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2019-2020年高中物理 2.5《焦耳定律》教案（1） 新人教版選修3-1 【教學(xué)目標】 （一）知識與技能 1、理解電功的概念，知道電功是指電場力對自由電荷所做的功，理解電功的公式，能進行有關(guān)的計算。 2、理解電功率的概念和公式，能進行有關(guān)的計算。 3、知道電功率和熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。 （二）過程與方法 通過推導(dǎo)電功的計算公式和焦耳定律，培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理能力。 （三）情感、態(tài)度與價值觀 通過電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化和守恒，進一步滲透辯證唯物主義觀點的教育。 【教學(xué)重點】電功、電功率的概念、公式；焦耳定律、電熱功率的概念、公式。 【教學(xué)難點】電功率和熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。 【教學(xué)方法】等效法、類比法、比較法、實驗法 【教學(xué)儀器】燈泡（36 V，18 W）、電壓表、電流表、電源、滑動變阻器、電鍵、導(dǎo)線若干、投影儀、投影片、玩具小電機 【教學(xué)過程】 （一）引入新課 教師：用電器通電后，可以將電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，請同學(xué)們列舉生活中常用的用電器，并說明其能量的轉(zhuǎn)化情況。 學(xué)生：（1）電燈把電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能； （2）電爐把電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能； （3）電動機把電能轉(zhuǎn)化成機械能； （4）電解槽把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。 教師：用電器把電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程，就是電流做功的過程。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)習關(guān)于電功和電功率的知識。 （二）進行新課 1、電功和電功率 教師：請同學(xué)們思考下列問題 （1）電場力的功的定義式是什么? （2）電流的定義式是什么? 學(xué)生：（1）電場力的功的定義式W=qU （2）電流的定義式I= 教師：投影教材圖2.5-1（如圖所示） 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差，電路中就有電場存在，電路中的自由電荷在電場力的作用下發(fā)生定向移動，形成電流I，在時間t內(nèi)通過這段電路上任一橫截面的電荷量q是多少? 學(xué)生：在時間t內(nèi)，通過這段電路上任一橫截面的電荷量q=It。 教師：這相當于在時間t內(nèi)將這些電荷q由這段電路的一端移到另一端。在這個過程中，電場力做了多少功？ 學(xué)生：在這一過程中，電場力做的功W=qU=IUt 教師：在這段電路中電場力所做的功，也就是通常所說的電流所做的功，簡稱電功。 電功： （1）定義：在一段電路中電場力所做的功，就是電流所做的功，簡稱電功. （2）定義式：W=UIT 教師：電功的定義式用語言如何表述？ 學(xué)生：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和通電時間t三者的乘積。 教師：請同學(xué)們說出電功的單位有哪些？ 學(xué)生：（1）在國際單位制中，電功的單位是焦耳，簡稱焦，符號是J. （2）電功的常用單位有：千瓦時，俗稱“度”，符號是kWh. 教師：1 kWh的物理意義是什么？1 kWh等于多少焦？ 學(xué)生：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 說明：使用電功的定義式計算時，要注意電壓U的單位用V，電流I的單位用A，通電時間t的單位用s，求出的電功W的單位就是J。 教師：在相同的時間里，電流通過不同用電器所做的功一般不同。例如，在相同時間里，電流通過電力機車的電動機所做的功要顯著大于通過電風扇的電動機所做的功。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：單位時間內(nèi)電流所做的功叫做電功率。用P表示電功率。 （2）定義式：P==IU （3）單位：瓦（W）、千瓦（kW） ［說明］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。 教師：在力學(xué)中我們講功率時有平均功率和瞬時功率之分，電功率有無平均功率和瞬時功率之分呢？ 學(xué)生分組討論。 師生共同總結(jié)： （1）利用P=計算出的功率是時間t內(nèi)的平均功率。 （2）利用P=IU計算時，若U是某一時刻的電壓，I是這一時刻的電流，則P=IU就是該時刻的瞬時功率。 教師：為什么課本沒提這一點呢？ 學(xué)生討論，教師啟發(fā)、引導(dǎo)： 這一章我們研究的是恒定電流，用電器的構(gòu)造一定，通過的電流為恒定電流，則用電器兩端的電壓必是定值，所以U和I的乘積P不隨時間變化，也就是說瞬時功率與平均功率總是相等的，故沒有必要分什么平均功率和瞬時功率了。 ［說明］利用電功率的公式P=IU計算時，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。 2、焦耳定律 教師：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)。在純電阻元件中電能完全轉(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，通過的電流為I，試計算在時間t內(nèi)電流通過此電阻產(chǎn)生的熱量Q。 學(xué)生：求解產(chǎn)生的熱量Q。 解：據(jù)歐姆定律加在電阻元件兩端的電壓U=IR 在時間t內(nèi)電場力對電阻元件所做的功為W=IUt=I2Rt 由于電路中只有純電阻元件，故電流所做的功W等于電熱Q。 產(chǎn)生的熱量為 Q=I2Rt 教師指出：這個關(guān)系最初是物理學(xué)家焦耳用實驗得到的，叫焦耳定律，同學(xué)們在初中已經(jīng)學(xué)過了。 學(xué)生活動：總結(jié)熱功率的定義、定義式及單位。 熱功率： （1）定義：單位時間內(nèi)發(fā)熱的功率叫做熱功率。 （2）定義式：P熱==I2R （3）單位：瓦（W） ［演示實驗］研究電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。 （投影）實驗電路圖和實驗內(nèi)容： 取一個玩具小電機，其內(nèi)阻R=1.0 Ω，把它接在如圖所示的電路中。 （1）先夾住電動機軸，閉合電鍵，電機不轉(zhuǎn)。調(diào)整滑動變阻器的阻值，使電壓表的示數(shù)為0.50 V，記下電流表的示數(shù)，算出小電機消耗的電功率和熱功率，并加以比較。 （2）再松開夾子，使小電機轉(zhuǎn)動，調(diào)整滑動變阻器的阻值，使電壓表的示數(shù)為2.0 V（此電壓為小電機的額定電壓），記下電流表的示數(shù)，算出小電機消耗的電功率和熱功率，并加以比較。 ［實驗結(jié)果］ （1）電機不轉(zhuǎn)時，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）電機轉(zhuǎn)動時，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：分組討論上述實驗結(jié)果，總結(jié)電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。 師生共同活動：總結(jié)： （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，決定于這段電路兩端電壓U和通過的電流I的乘積。 熱功率是在某段電路上因發(fā)熱而消耗的功率，決定于通過這段電路的電流的平方I2和電阻R的乘積。 （2）電功率與熱功率的聯(lián)系 若在電路中只有電阻元件時，電功率與熱功率數(shù)值相等。即P熱=P電 教師指出：上述實驗中，電機不轉(zhuǎn)時，小電機就相當于純電阻。 若電路中有電動機或電解槽時，電路消耗的電功率絕大部分轉(zhuǎn)化為機械能或化學(xué)能，只有一少部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時電功率大于熱功率，即P電＞P熱。 教師指出：上述實驗中，電機轉(zhuǎn)動時，電機消耗的電功率，其中有一部分轉(zhuǎn)化為機械能，有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故P電＞P熱。 （三）課堂總結(jié)、點評 教師活動：讓學(xué)生概括總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容。請一個同學(xué)到黑板上總結(jié)，其他同學(xué)在筆記本上總結(jié)，然后請同學(xué)評價黑板上的小結(jié)內(nèi)容。 