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电能章节教案
前言：该份资料可供初三学生自学或供同行交流参考。由于编者能力有限，在相关知识的深度和广度上一定有遗漏，还望海涵。
知识点一
电功、电能
1.电功电能的定义
书本上对于电功和电能的描述如下：
电流对用电器所做的功，简称为电功。通过电流做功的过程实现了电能和其他形式的能量的转化。电流做了多少功，就有多少的电能转化成了其他形式的能量。
在这里用一个例子来说明电流做功（电功）、电能、其他形式的能之间的关系
某同学在课余通过一段时间的勤工俭学，获得了100元的报酬。随后进了一家超市，购买了百乐中性笔2支（20元/支），零食30元，可乐一箱30元，本次购物一共花费100元人民币。
在这个例子中：
①通过“劳动获得报酬”的过程可以等效为“电流做功”的过程。
②这样该同学就“获得了100元的消费能力”可以等效为“得到了100J的电能”
③随后“用100元人民币交换商品”的过程可以等效为“100J的电能转换为其他形式的能量”
④商品中包含“40元的笔”，“30元的零食”，“30元的可乐”可以等效为“40J的热能”，“30J的光能”，“30J的机械能”
2.电功的计算
电流在某段电路上做的功等于该电路两端的电压、电路中的电流和通电时间的乘积，计算公式为：
以上计算式适用于任何电路。之所以说任何电路是因为在初中阶段有个重要的概念需要辨析。即纯电阻电路和非纯电阻电路。
纯电阻电路：电流做功后获得电能，电能通过用电器完全（即100%）转化为热能的电路。
常见的纯电阻电路中的用电器有：小灯泡，白炽灯，电烙铁，电熨斗，电热丝，小太阳（外形像风扇，用于取暖），浴霸
拓展：有些同学会认为小灯泡和白炽灯是将电能转化为热能和光能，所以不是纯电阻电路。
对于这个问题就需要先理解小灯泡和白炽灯发光的原理。
这是一只普通的白炽灯，主要由玻璃泡、灯丝、金属架、连接点等组成。
玻璃外壳做成圆球形，制作材料是耐热玻璃，它把灯丝和空气隔离，既能透光，又起保护作用。白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达100℃左右。灯丝是用比头发丝还细得多的钨丝，做成螺旋形。看起来灯丝很短，其实把这种极细的螺旋形的钨丝拉成一条直线，这条直线竟有1米多长。
这里特别需要讲讲灯丝，因为电灯正是要靠它来发光的。
白炽灯里的钨丝很害怕空气。如果玻璃壳里充满空气，那么通电以后，钨丝温度升高到2000℃以上，空气就会对它毫不留情地发动袭击，使它很快被烧断。所以钨丝灯泡要抽成真空，把空气统统清除出去。有时怕抽气机抽不干净，还要在灯泡的内部涂一点红磷。红磷受热会变成白磷（ps：不直接涂白磷，是因为白磷的着火点较低，不安全。另外，红磷和白磷互为同素异形体），白磷很容易同氧气反应，生成固态的五氧化二磷，把氧气“吃掉”，这样，玻璃壳里残留的氧气也被消除了。但是，这样做还没有解决全部问题。白炽灯用久了玻璃壳会变黑，再过一段时间会烧断，你知道这是为什么？
原因是钨丝虽然处于真空环境，但是当白炽灯点亮温度升得很高的时候，钨的蒸发仍然十分严重。长时间的高温使钨丝表面的钨原子像水蒸汽一样不断地蒸发扩散，然后一层又一层地沉积到玻壳的内表面上，使玻壳慢慢黑化，越来越不透明。钨的蒸发也使钨丝越来越细，电阻变大，功率变小，亮度变暗，最后烧断。
在此顺便纠正一个常识性的错误，爱迪生并不是真正意义上发明灯泡的人。爱迪生出生于1847年，早在1815年的时候，英国化学家汉弗里·戴维爵士就发明了使用碳质灯丝的弧光灯。在他发明出这种弧光灯之后的很多年里，很多人都尝试着对他的发明创造进行改进，可惜的是，没有一个改进者改进的灯丝可以坚持超过12小时不被烧断。但爱迪生做到了！为了寻找合适的灯丝来改进弧光灯，爱迪生花了整整三年时间来反复试验，终于研发出了竹丝电灯。人们使用这种电灯很多年后，直到钨丝电灯的出现，竹丝电灯才最终被取代。爱迪生为灯泡所付出的巨大努力是不可磨灭的，这点不能否认，但是，他并不是第一个发明灯泡的人。”
