2025年人教版新高二物理暑假专项提升：电路中的能量转化

第10讲电路中的能量转化

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学习目标

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1.理解电功和电功率、热功率的概念

2.掌握不同情况下的电功、电热的计算

i|密基础知.:

------------------llllllllllllllllllllllllllllllllllllllllt-----------------------

一、电功和电功率

1.电功：

(1)实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。

⑵公式:W=UIt。

⑶国际单位:焦,符号为J。

⑷意义：电功是电能转化为其他形式的能的量度，即电功是多少就有多少电能转

化为其他形式的能。

2.电功率：

⑴含义:单位时间内电流所做的功。

W

⑵公式:p=—=UI。

t

⑶单位:瓦,符号:w。

(4)物理意义:表示电流做功的快慢。

⑸决定用电器电功率大小的因素有③④。

①电功;②通电时间;③电压;④电流;⑤电阻。

二、焦耳定律和热功率

1.焦耳定律：

(1)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。

⑵表达式:Q=1Rt。

2.热功率：

(1)定义:单位时间内的发热量称为热功率。

⑵表达式:P=1R。

⑶物理意义:表示电流发热快慢的物理量。

⑷计算电路中某电阻(满足欧姆定律)的热功率时，可以用到的公式是

①②③④⑤。

U7WQ

①P=UI；②P=「R;③P=—;④P=一;⑤P=一。

Rtt

三、纯电阻电路和非纯电阻电路

1.纯电阻电路：电流通过纯电阻电路做功时，电能全部转化为导体的内能。

2.非纯电阻电路:含有电动机或电解槽等的电路称为非纯电阻电路。在非纯电阻

电路中，电流做功将电能除了部分转化为内能外,还转化为机械能或化学能等其

他形式的能。

3.纯电阻电路和非纯电阻电路的比较：

项目纯电阻电路非纯电阻电路

白炽灯、电炉、电动机、

举例

电熨斗、电饭锅电解槽

______^7®

能量转__^>@

化情况

£其他

=

电功和电W=QWQ+E其他

22

热的关系即IUt=IRtUIt=IRt+E其他

电功率和热P=P热，P=P热+P其他

2

功率的关系即IU=『R即IU=IR+P其他

欧姆定律U、_U

U=IR,1=—,成上U>IR,K-,不成立

是否成立R

4.说明：

(l)W=UIt,P电=UI适用于任何电路计算电功和电功率。

(2)Q=I2Rt,P执=/R适用于任意电路计算电热和热功率。

⑶只有纯电阻电路满足W=Q,P电=P热；非纯电阻电路W>Q,P电狂热

I[Q考点剖析

------------------IIIIIIIIIIIII1IIIIII11IIIIIIIIIIIIIIIIIII-----------------------

考点一：电功和电功率

【例1】有两个灯泡L1、L2,额定电压皆为3V,额定功率分别为6W、3W,采

用不同的接法，下列说法正确的是（）

A.若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为4.5W

B.若将它们串联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6W

C.若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为3W

D.若将它们并联接在电路中，两灯泡的总功率最大为6W

【答案】A

【详解】由尸皿可得两灯泡的额定电流分别为“?"A,g/|=lA两个灯

2

ITQ2Q〃2Q2

泡的电阻分别为N=百=7=3。，R<="^=y=3Q

AB.若将它们串联接在电路中，则电路中的最大电流为1A,两灯泡的总功率最

大为&=/；（R1+4）=/xg+3）=4.5W故A正确，B错误；

CD.若将它们并联接在电路中，并联电路的电压是3V时都达到额定功率，两

灯泡的总功率最大为

g=q+《=9w故CD错误。故选A。

考点二：焦耳定律和热功率

【例2】两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、3串联在电路中，A的长度为L

直径为d；3的长度为2L直径为2d,那么通电后在相同的时间内产生的热量

之比为（）

A.QA：QB=1：1B.QA：QB=2：1

C.QAQB=12D.QA：QB=4：1

【答案】B

R=p-=p—二二吗

【详解】由电阻定律可得S"①丫乃小电阻丝A的电阻&=专4L电阻

万一7ia

c4px2L2pL

丝3的电阻RB=京不=方所以以：品=2：1由焦耳定律可得Q=1加代入数值可

得QA：QB=2：1故选B。

考点三：非纯电阻的电功率和热功率

【例3】图是利用电动机提升重物的示意图，其中D是直流电动机。P是一个质

量为机的重物，它被细绳拴在电动机的轴上。闭合开关S,重物尸以速度v匀速

上升，这时电流表和电压表的示数分别是5.0A和100V,重物P上升的速度为

0.70m/So重物的质量为50kg,g取lOm/s?。下列说法不正确的是（）

