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2019-2020年高中物理 第3節(jié) 焦耳定律教案 魯科版選修3-1 【教學(xué)目的】 （一）知識(shí)與技能 1．理解電功、電功率的概念，公式的物理意義。了解實(shí)際功率和額定功率。 2．了解電功和電熱的關(guān)系。了解公式Q=I2Rt（P=I2R）、Q=U2t/R（P=U2/R）的適應(yīng)條件。 3．知道非純電阻電路中電能與其他形式能轉(zhuǎn)化關(guān)系，電功大于電熱。 4．能運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)解決簡(jiǎn)單的含電動(dòng)機(jī)的非純電阻電路問(wèn)題。 （二）過(guò)程與方法 通過(guò)有關(guān)實(shí)例，讓學(xué)生理解電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程。 （三）情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)學(xué)習(xí)進(jìn)一步體會(huì)能量守恒定律的普遍性。 二、教學(xué)重點(diǎn)：區(qū)別并掌握電功和電熱的計(jì)算。 三、教學(xué)難點(diǎn)：主要在學(xué)生對(duì)電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系缺乏感性認(rèn)識(shí)，接受起來(lái)比較困難。 【教學(xué)媒體】 【教學(xué)安排】 【新課導(dǎo)入】 問(wèn)題導(dǎo)入： 提出問(wèn)題1——通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，可知導(dǎo)體內(nèi)自由電荷在電場(chǎng)力作用下發(fā)生定向移動(dòng)，電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷做功嗎？（做功，而且由于電荷是在電場(chǎng)力作用下正電荷由高電勢(shì)移向低電勢(shì)，負(fù)電荷由低電勢(shì)移向高電勢(shì)，所以電場(chǎng)力在電源外面的電路中做正功） 提出問(wèn)題2——電場(chǎng)力做功將引起能量的轉(zhuǎn)化，使電能轉(zhuǎn)化為其他形式能，請(qǐng)舉出一些大家熟悉的例子。（如電動(dòng)機(jī)將電能→機(jī)械能；電熱器將電能→內(nèi)能，電解槽將電能→化學(xué)能。） 我們把這些通過(guò)電場(chǎng)力做正功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的元件叫做用電器。 本節(jié)課將重點(diǎn)研究電路中用電器的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題。 【新課內(nèi)容】 1. 電功 教師邊講授邊板書(shū)：1、用電器——將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能 2、電功 （1）定義：電路中電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，簡(jiǎn)稱(chēng)電功，通常也說(shuō)成是電流的功。 （2）實(shí)質(zhì)：能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律在電路中的體現(xiàn)。 電能通過(guò)電流做功轉(zhuǎn)化為其他形式能。我們?cè)谏弦徽吕飳W(xué)過(guò)電場(chǎng)力對(duì)電荷的功，若電荷q在電場(chǎng)力作用下從A搬至B，且AB兩點(diǎn)間電勢(shì)差恒為UAB，則電場(chǎng)力做功W=qUAB。 對(duì)于一段導(dǎo)體而言，兩端電勢(shì)差恒為U，把電荷q從一端搬至另一端，電場(chǎng)力的功W=qU，在導(dǎo)體中形成電流，且q=It，（在時(shí)間間隔t內(nèi)搬運(yùn)的電量為q，則通過(guò)導(dǎo)體截面電量為q，I=q/t），所以W=qU=ItU。這就是電路中電場(chǎng)力做功即電功的表達(dá)式。 （3）表達(dá)式：W=IUt 說(shuō)明：①表達(dá)式的物理意義：電流在一段電路上的功，跟這段電路兩端電壓、電路中電流和通電時(shí)間成正比。 ②適用條件：I、U不隨時(shí)間變化——恒定電流。 （4）單位：電流單位用安培（A），電壓?jiǎn)挝挥梅╒），時(shí)間單位用秒（s），則電功的單位是焦耳（J）。 （5）電功率 電流做功不僅有多少之分，還有快慢之分，電流做功的快慢叫做電功率。即單位時(shí)間內(nèi)電流做功的多少。請(qǐng)推導(dǎo)電功率的表達(dá)式。（P=W / t= U I t / t=U I ） u 表達(dá)式：P=UI—電路上的電功率大小等于這段電路兩端電壓和電路中電流的乘積。 ②單位：功的單位用焦耳（J），時(shí)間單位用秒（s），功率單位為瓦特（W）。1W=1J/s 這里應(yīng)強(qiáng)調(diào)說(shuō)明：推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)用到任何特殊電路或用電器的性質(zhì)，電功和電功率的表達(dá)式對(duì)任何電壓、電流不隨時(shí)間變化的電路都適用。再者，這里W=IUt是電場(chǎng)力做功，是消耗的總電能，也是電能所轉(zhuǎn)化的其他形式能量的總和。 4.額定功率和實(shí)際功率 電功率是衡量用電器電流做功快慢，或者說(shuō)衡量其消耗電能的快慢程度。電功率越大，該用電器在同一時(shí)間內(nèi)消耗電能越多。為了使用電器安全、正常地工作，對(duì)用電器工作電壓和功率都有規(guī)定數(shù)值。在家用電器或工廠電器設(shè)備的銘牌上，都鐫刻有該設(shè)備正常工作的額定電壓和額定電功率。 ③　額定功率：用電器正常工作時(shí)所需電壓叫額定電壓，在這個(gè)電壓下消耗的功率稱(chēng)額定功率。 