非纯电阻电路：电流做功后获得电能，电能通过用电器不是完全（即小于100%）转化为热能，还有部分转化为其他形式的能的电路。
常见的纯电阻电路中的用电器有：电动机，电视，空调，冰箱等
由于非纯电阻电路没有明确的阻值，所以无法使用与“R”相关的电阻，即欧姆定律以及根据欧姆定律推导得出的计算式都不能使用。
纯电阻电路中：可以使用欧姆定律以及根据欧姆定律推导的计算式。
有
非纯电阻电路中由于具体电阻未可知，所以关于“R”的计算式都不能使用，仅可使用
具体的计算和例题会在下面做描述
3.电功的单位
国际单位为“焦耳”，符号为“J”，简称“焦”
其他常用单位还有“千瓦时”，符号“kW·h”，
知识点二
电功率
1.概念导入：
为了比较两个物理的运动快慢，可以有以下方案
①相同时间内比较通过的路程，
②相同路程内比较所需的时间，如田径赛跑
那么如果两个物体的路程和速度都不相等呢？
为了便于比较运动的快慢，引入了一个新的物理量，用路程和时间的比值来描述这个物理量，并取名为速度。这样就可以在任意情况下计算或者比较速度了。
所以速度引入其目的就是为了描述物体运动的快慢。
那么同理，根据电功的定义可以发现，电流做功也是需要时间的，所以也应该存在“快慢”
一说。如：IA在10
s内做功50
J，IB在20秒内做功90
J，那么哪个电流做功快呢？
简单处理过程可以用相等时间内的做功多少比较，或者做相同的功所需时间的大小比较，但是在这个例题中时间和对应的电功都不相等，所以参照速度的理解，我们也可以引入一个新的物理量来解决这个问题，并用电功和时间的比值来描述。我们把这个新的物理量叫做“电功率”，符号为“P”。则
由此可以解决以上问题，IA
做功的快慢用PA来表示，，同理，所以IA做功较快。
注意：在理科讲解过程中，知识点的串联是比较重要操作。
2.计算公式
①根据上述的描述，自然形成了，对于这个式子的理解需要注意：
电功率是用于描述电流做功快慢的物理量，并不能说明做功的大小和时间的大小问题，所以P的大小与W和t的大小无关。
常见的有以下几种描述
（1）用电器消耗的电能越大（小），则它的电功率就越大（小）
（2）用电器做功的时间越短（长），则它的电功率就越大（小）
（3）用电器的电功率越大（小），则它做的功就越多（少）
（4）用电器的电功率越大（小），则它做的功时间就越短（长）
以上说法都是不对的
但是如果通过控制变量的角度分析问题，那么结果就不一样了，相当于最初的比较思路，即相等时间内的做功多少比较，或者做相同的功所需时间的大小比较来说明P的大小
常见的有以下几种描述
（1）相等时间内电流做的功越多（少），则电功率越大（小）
（2）电流做相同的功，所需时间越短（长），则电功率就越大（小）
（3）电流做的功的大小与时间的比值越大（小），则电功率就越大（小）
以上说法都是正确的，而且电功率的大小用于描述电流做功的快慢，所以把“电功率越大（小）”这句话替换为“做功越快（慢）”也是对的
②由于根据电功的定义可知，而，所以
即某用电器的电功率还等于它两端的电压和通过的它的电流的乘积
③如果分析计算的对象是之前讲的纯电阻用电器，那么还可以根据欧姆定律进行变形
有：
3.电功率的单位
在上一个例子中，电功率的单位用J/s来进行表示，类似于速度单位为m/s
拓展：这里简单介绍一个人，顺便纠正一个常识性错误。大家一定对下面几个关键词耳熟能详，“奶奶”，“水壶”，“冒水汽”，“冥思苦想”，“蒸汽机”，“瓦特”
