏暗；高于（≤1.2倍）→偏亮。亮度看实际功率。
5. 焦耳定律：任何电路热量 Q=I?Rt；纯电阻才可写 W=Q，非纯电阻 W=UIt>Q。
板块
核心结论
电能
用电器工作即电能转化为光/声/机械/内能等
电功
W=UIt；单位 J 或 kW·h（1度=3.6×10?J）
电能表
测消耗电能；参数 220V/10(20)A/50Hz/1600r/(kW·h)；末减初读数
电功率
P=W/t=UI；表示做功快慢；单位 W、kW
额定/实际
额定值唯一（铭牌）；亮度由实际功率决定
探究电功率
与电压、电流有关；控制变量法
伏安法测功率
P=UI；滑动变阻器一上一下；实际电压≤1.2倍额定；不求平均
电功推论
串 W?:W?=R?:R?；并 W?:W?=R?:R?（纯电阻）
电流热效应
电能→内能；电热器发热体电阻大熔点高
电热因素
与电阻、电流、通电时间有关；控制变量+转换法
焦耳定律
Q=I?Rt；纯电阻 W=Q，非纯电阻 W=Q+W其他
参考答案
1. 答案：C 【电能表测电能非电功率；10(20)A中20A才是最大电流；末位为小数；"1600 r/(kW·h)"即每度电转1600转，C正确。】
2. 答案：C 【灯泡亮度由实际功率决定，与额定值、实际电压高低无必然对应关系。】
3. 答案：0.75；增大；B 【P=UI=2.5×0.30=0.75W；灯丝电阻随温度升高而增大；换定值电阻可探究电流与电压关系，选B。】
4. 答案：（1）串联；目的是控制通过两电阻丝的电流相等、通电时间相同；探究与电阻的关系。
（2）比较电压表示数大小；甲装置温度计示数升高得多；结论：电流和通电时间相同时，电阻越大，产生的热量越多。 【串联保证电流、时间相同，只改变电阻；电压表示数大者电阻大、产热多。】
5. 答案：（1）W=UIt=220×5×60=6.6×10? J
（2）Q=I?Rt=5?×2×60=3.0×10? J 【电动机非纯电阻：总功 W=UIt，热量只能用 Q=I?Rt 计算，二者不相等。】

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