5 焦耳定律
教学设计
教学分析
学生在初中已经接触过焦耳定律的内容，为本节课的学习打下了一定的基础，但高中阶段将从电场力做功及能量转化和守恒等角度来研究焦耳定律，这对学生的学习提出了更高的要求。本节课所涉及的能量观点，是研究电学问题和其他物理问题的重要方法。另外，这一节的内容在实际中有广泛而重要的运用，不但是学习后续知识的基础，而且是学习电工的基础。所以，本节课不但是物理知识的传授课，更是物理方法和思想的渗透课。在教学中应该充分联系实际，以便巩固和加深对基本知识的理解，掌握实际问题中的原理。
教学目标
1．理解电功的概念，知道电功是指电场力对自由电荷所做的功，理解电功的公式，能进行有关的计算。
2．理解电功率的概念和公式，能进行有关的计算。
3．知道电功率和热功率的区别和联系。
4．通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养分析、推理能力。
5．通过电能与其他形式能量的转化和守恒，进一步培养辩证唯物主义的观点。
教学重点难点
电功和电热的计算是本节课的教学重点，围绕这个教学重点，具体实施教学时，会出现这样几个教学难点：电流做功的表达式的推导，纯电阻电路和非纯电阻电路在能量转化过程中的区别。
教学方法与手段
1．采用问题解决式，引导学生联系前面电场力的知识，推导电流做功的表达式。
2．密切联系实际，通过实例分析让学生明确各种电能与其他形式的能的转化情况。
3．进行演示实验，让学生明确纯电阻电路与非纯电阻电路在能量转化时的区别。
教学媒体
投影仪、多媒体课件、滑动变阻器、小电风扇、电压表、电流表、电源、电键、导线。
知识准备
电场力对运动电荷做功的求法、欧姆定律。
导入新课
[事件1]
教学任务：创设情境，导入新课。
师生活动：
问题导入：
问题1：用电器通电后，可以将电能转化为其他形式的能量，请同学们列举生活中常用的用电器，说明其能量的转化情况。
参考示例：电灯把电能转化为内能和光能；电炉把电能转化为内能；电动机把电能转化为机械能；电解槽把电能转化为化学能。用电器把电能转化为其他形式能的过程，就是电流做功的过程。即电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，在转化过程中，遵循能量守恒，即有多少电能减少，就有多少其他形式的能增加。
问题2：电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢？
本节课我们学习关于电功和电功率的知识。
推进新课
[事件2]
教学任务：推导电流做功的表达式
师生活动：
思考并讨论：(多媒体打出画面)一段导体长为L，横截面积为S，电阻为R，在导体两端加上电压U，通过导体的电流为I。
图2.5－1 推导电流做功的表达式
(1)结合此模型说出电流做功实质上是怎样的？
参考答案：电流做功的实质是电路中电场力对定向移动的电荷做功。
(2)利用学过的知识，推导一下经过时间t，电流做的功。
可能出现的结果：学生无从下手。可通过问题引导学生思考并推导出公式来。
请同学们思考下列问题：
(1)电场力做功的定义式是什么？
(2)电流的定义式是什么？
参考答案：(1)在第一章里我们学过电场力对电荷的功，若电荷q在电场力作用下从A搬至B，AB两点间电势差为UAB，则电场力做功W＝qUAB。
(2)电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流I，在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量q＝It。这相当于在时间t内将这些电荷q由这段电路的一端移到另一端。
对于一段导体而言，两端电势差为U，把电荷q从一端搬至另一端，电场力的功W＝qU，在导体中形成电流，且q＝It(在时间间隔t内搬运的电荷量为q，则通过导体截面电荷量为q，I＝q/t)，所以W＝qU＝IUt。这就是电路中电场力做功即电功的表达式。
结论：电功
(1)定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。
(2)表达式：W＝IUt。
①物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压U、电路中电流I和通电时间t成正比。
②适用条件：I、U不随时间变化——恒定电流。
③单位：焦耳(J) 1 J＝1 V·A·s。
【注意】功是能量转化的量度，电流做了多少功，就有多少电能减少而转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少，这是电路中能量转化与守恒的关键。
[事件3]
教学任务：推导电功率的表达式。
师生活动：
问题引导：在相同的时间里，电流通过不同用电器所做的功一般不同。(例如，在相同时间里，电流通过电力机车的电动机所做的功要显著大于通过电风扇的电动机所做的功。)电流做功不仅有多少，而且还有快慢，如何描述电流做功的快慢呢？
参考答案：可以用单位时间内电流所做的功，即电功率表示做功的快慢。
结论：电功率。
(1)定义：单位时间内电流所做的功。
(2)表达式：P＝＝IU(对任何电路都适用)。
(3)单位：瓦特(W)，1 W＝1 J/s。
【说明】电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”不同。电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少。
