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2019版高中物理上學(xué)期第八周 焦耳定律 電路中的能量轉(zhuǎn)化教學(xué)設(shè)計 課題 焦耳定律　電路中的能量轉(zhuǎn)化 課時 1 考點、知識點 理解焦耳定律，并能進(jìn)行有關(guān)計算 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.掌握電功、電功率、電熱、電熱功率等基本概念．(重點) 2.理解焦耳定律，并能進(jìn)行有關(guān)計算．(重點) 3.理解電功和電熱的關(guān)系，能從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度區(qū)分純電阻電路和非純電阻電路中的電功和電熱．(難點) 重、難點 知道電源的總功率、電路的輸出功率、電源內(nèi)阻消耗功率的概念并明確它們之間的關(guān)系．(重點、難點) 學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和內(nèi)容 學(xué)生活動建議 教師活動建議 調(diào)整記錄 探 究 決 定 導(dǎo) 體 電 阻 的 因 素、 電 阻 定 律 環(huán)節(jié)一： 1．電功 (1)概念：電場力移動電荷所做的功． (2)公式：W＝qU＝UIt. (3)單位：焦耳，符號J. 2．電功率 (1)物理意義：表示電流做功快慢的物理量． (2)定義：電流所做的功與做這些功所用時間的比值． (3)公式：P＝＝IU. (4)單位：瓦特，符號W. 1．電流做功的過程中，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．(√) 2．電流通過用電器時，電流做的功越多，說明用電器的電功率越大．() 3．電功率越大，電流做功一定越快．(√) 家庭用電用“度”做單位，度是電功的單位，還是電功率的單位？ 【提示】　度是電功的單位.1度＝1 kWh＝3.6106 J. 環(huán)節(jié)二： 把一根大頭針插在一小塊硬紙片上，用漿糊把紙貼在臺燈的燈泡上，使大頭針的針尖朝上．然后用3張紙條做一小風(fēng)車，把風(fēng)車放在針尖上．打開臺燈，過一會發(fā)現(xiàn)，風(fēng)車轉(zhuǎn)動起來． 圖261 探討1：這一過程，電流做功嗎？ 【提示】　做功． 探討2：風(fēng)車為什么轉(zhuǎn)動？ 【提示】　電流通過燈絲做功，把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．周邊空氣溫度升高，形成對流，風(fēng)車轉(zhuǎn)動起來． 1．對電功的理解 (1)從力的角度看，電流做功的實質(zhì)是電場力對自由電荷做功． (2)從能的角度看，電流做功過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程，電功的大小量度了電能的減少量，標(biāo)志著電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的多少． (3)電功W＝UIt＝qU對任何電路都適用． 2．對電功率的理解 (1)電功率P＝＝UI對任何電路都適用． (2)額定功率和實際功率 ①額定功率：用電器正常工作所消耗的功率． ②實際功率：用電器在實際電壓下電流做功的功率． 環(huán)節(jié)三： 1．一個電阻接入某電路后，消耗的功率為110 W，通過3 C的電荷量時，有330 J的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，則下列說法錯誤的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：33410091】 A．電阻兩端所加電壓為330 V B．通過電阻的電流為1 A C．電阻通電時間為3 s D．這個電阻的阻值為110 Ω 【解析】　由W＝qU知，電阻兩端所加電壓U＝＝110 V，A錯；由P＝IU得I＝＝1 A，B對；由W＝Pt得通電時間t＝＝3 s或t＝＝ s＝3 s，C對；由R＝，得R＝110 Ω，D對． 【答案】　A 2．