D

|)=

八

A.电动机消耗的电功率为500W

B.绳对重物做功的机械功率350W

C.电动机线圈的电阻20。

D.电动机的效率为70%

【答案】C

【详解】A.根据电功率关系式有尊=U/=5xl00W=500W故电动机消耗的功率为

500W,故A正确，不符合题意；

B.以物体为研究对象，由于物体匀速上升，根据平衡条件有b=作根据。

得。=mgv=350W故细绳对对重物做功的机械功率为350W,故B正确，不符合

题意；

C.根据功能关系有缁=。+与；a=/女联立解得R=6。故C错误，符合题意；

7=^=—=70%

D.电动机效率瑜500故D正确，不符合题意；故选C

[例4]（2022.浙江・乐清市知临中学高二期末）如图所示为某品牌的电动车，

质量为机=60kg,驱动电动机正常工作的额定输入电流/=6A,额定输入电压为

45V,电动车电池的容量为18000mA.h。电动车行驶时所受阻力大小为车所受重

力的0.05;该电动车在水平地面上由静止开始以额定功率运行7=5s通过x=15m

的距离，速度达到v=5m/s,忽略电动机转动时的摩擦，重力加速度g=l0向匕

下列说法正确的是（）

A.电池能使电动机以额定电流运行的最长时间为120分钟

B.驱动电动机的输出功率为230W

C.驱动电动机的内阻为

6

D.电动车能达到的最大速度为8m/s

【答案】CD

【解析】电池能使电动机以额定电流运行的最长时间为

=受黑丝*=3h=180min选项A错误；由动能定理尸/加？

I6000mA2

解得P=240W,选项B错误；

根据/。=尸+e，解得驱动电动机的内阻为厂=:。

6

p240

v=-----=--------------m/s=8m/s

选项C正确；电动车能达到的最大速度为kmg0.05x600,选项D

正确。

||西真题演练

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1.（2022.浙江.高考真题）某节水喷灌系统如图所示，水以%=15m/s的速度水

平喷出，每秒喷出水的质量为2.0kg。喷出的水是从井下抽取的，喷口离水面的

高度保持H=3.75m不变。水泵由电动机带动，电动机正常工作时，输入电压为

220V,输入电流为2.0A。不计电动机的摩擦损耗，电动机的输出功率等于水泵

所需要的输入功率。已知水泵的抽水效率（水泵的输出功率与输入功率之比）为

75%,忽略水在管道中运动的机械能损失，则（）

A.每秒水泵对水做功为75J

B.每秒水泵对水做功为225J

C.水泵输入功率为440W

D.电动机线圈的电阻为10。

【答案】D

【解析】每秒喷出水的质量为%=20kg,抽水增加了水的重力势能和动能，则每

秒水泵对水做功为W=%片=300J

故AB错误；水泵的输出能量转化为水的机械能，则用=：=300W

而水泵的抽水效率（水泵的输出功率与输入功率之比）为75%,则以=2=400W

75/0

故c错误；电动机的输出功率等于水泵所需要的输入功率，则电动机的机械功

率为

%=以=400W

而电动机的电功率为埼=U/=440W

由能量守恒可知埼=/々+扁，联立解得R=10。，故D正确；

2.（2022.江苏.高考真题）如图所示，电路中灯泡均正常发光，阻值分别为6=2。,

凡=3Q,6=2C,6=4C,电源电动势E=12V,内阻不计，四个灯泡中消耗功

率最大的是（）

A.凡B.R2C.R3D.R4

【答案】A

【解析】由电路图可知自与出串联后与比并联，再与岛串联。并联电路部分

的等效电阻为R并=/=2。

E

由闭合电路欧姆定律可知，干路电流即经过M的电流为人=/=菽二葭=3A

火1+火并

并联部分各支路电流大小与电阻成反比，则=华=2A

四个灯泡的实际功率分别为A=/；K=18W,6&=12W,A=/；/?3=2W,

乙=ZM=4W故四个灯泡中功率最大的是Rjo故选项A正确。

3.（2020.浙江.高考真题）如图所示，系留无人机是利用地面直流电源通过电缆

供电的无人机，旋翼由电动机带动。现有质量为20kg、额定功率为5kW的系留无

人机从地面起飞沿竖直方向上升，经过200s到达100m高处后悬停并进行工作。已

知直流电源供电电压为400V,若不计电缆的质量和电阻，忽略电缆对无人机的

拉力，则（）

A.空气对无人机的作用力始终大于或等于200N

B.直流电源对无人机供电的额定电流为12.5A

C.无人机上升过程中消耗的平均功率为100W

D.无人机上升及悬停时均有部分功率用于对空气做功

【答案】BD

【解析】无人机先向上加速后减速，最后悬停，则空气对无人机的作用力先大于

200N后小于200N,最后等于200N,选项A错误；直流电源对无人机供电的额

定电流

/=，=黑A=12.5A,选项B正确；若空气对无人机的作用力为F=mg=200N

则无人机上升过程中消耗的平均功率暇见=ioow

但是由于空气对无人机向上的作用力不是一直为200N,则选项C错误；无人机

上升及悬停时，螺旋桨会使周围空气产生流动，则会有部分功率用于对空气

做功，选项

|]|过关检测[I

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1.如图1所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图2所示。在充电

