电能 电功

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电能电功能量转化

电能与电功

从电压电流到功率耗散，搞清电能在电路中如何流动、转化与被消耗

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电能电功能量转化

电能与电功

从电压电流到功率耗散，搞清电能在电路中如何流动、转化与被消耗

1第 1 页 · 电能与电功

什么是电能

电能的本质是能量的转换

什么是电能
电能的本质是能量的转换
2第 2 页 · 什么是电能

电能的单位：千瓦时

上页我们说电能是电荷流动做的功。可家里电表上跳的是'度'——这一度到底是多少能量？和物理课本里的焦耳什么关系？这页把它们连起来。

1千瓦时的定义
功率1千瓦的用电器连续工作1小时所消耗的电能
度与焦耳的换算
1度等于3.6×10⁶焦耳，焦耳是国际标准的能量单位
功率×时间=电能
用电器的电功率乘以工作时间，等于这段时间消耗的电能
为什么日常用度
焦耳单位太小，家用一天几百万焦耳，度数读写更方便
按吨买自来水对应 →按度买电

水表记录流量×时间=用水吨数，电表记录功率×时间=用电度数，都是把瞬时量折算成累计量按月结账

1 kWh=1000 W×3600 s=3.6×106 J1\ \text{kWh} = 1000\ \text{W} \times 3600\ \text{s} = 3.6 \times 10^{6}\ \text{J}
3第 3 页 · 电能的单位：千瓦时

电能表：电能的计量

上一页我们知道 1 千瓦时 = 1 度，是电能的单位。那家里的电表，是怎么一点点把「用了多少度」数出来的？

电能表的功能
累计记录电路消耗的电能总量，单位是千瓦时（kWh），俗称「度」
感应式结构
电流线圈与负载串联、电压线圈与负载并联，两线圈共同产生驱动磁场
铝盘的秘密
磁场驱动铝盘旋转；转数严格正比于电能，每转 N 圈对应 C 千瓦时（C 为电表常数）
读数方法
整数位从左到右读；最后一位红色为小数；两次读数之差 = 期间用电量
家里的水表对应 →电能表

水表累加流过的水体积，电能表累加消耗的电能，都是「计量累计量」

W消耗=W末次−W本次W_{\text{消耗}} = W_{\text{末次}} - W_{\text{本次}}
4第 4 页 · 电能表：电能的计量

电功是什么

手机充电时电池储存电能，玩手机时电能释放出来——电流推动电荷定向移动，把电能转化为光、声、热。这个'电流做功'的过程，就是电功。

电功的定义
电流通过用电器时所做的功，是电能转化为其他形式能的量度
本质是能量转化
电能→内能/光能/机械能等，转化的多少就是电功大小
决定因素
由电压U、电流I、通电时间t三者共同决定
与电能的关系
消耗多少电能，电流就做了多少电功——两者数值相同
水流推动水轮做功对应 →电流通过用电器做功

水位差↔电压，水流量↔电流，时间↔通电时间，水轮做功↔电功

$$W = UIt$$ W：电功（焦耳 J）；U：电压（伏特 V）；I：电流（安培 A）；t：时间（秒 s）
5第 5 页 · 电功是什么

电功公式的推导

两个基本定义一组合，W=UIt 就自然跳出来了。

1
电压定义
电压U是移动1库仑电荷电场做的功，所以电荷Q做的功 W = UQ
2
电流定义
电流I是每秒通过的电荷量，时间t内通过的电量 Q = It
3
代入合并
把Q=It代入W=UQ，三者相乘得到电功公式 W = UIt
6第 6 页 · 电功公式的推导

电功公式体系

从定义式 W=UIt 出发，看其他公式如何代入变换得到。

图解渲染中…
A：基本定义式 W=UIt，所有电路通用B：已知功率时直接套 W=PtC：已知电荷量时用 W=qUD：W=I²Rt 仅适用于纯电阻电路
7第 7 页 · 电功公式体系

电能与电功的区别

数值上相等、公式上相同，但物理书造了两个：电能讲"储存"，电功讲"消耗"，角度不同。

电能
  • 本质：能量的一种存在形式
  • 视角：状态量——电路里有多少
  • 常用单位：焦耳 / 千瓦时
  • 强调：储存、拥有
电功
  • 本质：电流做的功
  • 视角：过程量——电流做了多少
  • 常用单位：焦耳
  • 强调：消耗、转化
电能=状态量，电功=过程量。电表显示多少、电池储存多少——是电能；电流消耗多少、转化为其他能——是电功。数值相等，角度不同。
8第 8 页 · 电能与电功的区别

核心理解自测

点击作答

电热水壶标 '220V 1000W'，实际接在 200V 电源上工作 2 分钟（电阻视为不变）。下列哪种电功计算是正确的？

9第 9 页 · 核心理解自测

知识要点回顾

  • ✓电能是状态量，电功是过程量，数值相等但本质不同
  • ✓W=UIt 是推导式而非定义式，背后是能量守恒
  • ✓1 度=3.6×10⁶ 焦耳，本质是时间单位的换算
  • ✓公式体系以 UIt 为母式，其余皆为欧姆定律下的变形
延伸主题：焦耳定律与电热的精确计算电功率与用电器的额定值串并联电路中电功的分配规律
10第 10 页 · 知识要点回顾

课后思考

先自己想想，再对照下面的思路——好问题往往没有唯一答案，重要的是思考的过程。

1电能是「能量」，电功是「做的功」，为什么它们的单位却完全相同（都是焦耳）？这背后说明了什么？

参考答案电功就是量度电能转化的物理量。做功的过程就是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，所以电功数值等于转化的电能数值，单位自然相同。

2一台标有「220V 100W」的灯泡正常通电 1 小时，消耗的电能是多少？请用焦耳和千瓦时各算一次，并说明它们为何描述同一件事。

参考答案P=100W、t=3600s，W=Pt=3.6×10⁵ J；换算：W=0.1 kW×1h=0.1 kWh。数值不同、单位不同，但描述的是同一份电能——这正是单位换算的价值。

3纯电阻电路里 W=UIt 恰好等于电热 Q=I²Rt。如果接入电动机（电能大部分转化为机械能），两式还相等吗？为什么？

参考答案不再相等。UIt 是消耗的总电能（内能+机械能+…），I²Rt 只是其中转化为内能的部分。W>Q，差额就是转化为机械能等其他形式的电能。

11第 11 页 · 课后思考