一臺國產(chǎn)XQB3013型自動洗衣機(jī)說明書中所列的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)表中提供的數(shù)據(jù)計算： 額定電壓 220 V 額定頻率 50 Hz 額定洗衣、脫水功率 360 W 額定洗衣、脫水容量 3 kg 整機(jī)質(zhì)量 33 kg 外形尺寸(長寬高) (542550920) mm3 (1)這臺洗衣機(jī)在額定電壓下洗衣或脫水時，通過洗衣機(jī)的電流是多大？ (2)如洗衣、脫水的累計時間為40 min，則洗衣機(jī)耗電多少？ 【解析】　(1)由說明書可知P＝360 W，又由P＝UI可知I＝＝ A＝1.64 A. (2)W＝Pt＝3604060 J＝8.64105 J 故消耗的電能為8.64105 J. 【答案】　(1)1.64 A　(2)8.64105 J 環(huán)節(jié)四：小結(jié) 幾個電學(xué)公式的適用范圍 解答電流做功類的題目需掌握以下幾個重要公式，并理清它們的意義及適用條件． (1)電功W＝UIt＝qU普遍適用． (2)I＝為電流的定義式，普遍適用． (3)I＝，P＝I2R＝等，只適用于純電阻電路． 焦 耳 定 律 、 熱 功 率 環(huán)節(jié)一： 1．焦耳定律 (1)內(nèi)容：電流通過電阻產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟電阻值成正比，跟通電時間成正比． (2)公式：Q＝I2Rt. (3)單位：J. (4)應(yīng)用：工業(yè)上的電烙鐵、電烤箱等；生活中的電暖氣、電爐、電熨斗、電飯鍋等． 2．熱功率 (1)概念：電阻通電所產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生這些熱量所用時間的比值． (2)公式：P熱＝＝I2R. 1．根據(jù)電功的公式和歐姆定律可以推導(dǎo)出電熱的公式，因此電功和電熱是完全相同的．() 2．W＝UIt適用于任何電路求電功．(√) 3．Q＝I2Rt適用于任何電路求熱量．(√) 用電爐燒水時，爐盤內(nèi)的電爐絲被燒得通紅，產(chǎn)生大量的熱，而連接電爐的導(dǎo)線卻不怎么熱，這是什么原因？ 【提示】　導(dǎo)線跟電爐絲是串聯(lián)在一起的，通過它們的電流相等，而電爐絲的電阻比連接電爐絲的部分導(dǎo)線電阻要大得多，由焦耳定律Q＝I2Rt知在相等的時間內(nèi)導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量比電爐絲產(chǎn)生的熱量要少得多． 環(huán)節(jié)二： 如圖262所示為一正常工作的電動機(jī)，其工作電壓為220 V. 圖262 探討1：電動機(jī)消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為線圈產(chǎn)生的內(nèi)能嗎？ 【提示】　一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 探討2：其工作電壓是線圈兩端電壓嗎？ 【提示】　不是．其工作電壓大于線圈兩端電壓． 1．兩種電路的比較 電路 純電阻電路 非純電阻電路 元件特點 電路中只有電阻元件 除電阻外還包括其他的電器元件 電流、電 壓、電阻 三者的 關(guān)系 遵循歐姆定律I＝ 不遵循歐姆定律，由W＝UIt＝I2Rt＋W其他知U＞IR或I＜ 能量轉(zhuǎn) 化形式 電流做功全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t 電流做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和其他形式的能量：電功W＝UIt＝Q＋W其他，其中電熱Q＝I2Rt 能量轉(zhuǎn)化 示意圖 電器元件 舉例 電爐絲、白熾燈 電動機(jī)、電解槽、電風(fēng)扇 2.電功與電熱 (1)純電阻電路：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝t； P電＝P熱＝UI＝I2R＝. (2)非純電阻電路：電功W＝UIt，電熱Q＝I2Rt，W>Q；電功率P＝UI，熱功率P熱＝I2R，P>P熱． 環(huán)節(jié)三： 3．(多選)關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：33410092】 A．電功率越大電流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多 B．W＝UIt適用于任何電路，而電功計算式W＝I2Rt＝t適用于純電阻電路 C．非純電阻電路中，UI＞I2R D．