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2019-2020年高中物理 2.5焦耳定律素材 新人教版選修3-1 教學建議 教科書根據(jù)功和能的關系,從電能的轉化引入電功概念,然后根據(jù)靜電力做功的知識和電流與電荷量的關系得到了電功的計算公式。教學中可以引導學生對用電器中的能量轉化進行討論,這樣有利于學生理解電功的物理意義。 (1)從靜電力做功的角度去考慮問題。電流通過用電器的過程中,消耗了電能,同時產(chǎn)生了其他形式的能,這個能量轉化的過程就是電流做功的過程。實質上,就是靜電力做功,電勢能減少,增加了其他形式的能的過程。在轉化的過程中,能量是守恒的。 (2)功是能量轉化的量度,電流做了多少功,就有多少電能轉化為其他形式的能,即電功等于電路中電能的減少,這是電路中能量轉化與守恒的關鍵。 (3)推導電功的公式時,在時間t內,相當于把電荷q由電路的一端移到另一端,移動電荷所做的功是W=qU=IUt。 (4)不同的用電器電流做功(消耗電能轉化為其他能)的快慢不同,引入電功率概念P=,還可以跟速度等概念進行類比,幫助學生理解。要讓學生知道用電器額定功率的含義,并讓學生對常見用電器的額定功率有一個大致的了解。 電路中電流做功,將電能轉化為其他形式的能,其中很常見的就是內能,但是很多情況下,電路消耗的電能不能全部轉化為內能。教師可以用電動機作為例子,引導學生進行討論。電動機消耗的電能(電功)轉化為機械能和內能兩部分。 讓學生清楚,對于非純電阻電路,電功和電熱不相等。這時可以從能量守恒角度來考慮問題。 參考資料 焦耳最初的研究方向是電磁機,他想將父親釀酒廠中應用的蒸汽機替換成電磁機以提高工作效率。1837年,焦耳組裝了用電池驅動的電磁機,但由于支持電磁機工作的電流來自鋅電池,而鋅的價格昂貴,用電磁機反而不如用蒸汽機合算。焦耳的最初目的雖然沒有達到,但他從實驗中發(fā)現(xiàn)電流可以做功,這激發(fā)了他進行深入研究的興趣。 1840年,焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內,測量不同電流和電阻時的水溫。通過這一實驗,他發(fā)現(xiàn):導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流的二次方之積成正比。4年之后,俄國物理學家楞次公布了他的大量實驗結果,從而進一步驗證了焦耳關于電流熱效應結論的正確性。因此,該定律稱為焦耳—楞次定律。 焦耳總結出焦耳—楞次定律以后,進一步設想電池電流產(chǎn)生的熱與電磁機的感應電流產(chǎn)生的熱在本質上應該是一致的。1843年,焦耳設計了一個新實驗:將一個小線圈繞在鐵芯上,用電流計測量感應電流,把線圈放在裝水的容器中,測量水溫以計算熱量。這個電路是完全封閉的,沒有外界電源供電,水溫的升高只是機械能轉化為電能、電能又轉化為熱的結果,整個過程不存在熱質的轉移,這一實驗結果完全否定了熱質說。 上述實驗也使焦耳想到了機械功與熱的聯(lián)系,經(jīng)過反復的實驗、測量,焦耳終于測出了熱功當量。但結果并不精確。1843年8月21日在英國學術會上,焦耳報告了他的論文《論電磁的熱效應和熱的機械值》。他的報告沒有得到支持和引起強烈的反響,這時他意識到自己還需要進行更精確的實驗。 1869年10月11日,焦耳在索福特逝世。后人為了紀念焦耳,把功和能的單位命名為焦耳。