开始后的一段时间f内，充电宝的输出电压U、输出电流/可认为是恒定不变的,

设手机电池的内阻为"，则时间工内（）

A.充电宝输出的电功率为U/+/2「B.充电宝产生的热功率为厂厂

TT2

C.手机电池产生的焦耳热为也rD.手机电池储存的化学能为

r

【答案】D

【详解】

A.充电宝的输出电压U、输出电流/,所以充电宝输出的电功率为U/,故A错

误；

B.充电宝内的电流也是/,但其内阻未知，所以无法判断充电宝产生的热功率,

故B错误；

c.。是充电宝的输出电压，不是手机电池的内电压，所以不能用工乙计算手

r

机电池产生的焦耳热，手机电池产生的焦耳热应为X",故C错误；

D.充电宝输出的电能一部分转化为手机电池储存的化学能，一部分转化为手机

电池产生的焦耳热，故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为：

Ult-rrt,故D正确。故选D。

2.额定电压都是UOV,额定功率PA=100W,PB=40W的灯泡两盏，若接在电压

为220V的电路上，两盏灯泡均能正常发光，且消耗功率最小的电路是（）

【答案】C

【详解】由题知，两灯泡额定电压相等，A灯泡的额定功率较大，由尸=,可

知，A灯泡的电阻较小，即

RB>RA

A.图中灯泡A和B串联在220V的电源上，由串联电路的分压特点可知，两灯

泡两端的电压均不等于nov,所以都不能正常工作，A错误；

B.图中灯泡A和可变电阻R并联后又和灯泡B串联，由并联电路中电阻越并

越小、小于任何一个分电阻可知，B灯泡的电阻一定大于并联部分的总电阻，由

串联电路的分压特点可知，两灯泡两端的电压均不等于U0V,所以都不能正常

工作，B错误；

CD.选项C中灯泡B和可变电阻R并联后又和灯泡A串联，由电阻的并联可知,

可变电阻调节合适时可以使并联部分的电阻和灯泡A的电阻相等，即两灯泡可

以同时正常发光；

选项D中灯泡A和灯泡B并联后又与可变电阻R串联，当可变电阻的阻值和两

灯泡并联的电阻相等时它们可以同时发光；由并联电路中干路电流等于各支路电

流之和可知，选项C中电路的总电流为A灯泡的额定电流，选项D中电路的总

电流等于A和B两灯泡的额定电流之和，由尸=〃可知，选项C中电路消耗的

功率最小。故选C。

3.下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中错误的是（）

A.电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多

B.W=”r适用于任何电路，而皿=/放=Jr只适用于纯电阻电路

R

C.在非纯电阻电路中，UI>I2R

D.焦耳热Q=适用于任何电路

【答案】A

【详解】A.电功率越大，表示电流做功越快，但是电路中产生的焦耳热量的多

少还与做功的时间的长短和是否是纯电阻电路有关，A错误；

B.卬=5适用于任何电路，而卬=/次1=只适用于纯电阻电路，B正确；

R

C.在非纯电阻电路中，总功率大于热功率，UI>I2R,C正确；

D.焦耳热。=/刘适用于任何电路，口正确；本题选择错误的，故选A。

4.为了生活方便，电热水壶已进入千家万户，如果将一电热水壶接在220V的

电源两端，经时间加电热水壶的开关自动切断，假设热量的损失不计、加热丝的

阻值不受温度的影响.贝M)

A.如果将电热水壶接在110V的电源两端，需经2m的时间电热水壶的开关自

动切断

B.如果将电热水壶接在110V的电源两端，需经16m的时间电热水壶的开关自

动切断

C.如果将电热水壶接在55V的电源两端，需经4/0的时间电热水壶的开关自动

切断

D.如果将电热水壶接在55V的电源两端，需经16h的时间电热水壶的开关自

动切断

【答案】D

【详解】设电热水壶的电热丝的电阻为凡则经过加的时间，220V的电压产生

的热量为：Q=^-t0=^^t0.

KK

AB.若⑦=110V,需要产生相同热量。="4=增、可解得：「4缶故A项

RR

错误，B项错误.