对以上关键词大家一定能写出一个动人的故事，但是有史料可考的，以蒸汽为动力的想法大约出现在17世纪中后期的法国，到了1698年，法国物理学家德尼斯·帕潘，用一个圆筒和活塞制造出第一台简单的蒸汽机，但仅有原型机没有实际运用到工业上。但帕潘的汽缸—活塞装置是一个伟大的创举，后人都在这个基础不断改进，现代内燃机依然是这个结构。
十年后，英国人托易斯·塞维利发明了蒸汽抽水机，主要用于矿井抽水，能代替繁重的人工劳动，但故障率很高，非常笨重。1705年，英国人纽克曼经过长期研究，综合帕潘和塞维利的发明优点，创造了空气蒸汽机。但纽克曼蒸汽机也有明显的缺点：故障率很高、笨重、功能单一、热效率很低，太费煤。
1763年一台要维修的纽克曼蒸汽机送到瓦特的单位，他才第一次接触到蒸汽机，这已经是纽克曼蒸汽机运行半个世纪了。瓦特决定改进它。
1776年制造出第一台有实用价值的蒸汽机。以后又经过一系列重大改进，使之成为“万能的动力机”，在工业上得到广泛应用，使人类进入“蒸汽时代”。
所以，后人为了纪念这位伟大的发明家，把功率的单位定为“瓦特”（简称“瓦”，符号“W”）
至此，功率的单位有以下表示方法
，且，习惯上我们常用“W”来表示
4.额定功率
在讲解“额定”二字之前，我们先来看以下一个例子
一个未经过训练的健康青年，进入健身房，通过深蹲，俯身划船，卧推等形式来提升自己的肌肉维度。以卧推为例，他目前的能力是卧推是50kg，那么他在选取实际卧推重量的时候就会有一下几种方案
方案
5kg
40kg
50kg
60kg
200kg
效果
达不到健身效果
健身效果不明显
效果较好，受伤风险较低
效果也较好，但受伤风较高
直接完蛋
通过以上表格的观察，可得到一个浅显的结论：一个人在某个状态下的做功过程是最理想的，技能保证效果，又能保证安全。这个理想状态就叫做“额定”
那么对于一个用电器而言呢？其实也存在这么一个状态，对于用电器而言，在这个状态下工作时，既可以保证工作效率，也能保证自己的使用寿命达到理想值
用电器想要工作就需要给它一个电压，不同的电压值就对应不同的工作状态。用电器在出厂的时候都会标明这个理想状态，用电压描述，这个电压就叫做额定电压
用电器在额定电压下工作时的电功率就叫做额定电功率，简称额定功率
如果一个小灯泡在他的标签上（铭牌）标有220V-100W即额定电压为220V，此时电功率为100W，那么同样存在以下表格
实际电压
2V
200V
220V
230V
400V
功率功率和额定功率的关系
表现
不亮
较暗
正常亮度
较亮，长时间在该电压下工作会影响使用寿命
原地爆炸
注意：额定功率和额定电压是用电器在出厂就设置好的，在使用过程中是不会变化的。而实际电压可以在安全范围内随意改变，对应的实际功率也会发生变化
一般家用电器在它们的身份证（铭牌）上都会注明额定电压和额定功率
家用电器的额定电压均一般均为200V，而额定功率就不尽相同
以下是常用家用电器的功率大小，这也是生活常识的一部分，务必留下大致的印象
功率
1000W左右
500W左右
100~200W
用电器
空调，微波炉，电热水器
吸尘器，电吹风，洗衣机，电熨斗
电视机，电脑，电冰箱，电风扇
拓展：照明电路的负荷
我国规定的家用电器的额定电压与我国照明电路电压一致，即220V。在用电高峰期时，电网负荷很大，照明电路电压将会降低，根据可得一般用电器的实际功率会降低，如白炽灯会变暗，如电压过低，日光灯会不能启动，或用电器不能工作。到晚间如电网负荷变小时，照明电路电压会高于220V，电压过高时家用电器也不能正常工作，实际功率将高于其额定值。
题型透析——控制变量思想下的定量分析
题型一：电阻不变时，电功率和电压之间的关系
若有一灯泡铭牌标识为“220V
100W”，那么他正常工作时的电阻是多少？
解：根据可得