Q＝I2Rt適用于任何電路 【解析】　電功率越大，電流做功越快，但電路中產(chǎn)生的焦耳熱不一定越多，故A不正確；W＝UIt是電功的定義式，適用于任何電路；而I＝只適用于純電阻電路，由此推導(dǎo)出的公式W＝I2Rt＝t只適用于純電阻電路，B正確；在非純電阻電路中，電流做的功＝焦耳熱＋其他形式的能，所以C正確；Q＝I2Rt是焦耳熱的定義式，適用于任何電路中焦耳熱的計算，D正確． 【答案】　BCD 4．規(guī)格為“220 V　36 W”的排氣扇，線圈電阻為40 Ω，求： (1)接上220 V電壓后，排氣扇轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱的功率； (2)如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動，求電動機(jī)消耗的功率和發(fā)熱的功率． 【解析】　(1)排氣扇在220 V電壓下正常工作電流I＝＝ A＝0.16 A， 發(fā)熱功率P熱＝I2R＝0.16240 W≈1 W， 轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率P機(jī)＝P－P熱＝(36－1) W＝35 W. (2)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動后，電動機(jī)相當(dāng)于純電阻，電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，此時通過排氣扇的電流I′＝＝ A＝5.5 A. 電動機(jī)消耗的功率等于發(fā)熱功率P′＝P熱＝I′U＝5.5220 W＝1 210 W．由于發(fā)熱量很大，將很快燒壞電動機(jī)線圈． 【答案】　(1)35 W　1 W　(2)1 210 W　1 210 W 環(huán)節(jié)四：小結(jié) 電動機(jī)電路的分析方法 (1)分清是純電阻電路還是非純電阻電路．電動機(jī)轉(zhuǎn)動時是非純電阻電路，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動時是純電阻電路． (2)分清要求的是電功還是電熱(或熱功率)，對照公式的適用條件，合理選擇公式． (3)電動機(jī)的輸入功率即總功率P入＝IU，電動機(jī)的發(fā)熱功率P熱＝I2r，電動機(jī)的輸出功率P出＝P入－P熱． 　　電 路 中 的 能 量 轉(zhuǎn) 化 環(huán)節(jié)一： 1．內(nèi)電路中的能量轉(zhuǎn)化 (1)電源：通過各種作用，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化功率P＝IE. (2)內(nèi)阻：通過電流做功將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)阻的內(nèi)能，即P內(nèi)＝I2r. 2．外電路上的能量轉(zhuǎn)化：通過電流做功將電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，即P外＝UI. 3．兩者之間的關(guān)系：由能量守恒定律可知P＝P內(nèi)＋P外，即EI＝I2r＋UI，進(jìn)一步化簡可得E＝U＋I(xiàn)r，可見閉合電路歐姆定律實質(zhì)上是能量守恒定律在閉合電路中的具體表現(xiàn)． 1．電流的熱效應(yīng)實質(zhì)上是電能通過電流做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(√) 2．電動機(jī)是非純電阻用電器，所以在任何情況下，都不能將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．() 3．在使用電源時，絕對不可以讓電源短路，以免造成電源的損壞，甚至引起火災(zāi)．(√) 外電路的電阻越大，電源做功輸出的效率就越高嗎？ 【提示】　由于電源做功輸出的效率： η＝＝＝＝＝＝， 故外電路的電阻越大，電源做功輸出的效率就越高． 環(huán)節(jié)二： 閉合電路中內(nèi)、外電路都有電阻，當(dāng)電鍵閉合，電路中有電流時，內(nèi)、外電路都做功． 探討1：電源非靜電力做的功與電路中內(nèi)、外電路電流做的功存在什么關(guān)系？ 