师：今天我们一起学习高二物理粤教版第五章第一节电路中的能量。通过本节课，同学们要理解电功和能量转化的关系，知道焦耳定律的物理意义，能从纯电阻电路和非纯电阻电路的角度区分电功和电热，认识闭合电路中的能量关系。现代生活中，用电设备和用电器随处可见，像电灯、电视、电热水壶、电动汽车等。那这些用电器中的能量是怎么转化的呢？首先讲解电功率。我们来分析一段通电电路，在外加电源作用下，电路内有静电场，两端有电势差，自由电荷在电场力作用下定向移动形成电流。在静电场章节我们学过，电场力做功与路径无关，只与电荷量和电势差有关，即电场力做功(W = UQ)。在这个通电电路中，电场力不断搬运电荷通过导体，也会做功。
下面计算电场力（也就是静电力）做了多少功。根据电流定义(I = \frac{Q}{t})，可得在时间(t)内通过该电路任意截面的电荷量(Q = It)。若这段电路两端电势差为(U)，则静电力做功(W = UQ = UIt)。在电路中，我们把静电力对自由电荷做的功叫做电流的功，简称电功。静电力做功消耗了电势能，通过电路转化成别的形式的能，这一点稍后展开讲解。静电力做功的快慢，我们用电功率来描述。电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫电功率，用(P)表示。由(P = \frac{W}{t})，进而得到(P = UI)。这个公式表明，电流在一段电路中做功的功率(P)等于这段电路的电压与电流的乘积。大家思考一下，(P = UI)和(P = \frac{W}{t})两式的意义相同吗？
生：（思考后回答）它们意义不同，(P = \frac{W}{t})是功率的定义式，用做功除以相应时间，适用于计算各种情景中的功率；(P = UI)适用于计算一段电路上消耗的总电功率。
师：很好。要注意，电功率本质上指的是电路中静电力做功的功率，静电力做功消耗了电势能，简称电能，通过电路转化成其他形式的能。这里对电功率和电功做个要点小结：功和功率是力学中的概念，理解功和功率最终要落实到力上。电功率指的是电路内静电力搬运自由电荷通过该电路时做的功和功率，结合功、功率的定义以及电路中静电力做功的特点，得出(W = UIt)，(P = UI)。
下面我们探讨静电力做功将电能转化成了什么。在推导电功率公式(P = UI)的过程中，没对电路性质做任何要求，所以对任何性质的电路，都能用这个公式计算总的电功率。先研究只将电能转化为内能的电路，若电路只将电能转化为内能，这种电路叫纯电阻电路。在纯电阻电路中，由能量守恒定律(Q = W = UIt)，由欧姆定律(U = IR)，联立可得(Q = I^{2}Rt)，即电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比，这就是焦耳定律。电流通过导体产生的热量叫焦耳热，用产生的焦耳热除以时间得到发热功率，简称热功率，(P_{热}= I^{2}R)。下面做个例题帮助大家掌握公式。
例题：如图所示为某两个电阻的(UI)图像，求：1. 电阻之比(R_{1}:R_{2})；2. 若把两电阻串联后接入电路，消耗功率之比(P_{1}:P_{2})；3. 若把两电阻并联后接入电路，消耗功率之比(P_{1}':P_{2}')。
生：（思考做题后回答）第一问，通过(UI)图像发现(R_{1})、(R_{2})均为线性元件，不同电压下电压与电流比值确定，即电阻不随电流电压变化。根据欧姆定律可得(R_{1} = 6.0Ω)，(R_{2} = 3.0Ω)，所以(R_{1}:R_{2} = 2)。第二问，因为(R_{1})、(R_{2})为纯电阻，消耗功率与热功率相等，(P_{1}:P_{2} = P_{1热}:P_{2热} = I^{2}R_{1}:I^{2}R_{2})，又因为通过它们的电流相等，所以(P_{1}:P_{2} = R_{1}:R_{2} = 2)。第三问，纯电阻电路中欧姆定律成立，(P = UI = U×\frac{U}{R} = \frac{U^{2}}{R})，(R_{1})、(R_{2})有相同电压，所以它们消耗的功率与电阻成反比，即(P_{1}':P_{2}' = R_{2}:R_{1} = 1:2)。
师：非常好。特别注意，(P = \frac{U^{2}}{R})这个公式的得出用到了欧姆定律，所以只适用于纯电阻电路。下面我们进一步分析，讨论纯电阻和非纯电阻电路中能量转化的机理。先思考个问题：图中是一段通电导体，恒定电压下自由电荷在静电力作用下定向移动的速率会一直增加吗？为什么？
生：（思考后回答）不会。因为恒定电压下电流恒定，从微观上看就是自由电荷定向移动的速率恒定。原因是自由电荷定向运动与导体晶格发生碰撞，受到平均阻力与静电力平衡，撞击使热运动加剧，从而产生内能。
师：对。这个过程中静电力做多少正功就消耗多少电能，克服平均阻力做多少功就产生多少内能，这就是纯电阻电路中能量转化的机理。下面看非纯电阻电路，比如电动机，其核心部件由线圈绕制而成。电动机工作时，线圈的热功率怎么计算？欧姆定律成立吗？为什么？
生：（思考后回答）电流流过电动机线圈，自由电荷定向移动与晶格碰撞产生内能的机理，与纯电阻电路并无区别，所以热功率依然可以用(P = I^{2}R)计算。但欧姆定律不成立，由能量守恒定律可知，经过(t)时间电流做的功，消耗的电势能为(UIt)，产生内能(I^{2}Rt)并不相等，其差值转化为电动机输出的机械能，(UIt > I^{2}Rt)，即(UI > I^{2}R)，显然(I < \frac{U}{R})，欧姆定律不成立。本质原因是非纯电阻电路中静电力除了克服晶格阻力产生内能，还需克服其他形式的力，这部分就转变为其他形式的能。
师：完全正确。以电动机为例，电动机输出的机械功率(P_{机}= UI - I^{2}R)。再思考一下，(P = UI)和(P = I^{2}R)两式的意义相同吗？两者数值在什么条件下相等？
生：（思考后回答）(P = UI)是计算一段电路上电流（即静电力搬运电荷）的总功率，也就是消耗电能的功率；(P = I^{2}R)是计算一段电路上的热功率，也就是自由电荷定向移动撞击使热运动加剧产生内能的功率。如果该段电路为纯电阻电路，只有电能向内能的转化，二者才会相等。
师：很好。来做一道辨析题。例题：下列关于电功率和焦耳定律的说法中，正确的是（ ）
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 = UIt)适用于任何电路，而(W = I^{2}Rt = \frac{U^{2}}{R}t)只适用于纯电阻电路。