一般說(shuō)來(lái)，用電器電壓不能超過(guò)額定電壓，但電壓低于額定電壓時(shí)，用電器功率不是額定功率，而是實(shí)際功率。 ④實(shí)際功率P=IU，U、I分別為用電器兩端實(shí)際電壓和通過(guò)用電器的實(shí)際電流。 讀書(shū)P56/洗衣機(jī)的銘牌的參數(shù)：牌上標(biāo)明最大電流10A，而對(duì)應(yīng)可算出其最大工作功率為2200W；不同工作狀態(tài)下有不同的額定電流，洗滌時(shí)不需要用到10A的電流，所以其洗滌的正常功率小于最大功率。同時(shí)，由于機(jī)器經(jīng)常在實(shí)際電壓低于額定電壓，（如夏天用電高峰時(shí)的電燈電壓只有不到200V，則此時(shí)的燈光昏黃，實(shí)際功率低于額定功率。 2. 電熱 初中我們已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)探究過(guò)，電流在通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體要發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。這就是電流的熱效應(yīng)，描述它的定量規(guī)律是焦耳定律。 很多同學(xué)都會(huì)認(rèn)為，W=IUt，電流做這么多功，把相應(yīng)的電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能（即為放出熱量）Q=W=UIt。這里有一個(gè)錯(cuò)誤，大家能發(fā)現(xiàn)嗎？（學(xué)生討論） 錯(cuò)在Q=W，電流做功一定都把電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能增量嗎？有沒(méi)有可能同時(shí)轉(zhuǎn)化為其他形式能？所以電功與電熱是兩個(gè)不同的概念。公式不能隨便亂用。那么電熱該用是什么公式計(jì)算呢？ 英國(guó)物理學(xué)家焦耳，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究后提出焦耳定律。 板書(shū)：2、電熱：電流熱效應(yīng)（電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體要發(fā)熱） （1）焦耳定律內(nèi)容：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，跟電流的平方、導(dǎo)體電阻和通電時(shí)間成正比。 （2）表達(dá)式：Q=I2Rt 為什么電流通過(guò)導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生焦耳熱呢？ 這是因?yàn)榻饘僦凶杂呻娮釉陔妶?chǎng)力作用下定向移動(dòng)，由于電場(chǎng)做功，電子動(dòng)能增加，但不斷地與晶格（原子核點(diǎn)陣）碰撞，不斷把能量傳給晶格，使晶格中各粒子在平衡位置附近的熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而溫度升高。 同樣的，（3）單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電熱稱(chēng)為熱功率P=I2R。 3. 電功與電功率和電熱與熱功率的比較： （1） 純電阻電路中 如果電流做功使電能完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，我們把這樣的用電器叫做純電阻，對(duì)于純電阻，有Q=I2Rt=I IRt=IUt=W可以推出U=IR（歐姆定律）即歐姆定律只能適用于純電阻（金屬導(dǎo)體和通常壯態(tài)下的電解質(zhì)溶液）對(duì)氣態(tài)導(dǎo)體和其它一些導(dǎo)電原件（電子管，熱敏電阻）不適用。對(duì)電路而言，它只對(duì)一段不含電源的導(dǎo)體成立。如果電流做功還使電能轉(zhuǎn)化為其他能，則電功大于電熱。 板書(shū)：（1）對(duì)純電阻（U=IR）而言，W=Q=UIt=I2Rt=U2t/R。P電=UI=P熱=I2R=U2/R。 （2） 非純電阻電路（以含電動(dòng)機(jī)電路為例） 非純電阻電路中，電能與其他形式能轉(zhuǎn)化的關(guān)系非常關(guān)鍵。以電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)電路如圖所示，電動(dòng)機(jī)兩端電壓為U，通過(guò)電動(dòng)機(jī)電流為I，電動(dòng)機(jī)線圈電阻為R，則電流做功或電動(dòng)機(jī)消耗的總電能為W=IUt，電動(dòng)機(jī)線圈電阻生熱Q=I2R0t，電動(dòng)機(jī)還對(duì)外做功，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，W機(jī)械輸出=W－Q=IUt－I2R0t，W機(jī)械輸出是電動(dòng)機(jī)輸出能量，而W則是電源輸送給電動(dòng)機(jī)的，是電動(dòng)機(jī)的輸入能量；Q是電動(dòng)機(jī)的額外損耗。就是電動(dòng)機(jī)的工作效率。 這是一個(gè)非純電阻電路，且W機(jī)械輸出＞0，則有U＞IR0?？紤]每秒鐘內(nèi)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，即功率，只要令上述各式同除以 t 即可，可得總功率P總=IU，電熱功率P熱=I2R0，輸出功率P出，三者關(guān)系是P總=P熱＋P出，即P出=IU－I2R。 4. 鞏固訓(xùn)練： 例：書(shū)P59/例題（略） 課堂訓(xùn)練：書(shū)P59/3；手冊(cè)P60/1、4 5. 身邊的電熱：閱讀書(shū)P58/歸納共有多少中提高電熱（電壓恒定時(shí)減小電阻，或電流恒定時(shí)增大電阻，增大電流等）方法或降低電熱（加強(qiáng)散熱，對(duì)串聯(lián)電線減小其電阻）的方法。這里要用到不少串并聯(lián)電路的知識(shí)。希望大家課后能復(fù)習(xí)一下串并聯(lián)的問(wèn)題。 討論書(shū)P59/1、2 【課后作業(yè)】教材全練P38-39 【課后反思】