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2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第二章 第5節(jié) 焦耳定律 教案1 三維目標(biāo) 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＝、P＝的適應(yīng)條件； 3．知道電功率和熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。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。 過(guò)程與方法 1．通過(guò)推導(dǎo)電功的計(jì)算公式和焦耳定律，培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理能力； 2．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。 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1．通過(guò)電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化和守恒，進(jìn)一步滲透辯證唯物主義觀點(diǎn)的教育； 2．通過(guò)學(xué)習(xí)進(jìn)一步體會(huì)能量守恒定律的普遍性。 教學(xué)重點(diǎn) 1．電功、電功率、焦耳定律、電熱功率的概念、公式； 2．區(qū)別并掌握電功和電熱的計(jì)算。 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)方法 等效法、類比法、比較法、實(shí)驗(yàn)法。 教學(xué)手段 燈泡、電壓表、電流表、電源、滑動(dòng)變阻器、電鍵、導(dǎo)線若干、投影儀、投影片、玩具小電機(jī)。 教學(xué)過(guò)程 ［新課導(dǎo)入］ （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，而且做正功） （2）電場(chǎng)力做功將引起能量的轉(zhuǎn)化，電能轉(zhuǎn)化為其他形式能，舉出一些大家熟悉的例子？ （電燈把電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能；電爐把電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能；電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能；電解槽把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。） 用電器把電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過(guò)程，就是電流做功的過(guò)程。電流做功的多少及電流做功的快慢與哪些因素有關(guān)呢？本節(jié)課我們學(xué)習(xí)關(guān)于電功和電功率的知識(shí)，重點(diǎn)研究電路中的能量問(wèn)題。 ［新課教學(xué)］ 一、電功和電功率 1．電功 我們知道，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，電能轉(zhuǎn)化為其它形式能的過(guò)程就是電流做功的過(guò)程，電流做功的多少等于電能轉(zhuǎn)化為其它形式能的數(shù)量。 所謂電流做功，實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)體中的恒定電場(chǎng)對(duì)自由電荷的靜電力在做功。自由電荷在靜電力作用下沿靜電力的方向做定向移動(dòng)，結(jié)果電荷的電勢(shì)能減小，其它形式能的增加。 如圖所示，一段電路兩端的電壓為U，由于這段電路兩端有電勢(shì)差，電路中就有電場(chǎng)存在，電路中的自由電荷在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流I，在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)這段電路上任一橫截面的電荷量q是多少? 在時(shí)間t內(nèi)，通過(guò)這段電路上任一橫截面的電荷總量為 q＝It。 這相當(dāng)于在時(shí)間t內(nèi)將這些電荷q由這段電路的一端移到另一端。在這個(gè)過(guò)程中，電場(chǎng)力做了多少功？ 在這一過(guò)程中，電場(chǎng)力做的功是 W＝qU＝IUt 在這段電路中電場(chǎng)力所做的功，也就是通常所說(shuō)的電流所做的功，簡(jiǎn)稱電功。 （1）定義 在一段電路中電場(chǎng)力所做的功，就是電流所做的功，簡(jiǎn)稱電功。 （2）公式 W＝UIt 電功的定義式用語(yǔ)言如何表述？ 電流在一段電路上所做的功等于這段電路兩端的電壓U，電路中的電流I和通電時(shí)間t三者的乘積。 （3）單位 請(qǐng)同學(xué)們說(shuō)出電功的單位有哪些？ 在國(guó)際單位制中，電功的單位是焦耳，簡(jiǎn)稱焦，符號(hào)是J。1J＝1VAs。 電功的常用單位有：千瓦時(shí)，俗稱“度”，符號(hào)是kWh。 1 kWh的物理意義是什么？1 kWh等于多少焦？ 1 kWh表示功率為1 kW的用電器正常工作1 h所消耗的電能。 