高中物理 12 电能、能量守恒定律、电热

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电能

电能的概念：电能是指电以各种形式做功的能力。电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，如电动机工作时，电能转化为机械能；电热水器工作时，电能转化为内能。

电功的计算：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\(I\)和通电时间\(t\)的乘积，即\(W = UIt\)。电功的单位是焦耳，简称焦，符号是\(J\)。在日常生活中，常用千瓦时\((kW\cdot h)\)作为电功的单位，\(1kW\cdot h = 3.6\times10^{6}J\)。

能量守恒定律

内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

在电路中的体现：在闭合电路中，电源将其他形式的能转化为电能，电能在电路中通过电流做功，又转化为其他形式的能，如内能、机械能、光能等。例如，在一个包含电阻、电动机等元件的电路中，电源提供的电能一部分转化为电阻的内能，一部分转化为电动机的机械能，总的能量保持守恒。

焦耳定律

内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。

公式：\(Q = I^{2}Rt\)，这是焦耳定律的定量表达式。对于纯电阻电路，电流做功全部转化为内能，此时\(Q = W = UIt = I^{2}Rt=\frac{U^{2}}{R}t\)；而对于非纯电阻电路，如电动机，电流做功一部分转化为内能，一部分转化为机械能，此时\(Q\neq W\)，只能用\(Q = I^{2}Rt\)来计算产生的热量。

电热的应用与防止

应用：电热器是利用电流的热效应工作的设备，如电热水器、电暖器、电烙铁等。这些电热器通过电阻丝发热，将电能转化为内能，从而达到加热或焊接等目的。在设计和使用电热器时，通常会根据需要选择合适的电阻材料和电阻值，以控制产生热量的多少。

防止：在一些电气设备中，电热可能会导致设备温度过高，影响设备的性能和寿命，甚至引发安全事故。为了防止电热带来的危害，通常会采取一些散热措施，如在电动机、变压器等设备中安装散热风扇或散热片，以加快热量的散发；在电线的选择上，要根据电流的大小选择合适的导线截面积，防止因电流过大而产生过多的热量，引发火灾等事故。

电路中的能量转化效率

定义：在电路中，能量转化效率是指有用能量与总能量的比值，通常用百分数表示。例如，在一个电动机电路中，电动机输出的机械能为有用能量，电源提供的电能为总能量，能量转化效率\(\eta=\frac{W_{有}}{W_{总}}\times100\%=\frac{E_{机}}{UIt}\times100\%\)。

提高效率的方法：提高电路的能量转化效率可以从多个方面入手。对于电热器等纯电阻电路，可以选择电阻率较小的电阻材料，以减小电阻，降低电能的损耗；对于非纯电阻电路，如电动机，可以通过优化电机的设计和制造工艺，减小电机内部的能量损耗，提高机械能的输出，从而提高能量转化效率。

电能、能量守恒定律以及电热等内容是高中物理电学部分的重要知识点，它们不仅有助于深入理解电路的工作原理和能量转化过程，而且对于解决实际的电路问题和提高能源利用效率具有重要的指导意义。