【提示】　非靜電力做功把電源內(nèi)部儲存的其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，電流做功把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)電路上的電能和外電路上其他形式的能． 探討2：外電路的電阻越大，外電路消耗的功率就越大嗎？ 【提示】　當(dāng)外電阻大于內(nèi)電阻時，外電阻越大，外電路消耗的功率越小． 探討3：外電路的電阻越大，電源做功的效率就越高嗎？ 【提示】　外電阻越大，路端電壓越大，電源做功的效率越大． 1．閉合電路中的幾個功率 功率名稱 表達(dá)式 電源功率(總功率) P總＝EI 電源內(nèi)部消耗功率 P內(nèi)＝U內(nèi)I＝I2r 外電路消耗功率 (電源輸出功率) P外＝U外I＝(E－U內(nèi))I＝EI－I2r 三者關(guān)系 P總＝P外＋P內(nèi) 2.純電阻電路中電源的輸出功率 P出＝UI＝I2R＝＝. 電源的輸出功率隨外電阻的變化關(guān)系如圖263所示． 圖263 (1)當(dāng)R＝r時，Pmax＝. (2)一個輸出功率(除最大功率外)P對應(yīng)于兩個不同的外電阻R1和R2，且r＝. (3)當(dāng)R＜r時，R↑→P出↑；當(dāng)R＞r時，R↑→P出↓. 3．電源的效率 η＝＝＝＝＝＝. 可見，外電阻R越大，電源的效率越高． 環(huán)節(jié)三： 5．如圖264所示，電源電動勢E＝10 V，內(nèi)阻r＝0.5 Ω，“8 V　16 W”的燈泡L恰好能正常發(fā)光，電動機(jī)M繞線的電阻R0＝1 Ω，求： 【導(dǎo)學(xué)號：33410095】 圖264 (1)路端電壓； (2)電源的總功率； (3)電動機(jī)的輸出功率． 【解析】　(1)燈泡正常發(fā)光，所以路端電壓為8 V. (2)設(shè)干路總電流為I，則8 V＝10 V－I0.5 Ω，得I＝4 A，故P總＝EI＝40 W. (3)又IL＝＝ A＝2 A， 故IM＝I－IL＝2 A， PM總＝82 W＝16 W， PM出＝16 W－221 W＝12 W. 【答案】　(1)8 V　(2)40 W　(3)12 W 6．電路圖如圖265甲所示，乙中圖線是電路中的電源的路端電壓隨電流變化的關(guān)系圖像，滑動變阻器的最大阻值為15 Ω，定值電阻R0＝3 Ω. 甲　　　　　　　　　　　乙　 圖265 (1)當(dāng)R為何值時，R0消耗的功率最大，最大值為多少？ (2)當(dāng)R為何值時，電源的輸出功率最大，最大值為多少？ 【解析】　(1)由題圖乙知電源的電動勢和內(nèi)阻為：E＝20 V，r＝||＝ Ω＝7.5 Ω. 由題圖甲分析知道，當(dāng)R＝0時，R0消耗的功率最大，最大為P＝()2R0＝()23 W＝10.9 W. (2)當(dāng)r＝R＋R0時，即R＝4.5 Ω時， 電源的輸出功率最大，最大值為： P＝()2(R0＋R) ＝()2(3＋4.5) W＝13.3 W. 【答案】　(1)0　10.9 W　(2)4.5 Ω　13.3 W 環(huán)節(jié)四：小結(jié) 閉合電路功率問題的注意事項 (1)閉合電路是一個能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．內(nèi)、外電路將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，EI＝P內(nèi)＋P外就是能量守恒定律在閉合電路中的體現(xiàn)． (2)外電阻的阻值向接近內(nèi)阻的阻值方向變化時，電源的輸出功率變大． 學(xué)生課前獨立完成 學(xué)生合作探究完成 課堂訓(xùn)練，加深學(xué)生對于知識點的理解，同時學(xué)生展示，差改錯。 學(xué)生課前獨立完成 學(xué)生合作探究完成 課堂訓(xùn)練，加深學(xué)生對于知識點的理解，同時學(xué)生展示，差改錯。 改學(xué)生導(dǎo)學(xué)案，統(tǒng)計學(xué)生完成情況 教師旁觀引導(dǎo)學(xué)生完成探究過程 教師組織小組合作完成課堂練習(xí)，教師旁觀記錄學(xué)生完成情況。并對學(xué)生展示內(nèi)容作最終總結(jié) 改學(xué)生導(dǎo)學(xué)案，統(tǒng)計學(xué)生完成情況 教師旁觀引導(dǎo)學(xué)生完成探究過程 教師組織小組合作完成課堂練習(xí)，教師旁觀記錄學(xué)生完成情況。并對學(xué)生展示內(nèi)容作最終總結(jié)