那么给这个小灯泡接100V电压时，现在的功率是多少？
解：根据可得
深入思考：以上解答过程对不对呢？
解析：以上解答过程可以算对也可以算错。如果题目中有一句关键描述：“忽略温度对灯丝电阻的影响”，那么以上过程就是正确的
如果题目中没有这样类似的描述，那么就要考虑100V的电阻和220V时的电阻是不是相等这个问题了。由于灯泡的发光是由于发热而产生的，温度越高，灯丝电阻越大，所以200V下的电阻比100V的电阻要大，故100V时的电阻实际不到484Ω，因此
题型二：电压不变时，电功率和电阻之间的关系
此类题型一般出现在大题中，目的就是计算用于加热的用电器不同档位的切换。或者出现在选择填空中的电功率大小比较和排序中
研究这一类题型时，我们把所有的条条框框都去掉，保留最简单的几个元件。两个定值电阻分别为R和R’以及电源电压U，已知U不变，且R小于R’
问题一：两个大小不同的电阻能构成几种电阻大小？
这是一个简单的组合问题，无非四种情况，如下
仅使用R，此时总电阻R1=R
仅使用R’，
此时总电阻R2=R’
R，R’串联使用，此时总电阻R3=R+R’
R，R’并联使用，此时总电阻
问题二：以上四种组合中，电阻的大小关系如何？
由于以及并联电路的总电阻小于任一支路电阻
所以
问题三：以上四种组合中，对应的电功率关系如何？
由于，R越大，P就越小
所以
问题四：功率的大小表示什么？
功率的大小表示做功的快慢，功率越大，电流做功越快
问题五：功率越大意为着什么？
意味着相等时间内产生的热量越多，从而可以对不同的情况有不同的应用
一般用电器会设置高温档，低温档，保温档。
显然对应的功率关系为
所以存在多种满足要求的组合，做题时具体分析即可
计算中的小技巧
串联电路
R1
R2
由初二电学可知：
又由于
以及，联立以后可得
(
R
1
)并联电路
(
R
2
)
由初二电学可知：
同理，由于
以及，联立以后可得
知识点三
用伏安法侧小灯泡的电功率
1.用电流表和电压表分别测定小灯泡工作时的电流和电压，根据公式计算得出小灯泡工作时的电功率，这个测定方法称为伏安法，电路图和实物图如图所示
2.伏安法具体过程
（1）根据小灯泡的额定电压，选择好合适的电源。注：电源电压要稍大于小灯泡的额定电压
（2）根据电源电压以及小灯泡大约的电阻，选择电流表、电压表合适的量程
（3）根据实验电路把实验器材连接成实物图，连接电路时开关应处于断开状态。注：滑动变阻器连接一定要正确，口诀：一上一下
（4）检查电路正确无误，将滑动变阻器的滑片移到使连入电路的电阻为最大的位置。闭合开关，注意观察电压表的示数，然后缓慢调节滑片，直到电压表的读数等于额定电压，记下这个数据U1。
（5）观察并记下这时的电流表的读数I1
（6）计算此时的P1=I1U1，重复以上步骤3-4次，然后求平均值
伏安法在之前初二电学中也出现过，那么两个实验有什么异同吗？
伏安法测小灯泡电阻
伏安法测小灯泡电功率
实验原理
根据计算得到电阻的阻值
根据计算得到电功率，当电压为额定电压时，得到的功率就是额定功率
实验电路图
滑动变阻器的作用
用于改变电路中的电流，从而获得多组电流电压数据
用于调节小灯泡两端的电压，使小灯泡两端的电压能达到额定电压
数据处理
移动滑片，多次测得电阻值，求出不同条件下小灯泡的电阻，所以需要的是多组不同条件数据
当电压表读数为额定电压时，读出此时电流表的读数，计算得到额定功率，千万不能用不同条件下的实际功率求平均值作为额定功率
好题分享
在探究“测量小灯泡的电功率”的实验后，某兴趣小组欲进一步探究学习，现将其改变为“探究小灯泡的电功率?P?与电压?U?之间的关系”的实验，实验中提供了以下实验器材?:
A.?待测小灯泡?L?（额定电压?3?.0?V?，额定功率?1?.8?W?）??
