师：同学们好，今天我们来学习第十二章第一节电路中的能量转化。先看本堂课的学习目标：一、理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质；二、理解焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象；三、从能量转化和守恒的角度理解电功和电热的区别。

　　现代生活离不开电，比如家庭常用电热水壶加热水。电热水壶通电到水沸腾，这一过程消耗了电能，什么形式的能增加了呢？我们知道是内能增加，这里发生的能量转化是电能转化为导体的内能，导体再对水加热，最终转化为水的内能。生活中还有很多用电设备，像电风扇的电动机通电消耗电能，电动汽车充电也消耗电能，这些电能最终转化成什么形式的能呢？电热水壶消耗电能转化为内能，电风扇的电动机消耗电能主要转化为机械能，电动汽车充电过程电能主要转化为化学能。这些用电器通电后，电能转化为其他形式能的过程各不相同。接下来，我们一起探讨电路中消耗电能过程的本质，并在实际问题中进一步思考电路中的能量转化。

　　同学们，前面学过功与能的相关知识，请回顾一下，功和能之间有什么关系呢？根据之前的学习，我们知道功是能量转化的量度，做功过程伴随着能量改变。比如重力做功，重力势能改变；弹簧弹力做功，弹性势能改变；静电力做功，电势能改变；合外力做功，动能改变；除重力或弹力外，其他力做功，机械能改变。用电器通电，电能转化为其他形式的能，是什么力做功使电能减少的呢？我们用这样一个回路分析，电路接通，电流由电源正极经用电器流向负极，电场也由正极经用电器指向负极。截取其中一小段并放大，以其中一个自由电子为例，分析它在什么力作用下定向移动。画出电场线水平向左，自由电子受到的静电力与电场线方向相反，即向右，所以自由电子向右定向移动，形成向左的电流。静电力对自由电子做功，电势能减少。根据能量守恒定律可知，电能减少，其他形式的能增加。可见，用电器通电，电能转化为其他形式的能是通过导体中恒定电场对自由电荷的静电力做功实现的，这一过程也称为通过电流做功实现。根据前面的分析，同学们能不能总结出电流做功的实质呢？前面分析得到，自由电荷受到导体中恒定电场的静电力作用，在静电力作用下定向移动，静电力对自由电荷做正功，电荷的电势能减少，其他形式的能增加，所以电流做功的实质就是导体中恒定电场对自由电荷的静电力在做功。

　　根据功能关系，还能得出电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。知道电能转化为其他形式的能是通过电流做功实现的，所以可以从电流做功的角度推导电功的表达式。如图，一段电路两端电压为(U)，通过的电流为(I)，电荷从左向右定向移动，通过这段电路的时间为(t)，来推导电功的表达式。根据静电力做功与电压的关系(W = UQ)，再根据电流的定义式(I = \frac{Q}{t})，变形可得(Q = It)，代入可得电功的表达式(W = UIt)。也就是说，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(I)、通电时间(t)三者的乘积。这个公式适用于一切电路。

　　有同学学了电功知识后，发现家里电吹风除关闭档外，还有高档和低档两个档位，他觉得这两个档位电功不一样，这种说法正确吗？显然是错误的，高档和低档不是指做功多少，而是指做功快慢。所以有必要引入一个物理量来表示电流做功的快慢，这个物理量就是电功率。定义电流在一段电路中所做的功与通电时间之比为电功率，用(P)表示，即(P = \frac{W}{t})。这种定义方式是通过物理量之比定义新物理量，前面学过的电流(I = \frac{Q}{t})也是如此。左边被定义的物理量与右边之比的两个物理量之间没有必然联系，不能说做功多功率就大，也不能说做功时间短功率就大，更不能说功率与做功成正比、与时间成反比。只能说时间相同，做功越多功率越大；做功相同，所需时间越短，功率越大。将电功(W = UIt)代入消去时间(t)，可得(P = UI)，即电流在一段电路中做功的功率(P)等于这段电路两端的电压与电流的乘积。这个公式也适用于一切电路，电功率的物理意义是表示电流做功的快慢。

　　前面说的电吹风高档低档指的就是电功率不同，高档功率大，吹头发快；低档功率低，吹头发稍慢。下面来看电功和电功率的单位。电功国际单位是焦耳，简称焦，符号(J)，常用单位是千瓦时，俗称度，就是平时家里用电说的几度的“度”，符号(kW·h)。用电能表测量，(1)度( = 1kW·h = 3.6×10^{6})焦耳。电功率的国际单位是瓦特，简称瓦，符号(W)，常用单位是千瓦，符号(kW)，(1kW = 10^{3}W)。电功率是标量，相加遵循代数相加法则。

　　来看一道训练题：一根电阻丝在(t)时间内通过(2)库仑的电量时消耗的电能是(8)焦耳，求该电阻丝在(t)时间内电流所做的功(W)和该电阻丝两端所加的电压(U)分别为多少。根据功能关系，电路中消耗多少电能就做了多少电功，即(W = 8)焦耳，再根据静电力做功与电压的关系代入可解得电压为(4)伏，所以此题选(A)。

　　电热水器工作时消耗电能转化为加热管的内能，进而对水加热，使水温度升高。通电后温度升高，电流通过电热水器的电热元件做功，电能全部转化为导体的内能。像电热水器这样消耗电能全部转化为内能的用电器，我们从能量转化和守恒的角度推导热量的表达式。设通过电热水器的电流大小为(I)，加热管电阻为(R)，通电时间为(t)。因为电能全部转化为内能，设电路中产生的热量为(Q)，根据能量转化与守恒可知(Q = W = UIt)。再根据欧姆定律(U = IR)，代入可得电热的表达式(Q = I^{2}Rt)。这个规律是焦耳通过实验获得的，我们称之为焦耳定律，即电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻和通电时间成正比。进而可以推导出电流热功率的表达式，由电热(Q = I^{2}Rt)，热功率(P_{热}=\frac{Q}{t})，代入可得热功率的表达式(P_{热}= I^{2}R)。为了区别于电功率，加一个下标“热”。此公式也适用于一切电路。

　　来看训练二：一台电动机线圈电阻是(0.4)欧姆，当它两端所加电压为(220)伏时，通过的电流是(5)安培。求：一、电动机(5)秒内的电功(W)和电热(Q)；二、电动机的电功率(P_{电})和发热功率(P_{热})。由电功表达式(W = UIt)，代入得(5500)焦耳。由焦耳定律可知，电动机(5)秒内的电热(Q = I^{2}Rt)，代入数据等于(50)焦耳。电动机消耗的电功率(P_{电}= UI)，代入数据(1100)瓦。电动机所消耗的热功率(P_{热}= I^{2}R)，代入数据(10)瓦。我们发现电动机在(5)秒内的电功和电热并不相等，电功率也不等于热功率，而且相差很大。如果电路中含有电动机，电能是如何转化的呢？