1、 12.6 焦耳定律 电路中的能量转化 教案一教材分析 学生在初中已经接触过焦耳定律的内容，为本节课的学习打下了一定的基础，但高中阶段将从电场力做功及能量转化和守恒等角度来研究焦耳定律，这对学生的学习提出了更高的要求。本节课所涉及的能量观点，是研究电学问题和其他物理问题的重要方法。另外，这一节的内容在实际中有广泛而重要的运用，所以，本节课不但是物理知识的传授课，更是物理方法和思想的渗透课。在教学中应该充分联系实际，以便巩固和加深对基本知识的理解，掌握实际问题中的原理。二教学目标 （一）知识与技能1. 从电能向其他形式能转化的角度理解电功及电功率2. 掌握焦耳定律的内容，能运用焦耳定律进行计算
2、3.从能量的转化理解电功和电热的区别，知道纯电阻电路和非纯电阻电路的区别（二）过程与方法通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养学生的分析、推理能力（三）情感、态度与价值观通过电能与其他形式能量的转化和守恒，进一步渗透辩证唯物主义观点的教育三重点难点 重点：电流做功的表达式的推导，电功和电热的计算难点：纯电阻电路和非纯电阻电路在能量转化过程中的区别四、学情分析学生学好这节知识是非常必要的， A.重点：理解电功和电功率和焦耳定律。B.难点：帮助学生认识电流做功和电流通过导体产生热量之间的区别和联系是本节的教学难点，防止学生乱套用公式。C.关键：本节的教学关键是做好通电导体放出的热量与哪些因素有关的
3、实验。在得出了焦耳定律以后介绍焦耳定律公式及其在生活、生产上的应用五教学方法与手段 1采用问题解决方式，引导学生联系前面电场力的知识，推导电流做功的表达式2密切联系实际，通过实例分析让学生明确各种电能与其他形式的能的转化情况3进行演示实验，让学生明确纯电阻电路与非纯电阻电路在能量转化时的区别六课前准备 教学媒体 多媒体课件、滑动变阻器、小电风扇、电压表、电流表、电源、电键、导线知识准备 电场力对运动电荷做功的求法、欧姆定律教 学 过 程导入新课 事件 1教学任务：创设情境，导入新课师生活动：2生活情景导入：问题 1：同学们，你们自己在家写作业的时候，有没有偷偷看看过电视啊？爸爸妈妈回家后，有没
4、有发现你看过电视？他们是怎么发现的呢？ 学生回答：有。有。摸一下电视热。怎么摸一下热就知道了呢？今天我们就通过学习焦耳定律来发现其中的奥秘。推进新课 事件 2 教学任务：推导电流做功的表达式师生活动：思考并讨论：(多媒体打出画面 )一段导体长为 L，横截面积为 S，电阻为 R，在导体两端加上电压 U，通过导体的电流为 I。图 2.51 推导电流做功的表达式(1)结合此模型说出电流做功实质上是怎样的？参考答案：电流做功的实质是电路中电场力对定向移动的电荷做功。(2)利用学过的知识，推导一下经过时间 t，电流做的功。可能出现的结果：学生无从下手。可通过问题引导学生思考并推导出公式来。请同学们思考下
5、列问题：(1)电场力做功的定义式是什么？ (2)电量的定义式是什么？参考答案：(1)在第一章里我们学过电场力对电荷的功，若电荷 q 在电场力作用下从 A搬至 B， AB 两点间电势差为 UAB，则电场力做功 WqU AB。(2)电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流 I，在时间 t 内，通过这段电路上任一横截面的电荷量 qIt。这相当于在时间 t 内将这些电荷 q 由这段电路的一端移到另一端。对于一段导体而言，两端电势差为 U，把电荷 q 从一端搬至另一端，电场力的功WqU，在导体中形成电流，且 qIt(在时间间隔 t 内搬运的电荷量为 q，则通过导体截面电荷量为 q，Iq/t
6、)，所以 WqU IUt。这就是电路中电场力做功即电功的表达式。结论：电功(1)定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。(2)表达式：WIUt物理意义：描述电流做功的多少。适用条件：I、U 不随时间变化恒定电流。单位：焦耳(J) 1 J1 VAs。【注意】功是能量转化的量度，电流做了多少功，就有多少电能减少而转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少，这是电路中能量转化与守恒的关键。事件 3教学任务：推导电功率的表达式。师生活动：问题引导：在相同的时间里，电流通过不同用电器所做的功一般不同。(例如，在相同时间里，电流通过电力机车的电动机所做的功要显著大于
7、通过电风扇的电动机所做的功。)电流做功不仅有多少，而且还有快慢，如何描述电流做功的快慢呢？3参考答案：可以用单位时间内电流所做的功，即电功率表示做功的快慢。结论：电功率。(1)定义：单位时间内电流所做的功。(2)表达式：P IU(对任何电路都适用)。Wt(3)单位：瓦特(W) ，1 W 1 J/s。【说明】电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”不同。电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少。(4)额定功率和实际功率额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下的功率称额定功率。实际功率：用电器在实际电压下的功率。实际功率 P 实 IU，U、I 分别为用电器两端实际电压
8、和通过用电器的实际电流。【说明】最后应强调：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里 WIUt 是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。事件 4教学任务：焦耳定律师生活动：思考并讨论：电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能，这就是电流的热效应。那么，电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关呢？我们可以设计什么样的实验来验证我们的猜想呢？学生猜想并讨论设计实验方案最后展示观看实验视频加深印象对焦耳定律进行公式推导，互相验证。结论：(1)焦耳定律：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体电阻
