电路发生变化时,先问:每秒转移了多少能量,能量去了哪里。连接两者的是功率:P = I × V,转移的能量是 E = P × t。
这个技能属于混合任务中的物理推理,因为同一个能量概念可以解释灯、加热器和电动机。下面的数字都是为教学而编的。
怎样把现象变成能量表述?
灯更亮,是因为每秒以光和热的形式转移的能量更多。功率正是衡量这件事的量,单位是瓦特,所以更亮的灯功率更大。
功率取决于两个可测量的量:流过灯的电流(安培,A)和灯两端的电势差(伏特,V)。两者相乘得到瓦特,再乘以以秒为单位的时间,就得到焦耳。
一步一步怎么算?
- 把现象写成能量转移的变化:每秒的能量变多还是变少。
- 列出数值和单位:电流 I、电势差 V、时间 t。
- 用 P = I × V 计算功率。
- 把时间换成秒,再用 E = P × t 计算能量。
- 说明能量去了哪里,例如电能转化为光能和热能。
例题
一盏灯接在 6.0 V 电源两端,电流表读数为 0.50 A。求它的功率,以及 20 s 内转移的能量。
**第 1 步,现象:**灯稳定发光,所以能量在持续转移。
**第 2 步,数值:**V = 6.0 V,I = 0.50 A,t = 20 s。
**第 3 步,功率:**P = I × V = 0.50 × 6.0 = 3.0 W。
**第 4 步,能量:**E = P × t = 3.0 × 20 = 60 J。
换一条路线检查:电荷量 Q = I × t = 0.50 × 20 = 10 C,能量 = Q × V = 10 × 6.0 = 60 J,两种方法结果一致。
**第 5 步,能量去向:**电能转化为光能,并以热能的形式散到周围环境。
要留意什么错误?
常见的错误是时间没有换成秒。
**错误解法:**同一盏灯亮 2 分钟,所以 E = 3.0 × 2 = 6 J
瓦特是焦耳每秒,所以时间必须用秒。
纠正方法是先换算:2 分钟 = 120 s,所以 E = 3.0 × 120 = 360 J。也可以做个合理性检查:每秒转移 3 J 的灯,两分钟不可能只转移 6 J。
自我检测
先自己算,再打开答案。
1. 加热器的电热丝在 12 V 下电流为 2.0 A,功率是多少?
显示答案
P = I × V = 2.0 × 12 = 24 W。
2. 这个 24 W 的加热器在 30 s 内转移多少能量?
显示答案
E = P × t = 24 × 30 = 720 J。
3. 再加一个电池后,例题中的灯变亮了。请用能量来解释,不需要新数据。
显示答案
灯两端的电势差增大,电流也随之增大。功率 P = I × V 上升,表示每秒有更多电能转化为光能和热能。
接下来学什么?
能量转移也是理解加热的关键,所以接着学用两种模型解释热学变化。想看这一课在整个单元中的位置,请回到混合任务中的物理推理。
不少学生每个公式都会用,但题目从现象而不是数字出发时就犹豫了。这个差距正是我们的老师会处理的,详见一对一线上综合科学补习。