B.?电压表?V?（量程?0~3V?，量程?0~15V?）
C.?电流表?A?（量程?0?～?0.6A?，?0?～?3A?）
D.?滑动变阻器?R?（?0?～?10?Ω?）
E.?定值电阻?R?1?＝?5Ω?，?R?2?＝?10Ω?，?R?3?＝?15Ω
F.?蓄电池，电压?U?＝?12V.
G.?开关一个?S?，导线若干?.
（?1?）为了比较精确的测量小灯泡的功率，电流表的量程应选???
????????。
（?2?）为了保证电路安全，实验中定值电阻?R?0?应选????????。（选填?“R?1?”?或?“R?2?”?或?“R?3?”?）
（?3?）请用铅笔画线代替导线，将实验器材连接起来，使之成为准备使用的实物电路。
（?4?）测量结束后，应先断开开关，拆除??????两端的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材。
（?5?）该小组同学在处理?实验数据时，?将电功率?P?作为纵坐标，?U?2?作为横坐标，采用描点法，在坐标纸上作出了?P?－?U?2?图像，并画出该图像是一条直线（如图所示）?.?根据图像，请你指出：所作图像的错误之处是??????????；作图时，坐标取值不恰当之处是??????
???????。
（?6?）假设实验中所给的实验器材电流表已损坏，老师又给了一只电压表，该组同学仍完成了实验。请你帮他们在虚线框内画出实验的电路图?.
知识点四
电流的热效应
1.热效应：电流通过导体时，导体会发热的现象叫做电流的热效应，这时，电能转化为热能
2.电流的热效应在生产和生活中有广泛的应用。如电饭锅、电熨斗、电热茶壶、电热水器等在使用中都是将电能转化为热能（内能），都是利用了电流的热效应
3.焦耳定律
内容：对于纯电阻电路而言，用电器上产生的热量等于通过它的电流的平方，自身电阻以及通电时间的乘积，即t
在这里Q表示的焦耳热，单位与能量单位相同，“J”
理解上，焦耳热其实就是热能，只不过是电流做功产生的。
所以存在以下关系
电路种类
电功W与焦耳热Q的关系
纯电阻电路
由于电能全部转化为热能，所以W=Q
非纯电阻电路
由于电能除了转化为热能外，还有其他形式的能，所以W＞Q
难点：电动机工作时的物理量计算
作为试题中的常客，必须理解透彻，内容如下
电动机内部元器件可以简化为一个线圈和一个转子的串联，其实转子就是线圈，但是便于理解，还是分开考虑，如图所示
U1为线圈两端电压、U2为转子两端电压、I为电路中的电流，R为线圈电阻
线圈视为一个定值电阻，它将一部分电能全部转化为热能，故属于纯电阻器件。
转子的作用是将一部分电能转化为机械能，故属于非纯电阻器件
因此将两者结合后，就属于非纯电阻电路。
按分析对象分类，存在以下关系
线圈
转子
整体
能量转化
电能→内能（热能）
电能→机械能
电能一部分变为内容，一部分变为机械能
纯与非纯
纯
非纯
非纯
能够使用的计算式子
所有计算式
不能用“R”相关的计算式
不能用“R”相关的计算式
能量的利用
无用功
有用功
总功
机械效率
拓展：电动机在实验探究中的考察
在“测定直流电动机的效率”实验中，用左下图所示的电路测定一个额定电压为6V、额定功率为3W的直流电动机的机械效率．
（1）根据电路图完成实物图的连线；
（2）实验中保持电动机两端电压U恒为6V，重物每次匀速上升的高度h均为1.5m，所测物理量及测量结果如下表所示：
实验次数12345电动机的电流I/A0.20.40.60.82.5所提重物的重力Mg/N0.82.04.06.06.5重物上升时间t/s1.41.652.12.7∞
计算电动机效率η的表达式为______（用符号表示），前4次实验中电动机工作效率的平均值为______．
（3）在第5次实验中，电动机的输出功率是______；可估算出电动机线圈的电阻为______Ω．
（1）如图；
（2）电动机效率η的表达式为?