學(xué)生活動：認真總結(jié)概括本節(jié)內(nèi)容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結(jié)和自己的小結(jié)，看誰的更好，好在什么地方。 點評：總結(jié)課堂內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生概括總結(jié)能力。 教師要放開，讓學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，允許內(nèi)容的順序不同，從而構(gòu)建他們自己的知識框架。 （四）實例探究 ☆求兩點間的電勢差 【例1】不考慮溫度對電阻的影響，對一個“220V，40W”的燈泡，下列說法正確的是 A.接在110 V的電路上時的功率為20 W B.接在110 V的電路上時的功率為10 W C.接在440 V的電路上時的功率為160W D.接在220 V的電路上時的功率為40 W 解析：正確選項為BD。 （法一）由得燈泡的電阻Ω＝1210Ω ∴電壓為110V時， W=10 W 電壓為440V時，超過燈炮的額定電壓一倍，故燈泡燒壞，P=0. （法二）由。可知R一定時，P∝U2， ∴當U=110V=，P=P額/4=10 W 說明：燈泡是我們常用的用電器，解題時一般不考慮溫度對其電阻的影響。用電器的標稱值，指其額定值，即用電器在正常工作時的電壓、功率以及電流值，由P額=U額I額可知，P、U、I有同時達到、同時超過、同時不滿足的特點。 【例2】一直流電動機線圈內(nèi)阻一定，用手握住轉(zhuǎn)軸使其不能轉(zhuǎn)動，在線圈兩端加電壓為0.3V，電流為0.3A。松開轉(zhuǎn)軸，在線圈兩端加電壓為2 V時，電流為0.8 A，電動機正常工作。求該電動機正常工作時，輸入的電功率是多少?電動機的機械功率是多少? 解析：電動機不轉(zhuǎn)動時，其消耗的電功全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故可視為純電阻電路，由歐姆定律得電動機線圈內(nèi)阻： 電動機轉(zhuǎn)動時，消耗的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和機械能，其輸入的電功率為 P入=I1U1＝0.82W＝1.6 W 電動機的機械功率 P機=P入-I12r=1.6-0.821 W=0.96W 說明：在非純電阻電路里，要注意區(qū)別電功和電熱，注意應(yīng)用能量守恒定律。①電熱Q=I2Rt。②電動機消耗的電能也就是電流的功W=Iut。③由能量守恒得W=Q+E，E為其他形式的能，這里是機械能；④對電動機來說，輸入的功率P入=IU；發(fā)熱的功率P熱=I2R；輸出的功率，即機械功率P機=P入-P熱=UI-I2R。 【例3】潮汐發(fā)電是利用漲落潮的水位差來工作的，潮差越大，海水流量越大，發(fā)電功率也越大。我國潮汐能的可供開發(fā)的總裝機量為3.6１０7 kW。1980年8月，在浙江江廈建成第一座潮汐電站，裝機量為3103 kW，平均年發(fā)電量為1.7107 kWh，其規(guī)模居世界第二位。 （1）試根據(jù)上文中給出的數(shù)據(jù)，計算我國建造的江廈潮汐電站平均每天滿負荷工作幾小時? （2）設(shè)江廈潮汐電站漲潮和落潮時的平均潮差為6 m，計算每次漲潮時流量是多大?（設(shè)潮汐電站的總能量轉(zhuǎn)換效率為50%） 解析：（1）江廈潮汐電站功率為3103 kW，年發(fā)電量為1.07１０7 kWh，由公式W=Pt可算出每天滿負荷工作的時間為 s=9.8 h （2）由文中給出數(shù)據(jù)及每天漲、落潮的次數(shù)可知，平均每次的發(fā)電量為 J 因為 所以每次漲潮的平均流量為 m3/次 說明：本題涉及到潮汐這種自然現(xiàn)象，漲潮和落潮時均有水流的機械能轉(zhuǎn)化為電能。 【例4】如圖所示，有一提升重物用的直流電動機，內(nèi)阻r=0.6Ω，R=10Ω，U=160 V，電壓表的讀數(shù)為110 V，求 （1）通過電動機的電流是多少？ （2）輸入到電動機的電功率是多少？ （3）在電動機中發(fā)熱的功率是多少？ （4）電動機工作1 h所產(chǎn)生的熱量是多少？ 解析： （1）設(shè)電動機兩端的電壓為U1，電阻R兩端的電壓為U2，則 U1=110 V，U2=U-U1=（160-110）V=50 V 通過電動機的電流為I，則I== A=5 A （2）輸入到電功機的電功率P電，P電=U1I=1105 W=550 W （3）在電動機中發(fā)熱的功率P熱，P熱=I2r=520.6 W=15 W （4）電動機工作1 h所產(chǎn)生的熱量Q，Q=I2rt=520.63600 J=54000 J 說明：電動機是非線性元件，歐姆定律對電動機不適用了，所以計算通過電動機的電流時，不能用電動機兩端的電壓除以電動機的內(nèi)阻。 通過計算發(fā)現(xiàn)，電動機消耗的電功率遠大于電動機的熱功率。