1、12.1 电路中的能量转化电路中的能量转化 现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、电视、现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、电视、电热水壶、电动汽车等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化电热水壶、电动汽车等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？的吗？一、电功和电功率一、电功和电功率1、电功、电功 初中我们就知道，电热水壶通电时，电能转化为内能；电动机通电初中我们就知道，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；蓄电池充电时，电能转化为化学能。电能转化时，电能转化为机械能；蓄电池充电时，电能转化为化学能。电能转化为其他形式的能，
2、是通过电流做功来实现的。为其他形式的能，是通过电流做功来实现的。 电流做功的实质是，导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。电流做功的实质是，导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。自由电荷在静电力的作用下做定向移动，结果电荷的电势能减少，其他自由电荷在静电力的作用下做定向移动，结果电荷的电势能减少，其他形式的能增加。形式的能增加。 图图 12.1-1 表示一段电路，电荷从左向右定向移动，它们经过这段电路表示一段电路，电荷从左向右定向移动，它们经过这段电路所用的时间记为所用的时间记为 t。 根据已学的知识，在这段时间内通过这段电路任一截根据已学的知识，在这段时间内通过这段电路任一截面的电荷
3、量为面的电荷量为:q It 如果这段电路两端的电势差是如果这段电路两端的电势差是 U，静电力做的功就是，静电力做的功就是W Uq UIt 上式表示电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压上式表示电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流电路中的电流 I、通电时间、通电时间 t 三者的乘积。三者的乘积。 2、电功率、电功率二、焦耳定律二、焦耳定律 初中我们就学过，能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，初中我们就学过，能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转 化问题。化问题。 电流电流
4、做功，究竟电能会转化为哪种形式的能量，要看做功，究竟电能会转化为哪种形式的能量，要看 电路中具有哪种电路中具有哪种类型的用器类型的用器.电流通过电热水器中的电热元件做功时，电能全部转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。化为导体的内能。实验表明，在电流相同、通电时间实验表明，在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。阻产生的热量越多。实验表明，在电阻相同、通电时间相实验表明，在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过一个电阻的电流越同的情况下，通过一个电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。大，这个电阻产生的热量越多
5、。（1）电流在这段电路中做的功）电流在这段电路中做的功 W 等于这段电路产生的热量等于这段电路产生的热量 Q,即即 QWUIt （2）由欧姆定律）由欧姆定律 U IR，可以得到热量，可以得到热量 Q 的表达式的表达式 Q I 2 Rt 。 英国物理学家焦耳做了大量实验，于英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840 年最先精确地确定了电流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：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 导体的电阻及导体的电阻及通电时间成正比。这个关系式最初是由焦通电时
6、间成正比。这个关系式最初是由焦 耳通过实验直接得到的，物理耳通过实验直接得到的，物理学中就把它叫作焦耳定律学中就把它叫作焦耳定律 （Joules law）1、焦耳定律、焦耳定律 由于由于W Q，所以此时电功率，所以此时电功率PW/tQ/t 就是电流发热的就是电流发热的功率功率P热热 I 2R 在推导在推导PUI 的过程中，没有对电路的性质作任何限制，其的过程中，没有对电路的性质作任何限制，其中的电功率中的电功率 P 是指电流做功的功率。是指电流做功的功率。 在推导在推导 P热热 I 2R 的过程中，我们用到了的过程中，我们用到了 W Q 这个条件，这个条件，它要求电流做的功它要求电流做的功“全
7、部变成热全部变成热”，其中的电功率，其中的电功率P热热 是指电流是指电流发热的功率。发热的功率。2、热功率、热功率三、电路中的能量转化三、电路中的能量转化 焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况，但是实焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况，但是实际中有些电路除含有电阻外还含有其他负载，如电动机。下面际中有些电路除含有电阻外还含有其他负载，如电动机。下面我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化。我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化。 从能量转化与守恒的角度看，电动机从电源获得能量，一部从能量转化与守恒的角度看，电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。
8、设电动机消耗的功率分转化为机械能，还有一部分转化为内能。设电动机消耗的功率为为P电电 ，电动机对外做功，输出的功率为，电动机对外做功，输出的功率为P机机，另外，另外,电动机工作时电动机工作时自身也有能量损失自身也有能量损失,对应的功率为对应的功率为P损损,它们之间满足它们之间满足P电电P机机 P损损 设电动机两端的电压为设电动机两端的电压为U，通过电动机线圈的电流为，通过电动机线圈的电流为I，可知，可知P电电UI电动机刚停止工作时，我们发现外壳是热的，说明工作时有电能转化为电动机刚停止工作时，我们发现外壳是热的，说明工作时有电能转化为内能。设电动机线圈的电阻为内能。设电动机线圈的电阻为R，可知
9、，可知P 热热 I2R 这说明，由于电动机线圈有电阻，所以电能除了转化为机械能之外，这说明，由于电动机线圈有电阻，所以电能除了转化为机械能之外，确实还有一部分转化为内能。电动机的转子与轴承均有摩擦，另外还有确实还有一部分转化为内能。电动机的转子与轴承均有摩擦，另外还有空气阻力。但若忽略这部分能量损失，只考虑线圈发热产生的能量损失，空气阻力。但若忽略这部分能量损失，只考虑线圈发热产生的能量损失，则有则有P损损 P热热 同样，对于正在充电的电池，电能除了转化为化学能之外，同样，对于正在充电的电池，电能除了转化为化学能之外，还有一部分转化为内能。还有一部分转化为内能。例题例题1、一台电动机、一台电动
10、机,线圈的电阻是线圈的电阻是 0.4，当它两端所加的电压为，当它两端所加的电压为220 V 时时,通过的电流是通过的电流是5A.这台电动机发热的功率与对外做功的这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少？功率各是多少？解解: 由焦耳定律可知，电动机发热的功率为由焦耳定律可知，电动机发热的功率为P热热I2R520.4W10W 电动机消耗的电功率为电动机消耗的电功率为P电电 UI 2205 W 1 100 W 根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为 P机机 P电电P热热1100W10 W1090W这台电动机发热的功率为这台电动机发热的功率为10 W,对外做功的功率为对外做功的功率为1090W。（一）求解电动机问题（一）求解电动机问题课后习题课后习题