9、和通电时间成正比表达式：QI 2Rt(2)热功率：单位时间内的发热量，即 PQ/tI 2R思考并讨论：电路中电流对导体做的功是否等于导体内产生的热量呢？可能出现的结果：学生一般认为，WIUt，又由欧姆定律， UIR，所以得出WI 2Rt，电流做这么多功，所以，放出热量 QWI 2Rt这里有一个错误：QW，可通过问题引导学生思考并找出来：何以见得电流做功全部转化为内能增量？有无可能同时转化为其他形式能？什么电路中 QW？什么电路中 WQ？(W Q)？为什么？举实例欧姆定律 I 及变形公式适用条件是什么？为什么？UR参考答案：(1)电流有可能转化为其他形式的能。如：电吹风、电解槽、电池。(2)对纯
10、电阻电路(只含白炽灯、电炉等电热器的电路 )中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功 WQ ，这时 WQUIt I 2Rt；关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等，这时 WQ，即 WQ E 其他 或PP 热 P 其他 、UII 2RP 其他 。4(3)欧姆定律 I 及变形公式适用条件是纯电阻电路。UR【实验】如何用玩具小风扇验证电功率和热功率不相等？参考答案：(用投影仪投影出电路图，能分组实验时，引导学生按图接好电路，并提醒学生注意电表的正负极，以及滑动变阻器滑动片的初始位置。)先用夹子夹住电动机 M 转轴使其不能转动，闭合电键，移动变阻器滑片，记
11、下伏特表读数 U10.3 V，电流表的读数 I10.3 A，并测出电阻为 1，松开夹子，使电动机转轴转动，移动变阻器滑片，使伏特表读数 U22.0 V ，电流表的读数 I20.8 A，分别记入下表，请同学们计算两种情况下电功率 P1 和热功率 P2。工作状态 U/V I/A P1/W P2/W不转动 0.3 0.3 0.09 0.09转动 2.0 0.8 1.6 0.64由上述数据得出：在第一种情况下电功率的值等于热功率的值。这证明在纯电阻电路中，电能只转化为内能，这个转化过程是通过电流做功来实现的，所以电功率等于热功率。第二种情况下电功率大于热功率，这证明在非纯电阻电路中，即电路中有电动机(
12、或电解槽) 时，电能不仅要转化为内能，而且还有一部分要转化为机械能( 或化学能)，所以，电能要大于内能，即电功率大于热功率，但是，电能总等于电动机(或电解槽) 的机械能(或化学能) 和电阻增加的内能之和。【总结】(1)对纯电阻电路(只含白炽灯、电炉等电热器的电路 )中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功 W 等于电热 Q；这时 WQUIt I 2Rt。(2)PIU 和 PI 2R 都是电流的功率的表达式，但物理意义不同。PIU 对所有的电路都适用，而 P I2R 只适用于纯电阻电路，对非纯电阻电路( 含有电动机、电解槽的电路)不适用。关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外
13、，还转化为机械能、化学能等。这时 W Q。即 WQ E 其他 或 PP 热 P 其他 、UII 2RP 其他 。Error!例 1 一个电动机，线圈电阻是 0.4，当它两端所加的电压为 220V 时，通过的电流是5A。这台电动机每分钟所做的机械功有多少？解：电动机消耗的电功率 P 电 、电动机的发热功率 P 热 、转化为机械能的功率 P 机 。三者之间遵从能量守恒定律:P 电 P 热 +P 机由焦耳定律:电动机的热功率为: P 热 I 2R消耗的电功率为: P 电 IU因此电动机所做机械功的功率: P 机 P 电 P 热 IUI 2R根据功率与做功的关系，电动机每分钟所做的机械功为:WP 机
14、t=(IU 一 I2R)t=(5220-520.4) 60J =6.5104J5当堂训练1下列关于电功、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 适用于任何电路，而 只适用于纯电阻的电路UItWtRUIW22C在不是纯电阻的电路中， D焦耳热 适用于任何电路RtQ22一只电炉的电阻丝和一台电动机线圈电阻相同，都为 R，设通过它们的电流相同(电动机正常运转)，则在相同时间内( )A.电炉和电动机产生的热量相同B.电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率C.电炉两端电压小于电动机两端电压D.电炉和电动机两端电压相等3理发用的电吹风机中有电动机和电热丝
15、，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，得到热风将头发吹干。设电动机线圈电阻为 R1，它与电热丝电阻值 R2 串联后接到直流电源上，吹风机两端电压为 U，电流为 I，消耗的功率为 P，则有 ( )APUI BPI 2(R1R 2)CP UI DPI 2(R1R 2)4有一个直流电动机，把它接入 0.2V 电压的电路时，电动机不转，测得流过电动机的电流是 0.4A，若把它接入 2V 电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是 1A。求：（1）电动机正常工作时的输出功率 ； （2）如在正常工作时，转子突然被卡住，此时电动机的发热功率多大？答案：1.BCD 2.ABC 3.AD 4.(1). 1.5W
16、 (2). 8W课堂小结1电功 W： WIUt2电功率 P： P IUWt3焦耳定律：QI 2Rt热功率： P I 2RQt注：(1)纯电阻电路， WQUIt I 2Rt(2)非纯电阻电路， WQE 其他 或 PP 热 P 其他板 书 设 计65 焦耳定律1电功定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功公式：WIUt单位：焦耳，符号 J2电功率(1)定义：单位时间内电流所做的功公式：P IUWt单位：瓦特(W)，1 W 1 J/s(2)额定功率 实际功率3焦耳定律内容：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体电阻和通电时间成正比公式：QI 2Rt热功率：单位时间内的发热量，即 P I 2RQt单位：瓦特(W)，1 W 1 J/s注：(1)纯电阻电路， WQUIt I 2Rt(2)非纯电阻电路， WQE 其他 或 PP 热 P 其他