1 kWh＝1000 W3600 s＝3.6106 J。 （4）說(shuō)明 ①電功的實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在電路中的體現(xiàn)。即電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量守恒，即有多少電能減少，就有多少其他形式能增加。 ②電流在一段電路上的功，跟這段電路兩端電壓、電路中電流強(qiáng)度和通電時(shí)間成正比。 ③適用條件：I、U不隨時(shí)間變化──恒定電流。 ④注意單位統(tǒng)一。使用電功的定義式計(jì)算時(shí)，要注意電壓U的單位用V，電流I的單位用A，通電時(shí)間t的單位用s，求出的電功W的單位就是J。 2．電功率 在相同的時(shí)間里，電流通過(guò)不同用電器所做的功一般不同。例如，在相同時(shí)間里，電流通過(guò)電力機(jī)車的電動(dòng)機(jī)所做的功要顯著大于通過(guò)電風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)所做的功。電流做功不僅有多少，而且還有快慢，為了描述電流做功的快慢，引入電功率的概念。 （1）定義 單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功叫做電功率。用P表示電功率。 （2）公式 P＝＝IU 這表示電流在一段電路上做功的功率P等于電流I與這段電路兩端的電壓U的乘積。該式對(duì)任何電路都適用。 （3）單位 在國(guó)際單位制中，電功率的單位是瓦特（W），1W＝1J/s。 常用單位有千瓦（kW），1 kW＝1000W。 （4）額定功率與實(shí)際功率 ①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額定功率。 ②實(shí)際功率 用電器在實(shí)際電壓下的功率，U、I分別對(duì)應(yīng)用電器兩端實(shí)際電壓和通過(guò)用電器的實(shí)際電流。 ③額定功率與實(shí)際功率的關(guān)系 對(duì)一個(gè)用電器來(lái)說(shuō)，額定功率只有一個(gè)。實(shí)際功率可隨著用電器兩端的電壓和通過(guò)的電流的變化而改變。所以實(shí)際功率可等于、小于或大于額定功率。 總結(jié)：選擇用電器時(shí)，要注意它的額定電壓，只有在額定電壓下用電器才能正常工作。實(shí)際電壓偏低，用電器消耗的功率低，不能正常工作。實(shí)際電壓偏高，長(zhǎng)期使用會(huì)影響用電器的壽命，還可能燒壞用電器。 （5）平均功率與瞬時(shí)功率 利用P＝計(jì)算出的功率是時(shí)間t內(nèi)的平均功率。 利用P＝IU計(jì)算時(shí)，若U是某一時(shí)刻的電壓，I是這一時(shí)刻的電流，則P＝IU就是該時(shí)刻的瞬時(shí)功率。 為什么課本沒(méi)提這一點(diǎn)呢？ 這一章我們研究的是恒定電流，用電器的構(gòu)造一定，通過(guò)的電流為恒定電流，則用電器兩端的電壓必是定值，所以U和I的乘積P不隨時(shí)間變化，也就是說(shuō)瞬時(shí)功率與平均功率總是相等的，故沒(méi)有必要分什么平均功率和瞬時(shí)功率了。 （6）說(shuō)明 ①電流做功的“快慢”與電流做功的“多少”不同。電流做功快，但做功不一定多；電流做功慢，但做功不一定少。 ②注意單位統(tǒng)一。利用電功率的公式P＝IU計(jì)算時(shí)，電壓U的單位用V，電流I的單位用A，電功率P的單位就是W。 二、焦耳定律 電流做功，消耗的是電能。電能轉(zhuǎn)化為什么形式的能與電路中的電學(xué)元件有關(guān)。 1．焦耳定律 在只含有白熾燈、電爐等電熱元件純電阻電路中電能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，于是導(dǎo)體發(fā)熱。 設(shè)在一段電路中只有純電阻元件，其電阻為R，通過(guò)的電流為I，試計(jì)算在時(shí)間t內(nèi)電流通過(guò)此電阻產(chǎn)生的熱量Q。 在時(shí)間t內(nèi)電場(chǎng)力對(duì)電阻元件所做的功為 W＝IUt＝I2Rt 據(jù)歐姆定律加在電阻元件兩端的電壓 U＝IR 由于電路中只有純電阻元件，故電流所做的功W＝Q。 產(chǎn)生的熱量的表達(dá)式為 Q＝I2Rt 這個(gè)關(guān)系最初是物理學(xué)家焦耳用實(shí)驗(yàn)得到的，叫焦耳定律。 （1）內(nèi)容 電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。 （2）公式 Q＝I2Rt 2．熱功率 學(xué)生活動(dòng)：總結(jié)熱功率的定義、定義式及單位。 （1）定義 單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量通常稱是熱功率。 （2）公式 P＝＝I2R （3）單位：瓦（W） 3．電功與電熱的關(guān)系 【實(shí)驗(yàn)探究】研究電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。 取一個(gè)玩具小電機(jī)，其內(nèi)阻R＝1.0 Ω，把它接在如圖所示的電路中。 （1）先夾住電動(dòng)機(jī)軸，閉合電鍵，電機(jī)不轉(zhuǎn)。調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電壓表的示數(shù)為0.50 V，記下電流表的示數(shù)，算出小電機(jī)消耗的電功率和熱功率，并加以比較。 （2）再松開(kāi)夾子，使小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電壓表的示數(shù)為2.0 V（此電壓為小電機(jī)的額定電壓），記下電流表的示數(shù)，算出小電機(jī)消耗的電功率和熱功率，并加以比較。 ［實(shí)驗(yàn)結(jié)果］ （1）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，U＝0.50 V，I＝0.50 A。 P電＝UI＝0.500.50 W＝0.25 W P熱＝I2R＝0.5021.0 W＝0.25 W P電＝P熱 （2）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，U＝2.0 V，I＝0.40 A。 P電＝UI＝2.00.40 W＝0.80 W P熱＝I2R＝0.4021.0 W＝0.16 W P電＞P熱 學(xué)生：分組討論上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。 （1）電功率與熱功率的區(qū)別 電功率是指輸入某段電路的全部功率或在這段電路上消耗的全部電功率，等于這段電路兩端電壓U和通過(guò)的電流I的乘積。 電功率P＝UI，對(duì)任何電路都適用。 熱功率是在某段電路上因發(fā)熱而消耗的功率，等于通過(guò)這段電路中電流的平方I2和電阻R的乘積。 電熱功率P熱＝I2R，對(duì)任何電路也都適用。 （2）電功率與熱功率的聯(lián)系 ①在純電阻電路中，電功率與熱功率數(shù)值相等 W Q＝W R U＝IR W＝Q＝UIt＝I2Rt＝ P熱＝P電＝UI＝I2R＝ 即在純電阻電路中，電流做功將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 上述實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，小電機(jī)就相當(dāng)于純電阻。 ②在非純電阻電路中，電功率數(shù)值大于熱功率數(shù)值 若電路中有電動(dòng)機(jī)或電解槽時(shí)等元件時(shí)，電路為非純電阻電路。 W W＞Q M Q 電路中消耗的電功率絕大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能等其它形式的能，只有一少部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)電功率大于熱功率。 U＞IR W＞Q，W＝UIt，Q＝I2Rt P電＞P熱 ，P電＝UI，P熱＝I2R P電＝P熱＋P出 上述實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)消耗的電功率，其中大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，有一小部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故P電＞P熱。 【例題】一個(gè)電動(dòng)機(jī)，線圈電阻是0.4Ω，當(dāng)它兩端所加的電壓為220V時(shí)，通過(guò)的電流是5A。這臺(tái)電動(dòng)機(jī)每分鐘所做的機(jī)械功有多少？ 解析：本題涉及三個(gè)不同的功率：電動(dòng)機(jī)消耗的電功率P電、電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率P熱、轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率P機(jī)。三者之間遵從能量守恒定律，即 P電＝P熱＋P機(jī) 由焦耳定律，電動(dòng)機(jī)的熱功率為 P熱＝I2R 電動(dòng)機(jī)消耗的電功率，即電流做功的功率 P電＝IU 因此可得電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率，即電動(dòng)機(jī)所做機(jī)械功的功率 P機(jī)＝P電－P熱＝IU－I2R 根據(jù)功率與做功的關(guān)系，電動(dòng)機(jī)每分鐘所做的機(jī)械功為 W＝P機(jī)t＝6.54104J。 ［小結(jié)］ 本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題： 1．電功和電功率 電場(chǎng)力對(duì)自由電荷做的功叫做電功，通過(guò)電流做功將電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能。電功W＝UIt。單位時(shí)間內(nèi)電流做的功叫做電功率，反映了電流做功的快慢，電功率P＝UI。 2．電功率和熱功率 電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)要發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量Q＝I2Rt。導(dǎo)體發(fā)熱的功率P熱＝I2R。在純電阻電路中和非純電阻電路中，電功和電熱的關(guān)系不同，要從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題。要了解和掌握各個(gè)公式之間的關(guān)系和適用的條件，不能亂用。 ［布置作業(yè)］ 教材第55頁(yè)“問(wèn)題與練習(xí)”。