CD.若。2=55V,需要产生相同热量开关才能自动切断：。=与4=空1小可解

RR

得：G=16f。；故C项错误，D项正确.

5.小雷同学家里购买了一款扫地机器人，如图所示，小雷同学仔细检查了这个

新扫地机器人，发现铭牌上标有如下表所示数据，则该扫地机器人（)

主机基本参数

产品尺寸345mm*345mm*96nlm

电池14.4V/5200mA-h锂电池

产品质量约3.8kg

无线连接WiFi智能快连

额定电压14.4V

额定功率55W

A.额定工作电流为0.25A

B.充满电后正常工作的时间为2.5h

C.电池充满电后储存的总电荷量为18720C

D.以额定电流工作时每小时消耗能量为55J

【答案】C

【详解】AD.由铭牌知，扫地机器人工作的额定电压为14.4V,额定功率为55W,

则额定电流/=^A=3.82A

每秒钟消耗能量W=P/=55J,AD错误；

BC.根据电池容量5200mA-h知，电池充满电后储存的总电荷量。=5.2Ax3600s

=18720C充满电后正常工作的时间/=空粤》句.3611,B错误，C正确。故选

Co

6.电动玩具汽车的直流电动机电阻一定，当加上0.3V电压时，通过的电流为

0.3A,此时电动机没有转动.当加上3V电压时，电流为1A,这时电动机正常工

作.贝1）（）

A.电动机的电阻是3。

B.电动机正常工作时的发热功率是3W

C.电动机正常工作时消耗的电功率是4W

D.电动机正常工作时机械功率是2W

【答案】D

【详解】A.当加上0.3V电压时电动机不转动，利用欧姆定律得"=选项

A错误；

BC.当加上3V电压时，消耗的电能一部分发热，一部分转化为了机械能.消耗

的电功率为

P=/U=lx3W=3W发热功率七=/2R=12><I=IW,BC错误；

D.根据能量关系，产生的机械功率为7=P-臬=3-1=2W,D正确.故选D。

7.如图所示为某一电路的一部分，其中N=10。，&=Rm=20Q,下列关于与、凡、

号消耗的电功率片、尸2、A,以及%、为、&两端的电压G、力、&的关系正

确的是（）

当

——11-----

—II~-------

A.Ut:U2:U3=1:2:2B.5：4=1:1:1

C.6：鸟：8=2:1:1D.片：鸟：鸟=1:2:2

【答案】BC

【详解】AB.&和&并联，并且它们的电阻也是相等的，设通过&、&的电流

大小都为/,那么通过用的电流大小为2/,所以与两端的电压为■=2阳，此、&

两端的电压分别为4=的、&=IR3

代入已知量得a=6=a故A错误，B正确；

CD.R1消耗的电功率为片=（2/）2片=4/24，生、&消耗的电功率分别为鸟=/迟、

代入已知量得不心里=2:1:1故C正确，D错误；故选BC。

8.电饭锅工作时有两种状态。一种是锅内水烧干前的加热状态，另一种是锅内

水烧干后保温状态，如图所示是电饭锅电路原理示意图，K是感温材料制造的开

关。下列说法中正确的是（）

A.其中心是供加热用的电阻丝

B.当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态

C.要使比在保温状态时的功率为加热状态的一半，2应为2：1

D.要使及在保温状态时的功率为加热状态时一半，合应为（夜T）：l

【答案】ABD

【详解】AB.如图所示，由夕=9得，当接通K时，电阻变小，功率变大，处

于加热状态；当断开K时，电阻变大，功率变小，处于保温状态，则及是供加

热用的电阻丝，当开关K接通时电饭锅为加热状态，K断开时为保温状态，故

AB正确；

CD.使比在保温状态时的功率为加热状态的一半，由P=/2R可得：电阻及在保

温与加热状态下的电流之比1:0,所以区+4）：6=3：1则4避=（e-1）：1故c

错误，D正确。故选ABD。

9..（2023•吉林省长春外国语学校高二上学期第一次月考）在如图所示的电路中，

输入电压。恒为8V,灯泡L标有“3V6W”字样，电动机线圈的电阻RM=1C。

若灯泡恰能正常发光，下列说法正确的是（）

u③L

A.整个电路消耗的电功率是10WB,电动机的输出功率8W

C.电动机的效率是80%D.流过电动机的电流是2A

【答案】D

p6

【解析】灯泡正常发光，则电路中的电流为/=/=aA=2A

由于电路串联，因此流过电动机的电流是2A,故D正确；整个电路消耗的功率

为4=〃=8Vx2A=16W

故A错误；灯泡正常发光时的电压等于其额定电压，故电动机的输入电压为

UM=