15. 电功与电热 | 万物有理

Step 1 谁是“电老虎”？

电能表转得飞快！

当你只开一盏 5W 的 LED 灯时，家里的电能表转得很慢。

但当你打开2000W 的空调时，电能表的转盘会疯狂加速。

⚡📟💨

🤔 思考： 转盘转得快，说明空调消耗电能比电灯。（提示：快 / 慢 / 多）

Step 2 核心概念

电功 ($W$) vs 电功率 ($P$)

🧱 具象类比：
电功 ($W$) = 搬砖的总数量（消耗了多少能量）。
电功率 ($P$) = 搬砖的速度（单位时间消耗多少能量）。

项目	电功 ($W$)	电功率 ($P$)
定义	消耗电能的总量	消耗电能的快慢
公式	$W = UIt = Pt$	$P = \frac{W}{t} = UI$
单位	焦耳 (J), 千瓦时 (kW·h)	瓦特 (W), 千瓦 (kW)
生活实例	一个月用了 100 度电	空调功率 1500W

📊 常见电器功率参考：

📱 手机充电: ~10W 📺 电视机: ~150W ❄️ 空调: ~1500W 🛁 热水器: ~2000W

⚠️ 易错警示：
1. 额定 vs 实际： 灯泡上标的“220V 60W”是额定功率。如果电压降低，实际功率也会降低 ($P_{实} = U_{实}^2/R$)，灯变暗。
2. 适用范围： $Q=W=UIt$ 仅适用于纯电阻电路（如电炉）。对于电动机（非纯电阻），电能 $W$ 大部分转化为机械能，只有少部分转化为热量 $Q$，此时 $W > Q$。

Step 3 极速烧水实验室

探究：电功率与发热速度

定量任务： 调节 U 或 R，观察升温速率的变化。功率翻倍，单位时间产生的热量也会显著提升。

⚡ 电压 (V) 220

🌀 电阻 (Ω) 48.4

Step 4 精打细算

电费计算器

一台 2000W 电暖器，使用 5 小时耗电多少？(电价 0.6元/度)

W × h

Step 5 安全警示

为什么大功率电器不能共用插排？

🛡️ 危险推导：

插排上的电器是并联的。
干路总电流 $I_{总} = I_1 + I_2 + \dots$。电器越多，总电流越大。
导线发热遵循焦耳定律：$$ Q = I^2 R t $$
热量与电流的平方成正比。电流翻倍，热量变为 4 倍！

📏 真实算例：

普通插排限制电流 10A。

若同时开启：
• 电磁炉 2000W ($I \approx 9.1\text{A}$)
• 电水壶 1500W ($I \approx 6.8\text{A}$)

总电流 $\approx 15.9\text{A}$

15.9A > 10A → 严重过载 → 导线起火！🔥

Step 6 拓展思考

翻转卡片探寻真相

💡

LED 灯为何更省电？

LED 灯的光电转化效率极高，产生相同亮度消耗的电能极少；而白炽灯将绝大部分能量变成了“热”。

⚙️

电动机是纯电阻吗？

不是。电动机消耗的电能主要转化为机械能。所以其总功要用 $W=UIt$ 计算，热量只能用 $Q=I^2Rt$。