(4)额定功率和实际功率
额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。
实际功率：用电器在实际电压下的功率。实际功率P实＝IU，U、I分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。
【说明】最后应强调：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里W＝IUt是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。
[事件4]
教学任务：焦耳定律
师生活动：
思考并讨论：电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能。这就是电流的热效应，那么，电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关呢？
结论：英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。
(1)焦耳定律：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体电阻和通电时间成正比。
表达式：Q＝I2Rt。
(2)热功率：单位时间内的发热量，即P＝Q/t＝I2R。
思考并讨论：电路中电流对导体做的功是否等于导体内产生的热量呢？
可能出现的结果：学生一般认为，W＝IUt，又由欧姆定律，U＝IR，所以得出W＝I2Rt，电流做这么多功，所以，放出热量Q＝W＝I2Rt。
这里有一个错误：Q＝W，可通过问题引导学生思考并找出来：
●何以见得电流做功全部转化为内能增量？有无可能同时转化为其他形式能？
●什么电路中Q＝W？什么电路中W≠Q？(W＞Q)？为什么？举实例
●欧姆定律I＝及变形公式适用条件是什么？为什么？
参考答案：
(1)电流有可能转化为其他形式的能。如：电吹风、电解槽、电池。
(2)对纯电阻电路(只含白炽灯、电炉等电热器的电路)中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功W＝Q，这时W＝Q＝UIt＝I2Rt；关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等，这时W＞Q，即W＝Q＋E其他或P＝P热＋P其他、UI＝I2R＋P其他。
(3)欧姆定律I＝及变形公式适用条件是纯电阻电路。
【实验】如何用玩具小风扇验证电功率和热功率不相等？
参考答案：(用投影仪投影出电路图，引导学生按图接好电路，并提醒学生注意电表的正负极，以及滑动变阻器滑动片的初始位置。)
先用夹子夹住电动机M转轴使其不能转动，闭合电键，移动变阻器滑片，记下伏特表读数U1＝0.3 V，电流表的读数I1＝0.3 A，松开夹子，使电动机转轴转动，移动变阻器滑片，使伏特表读数U2＝2.0 V，电流表的读数I2＝0.8 A，分别记入下表，请同学们计算两种情况下电功率P1和热功率P2。
由上述数据得出：
在第一种情况下电功率的值等于热功率的值。这证明在纯电阻电路中，电能只转化为内能，这个转化过程是通过电流做功来实现的，所以电功率等于热功率。
第二种情况下电功率大于热功率，这证明在非纯电阻电路中，即电路中有电动机(或电解槽)时，电能不仅要转化为内能，而且还有一部分要转化为机械能(或化学能)，所以，电能要大于内能，即电功率大于热功率，但是，电能总等于电动机(或电解槽)的机械能(或化学能)和电阻增加的内能之和。
【强调总结】
(1)对纯电阻电路(只含白炽灯、电炉等电热器的电路)中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功W等于电热Q；这时W＝Q＝UIt＝I2Rt。
(2)P＝IU和P＝I2R都是电流的功率的表达式，但物理意义不同。P＝IU对所有的电路都适用，而P＝I2R只适用于纯电阻电路，对非纯电阻电路(含有电动机、电解槽的电路)不适用。
关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等。这时W＞Q。即W＝Q＋E其他或P＝P热＋P其他、UI＝I2R＋P其他。
例1一直流电动机线圈内阻一定，用手握住转轴使其不能转动，在线圈两端加电压为0.3 V，电流为0.3 A。松开转轴，在线圈两端加电压为2 V时，电流为0.8 A，电动机正常工作。求该电动机正常工作时，输入的电功率是多少？电动机的机械功率是多少？
参考答案：电动机不转动时，其消耗的电功全部转化为内能，故可视为纯电阻电路，由欧姆定律得电动机线圈内阻：r＝U/I＝0.3/0.3 Ω＝1 Ω。
电动机转动时，消耗的电能转化为内能和机械能，其输入的电功率为P入＝I1U1＝0.8×2 W＝1.6 W，电动机的机械功率P机＝P入－Ir＝1.6 W－0.82×1 W＝0.96 W。
说明：在非纯电阻电路里，要注意区别电功和电热，注意应用能量守恒定律。①电热Q＝I2Rt。②电动机消耗的电能也就是电流的功W＝IUt。③由能量守恒得W＝Q＋E，E为其他形式的能，这里是机械能。④对电动机来说，输入的功率P入＝IU；发热的功率P热＝I2R；输出的功率，即机械功率P机＝P入－P热＝UI－I2R。