，前4次实验中电动机工作效率的平均值为
??
代入解得，?
（3）在第5次实验中，由图看出，重物处于静止状态，则电动机的输出功率为0．根据欧姆定律得：电动机线圈的电阻为
知识点五
家庭电路
1.家庭电路的组成：进户线（火线、零线）、电能表、闸刀开关、熔断器、用电器、开关、插座等
2.家庭电路中各用电器之间都是并联的，插座与灯座之间是串联的，控制电灯的开关与电灯是串联的。
3.对各部分组成做详细描述
组成
说明
备注
进户线
家庭电路通过进户线与室外入户线网相连接，进户线有两根，一根是相线，又叫火线；一根是零线，他们之间的电压时220V。
辨别火线和零线可以用测电笔，使用时，手接触电笔尾部金属帽，用笔尖金属体接触被测物，如氖管发光，标明物体与火线相连接，如不发光，表明物体与零线相连接
电能表
测量一段时间用户消耗的电能的仪表，单位是千瓦时（kW·h），一段时间内前后两次读书之差表示这段时间用户所消耗的电能
电能表的参数分析
“220V”表示额定电压为220V
“10（20）A”表示这个电能表的额定电流是10A，短时间允许通过的最大电流是20A
表盘读数为367.2kW·h
“2500r/k·h”表示每电能表转过2500转时，消耗电能1
k
W·h
闸刀开关
控制整个电路的通断，以便检测电路、更换设备及维修
熔断器（漏电保护装置）
当电路发生短路或电流过大时，能自动切断电路，起到保险、安全的作用
核心元件为熔丝，它是一种熔点低的铅、锑合金丝。当电流过大时，由于电流的热效应，短时间温度上升较快，熔断金属丝，断开电路。熔丝发生断裂后，不能用更大规格的熔丝或铜丝铁丝替换。
用电器
将电能转化为其他形式的能量
插座
可以给其他用电器供电
4.安全用电
项目
注意事项
室内布线规律
水平布线
上面的是相线
下面的是零线
垂直布线
左边的是零线
右边的是相线
二孔插座
左边插孔连接零线
右边插孔连接相线
电功率用电器
三孔插座
最上面的插孔与底线相连
三孔插头
最上面的一个插头与用电器的金属外壳相连
固定电器连接
必须相线进开关，使开关断开时，能切断相线与用电器的连接
三孔插座仔细观察会发现1脚的长度较长，这个设计的目的是什么？
解：1脚是与金属外壳相连的，用电器在使用过程中，在金属外壳上会累计一定数量的静电，1脚与金属外壳相连，插入插座后又与底线相连，这样就能及时的将静电导走。所以核心就是起保护作用。在使用过程中希望保护作用最先开启，但最后撤离。那么这样一个小设计就可以满足了
拓展：防止触电
一般1000V一下为低压，1000V以上为高压。
注意事项
不接触低压带点体
不靠近高压带电体
触电表现
带电体将人体紧紧“吸住”，触电者不能自主控制身体
高压电弧触电
跨步电压触电
会被迅速弹开，造成严重的伤害，或直接死亡
站在距离高压电线落地点8～10米以内，发生的触电事故，人受到跨步电压时，电流沿着人的下身，从脚经腿、胯部又到脚与大地形成通路。
应对措施
1.关闭电源??若触电发生在家中或开关附近，迅速关闭电源开关、拉开电源总闸刀是最简单、安全而有效的方法。
2.挑开电线??用干燥木棒、竹杆等将电线从触电者身上挑开，并将此电线固定好，避免他人触电。
3.“拉开”触电者??若触电者不幸全身趴在铁壳机器上，抢救者可在自己脚下垫一块干燥木板或塑料板，用干燥绝缘的布条、绳子或用衣服绕成绳条状套在触电者身上将其拉离电源。
抬走
当一个人发觉跨步电压威胁时，应赶快把双脚并在一起，然后马上用一条腿或两条腿跳离危险区
总结
《走近中国消防》之《触电危机》节目中，有一个触目惊心的数据，每年中国因触电死亡人数超八千
一定注意用电安全
如有侵权，请及时联系
如有需要，可随意引用
编者：俞泽

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