1．规格为“220 V 1 000 W”的电炉，求：(1)电炉正常工作时，通过电阻丝的电流；(2)电炉的电阻。
2．加在某台电动机上的电压是U，电动机消耗的电功率为P，电动机线圈的电阻为r，则电动机线圈上消耗的热功率为( )
A．P B．U2/r C．P2r/U2 D．P－P2r/U2
答案：1.(1)4.5 A (2)48.4 Ω 2.C
[事件5]
教学任务：电功率和热功率的综合运用与理解。
师生活动：
【探究实验】
案例：给你玩具电风扇1台、干电池2节、电压表和电流表各1只、导线若干。
请你设法测出电风扇的直流电阻，以及电风扇工作时总功率(电功率)和输出的机械功率。
参考做法：
1．先卡住电风扇，将其接入电路，将电流表与其串联，电压表与其并联，测出相应的电流值I和电压值U，则R＝U/I。(电风扇不转时所加电压要尽量小，为什么？)
2．让电风扇正常运转，将电流表与其串联，电压表与其并联，测出相应的电流值I和电压值U，则P总＝UI，P出＝UI－I2R。
学生分组讨论上述实验结果，总结电功率与热功率的区别和联系。再次强调以下结论：
(1)电功率与热功率的区别：电功率是指输入某段电路的全部功率或在这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压U和通过的电流I的乘积。热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，决定于通过这段电路的电流的平方I2和电阻R的乘积。
(2)电功率与热功率的联系：若在电路中只有电阻元件时，电功率与热功率数值相等，即P热＝P电。教师指出：上述实验中，电机不转时，小电机就相当于纯电阻。若电路中有电动机或电解槽时，电路消耗的电功率绝大部分转化为机械能或化学能，只有一少部分转化为内能，这时电功率大于热功率，即P电＞P热。教师指出：上述实验中，电机转动时，电机消耗的电功率，其中有一部分转化为机械能，有一部分转化为内能，故P电＞P热。
课堂巩固与反馈
[事件6]
教学任务：形成性测试：学生独立完成。时间：5分钟。
1．关于电功，下列说法中正确的有( )
A．电功的实质是电场力所做的功
B．电功是电能转化为内能
C．电场力做功是电能转化为其他形式能量的量度
D．电流通过电动机时的电功率和热功率相等
2．A、B、C三个灯泡如图所示的方式连接时，各自消耗的实际功率相同，则RA∶RB∶RC为( )
A．1∶1∶1 B．1∶2∶2
C．2∶1∶1 D．1∶4∶4
3．理发用的电吹风机中有电动机和电热丝，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，得到热风将头发吹干。设电动机线圈电阻为R1，它与电热丝电阻值R2串联后接到直流电源上，吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的功率为P，则有( )
A．P＝UI B．P＝I2(R1＋R2)
C．P＞UI D．P＞I2(R1＋R2)
4．一台直流电动机线圈电阻r＝1 Ω，与一阻值R＝10 Ω的电阻串联，当所加电压U＝150 V，电动机正常工作时电压表示数100 V，求电动机消耗的功率及输出的机械功率。
答案：1.AC 2.D 3.AD
4．P＝IUM＝5×100 W＝500 W P热＝I2r＝25 W P机＝P－P热＝500 W－25 W＝475 W
[事件7]
教学任务：引导学生从知识、方法、情感三个侧面小结本节课的学习活动：
1．与初中学习的电功、电功率、焦耳定律相比，你现在的认识有哪些提高？
2．对本节内容还有哪些疑问，提出来与同学或老师交流。
3．对本节内容反思后，完成下表。
这节课从知识上来说，主要学习了电功、电功率公式及焦耳定律，其中焦耳定律是主要内容。在研究问题时，我们主要运用了能量转化和守恒的方法。能量转化和守恒的方法是研究物理问题的一种重要方法，贯穿在物理知识学习的全过程中。
5 焦耳定律
1．电功W
定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。
公式：W＝IUt。
单位：焦耳，简称：焦，符号J。
2．电功率P
(1)定义：单位时间内电流所做的功。
公式：P＝＝IU
单位：瓦特(W)，1 W＝1 J/s。
(2)额定功率和实际功率
额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。
实际功率：用电器在实际电压下的功率。实际功率P实＝IU，U、I分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。
3．焦耳定律
内容：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体电阻和通电时间成正比。
公式：Q＝I2Rt
热功率：单位时间内的发热量。即P＝＝I2R
注：(1)对纯电阻电路，电功W等于电热Q，即W＝Q＝UIt＝I2Rt
(2)对非纯电阻电路，即W＝Q＋E其他或P＝P热＋P其他、UI＝I2R＋P其他
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/d5d5dcf9fab069dc502201bb.html
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