2.5 焦耳定律

高中物理课堂教学教案 2.5焦耳定律        年   月    日 课 题 §2.5焦耳定律 课 型 新授课 教   学  目   标  （一）知识与技能 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。 （二）过程与方法 通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养学生的分析、推理能力。 （三）情感、态度与价值观 通过电能与其他形式能量的转化和守恒，进一步渗透辩证唯物主义观点的教育。 教学重点、难点 重点 电功、电功率的概念、公式；焦耳定律、电热功率的概念、公式。 难点 电功率和热功率的区别和联系。 教 学 方 法 等效法、类比法、比较法、实验法 教  学 手 段      灯泡（36 V，18 W）、电压表、电流表、电源、滑动变阻器、电键、导线若干、投影仪、投影片、玩具小电机                      教学活动 （一）引入新课 教师：用电器通电后，可以将电能转化成其他形式的能量，请同学们列举生活中常用的用电器，并说明其能量的转化情况。学生：（1）电灯把电能转化成内能和光能；（2）电炉把电能转化成内能；（3）电动机把电能转化成机械能；（4）电解槽把电能转化成化学能。教师：用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程。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。 （二）进行新课 1、电功和电功率 教师：请同学们思考下列问题（1）电场力的功的定义式是什么? （2）电流的定义式是什么? 学生：（1）电场力的功的定义式W=qU （2）电流的定义式I= 教师：投影教材图2.5-1（如图所示）如图所示，一段电路两端的电压为U，由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在，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是多少? 学生：在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量q=It。教师：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。在这个过程中，电场力做了多少功？学生：在这一过程中，电场力做的功W=qU=IUt 教师：在这段电路中电场力所做的功，也就是通常所说的电流所做的功，简称电功。电功：（1）定义：在一段电路中电场力所做的功，就是电流所做的功，简称电功. （2）定义式：W=UIT 教师：电功的定义式用语言如何表述？学生：电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U，电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。教师：请同学们说出电功的单位有哪些？学生：（1）在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J. （2）电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h. 教师：1 kW·h的物理意义是什么？1 kW·h等于多少焦？学生：1 kW·h表示功率为1 kW的用电器正常工作1 h所消耗的电能。 1 kW·h=1000 W×3600 s=3.6×106 J 说明：使用电功的定义式计算时，要注意电压U的单位用V，电流I的单位用A，通电时间t的单位用s，求出的电功W的单位就是J。教师：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，为了描述电流做功的快慢，引入电功率的概念。（1）定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率。用P表示电功率。（2）定义式：P= =IU （3）单位：瓦（W）、千瓦（kW）［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。教师：在力学中我们讲功率时有平均功率和瞬时功率之分，电功率有无平均功率和瞬时功率之分呢？学生分组讨论。师生共同总结：（1）利用P= 计算出的功率是时间t内的平均功率。（2）利用P=IU计算时，若U是某一时刻的电压，I是这一时刻的电流，则P=IU就是该时刻的瞬时功率。教师：为什么课本没提这一点呢？学生讨论，教师启发、引导：这一章我们研究的是恒定电流，用电器的构造一定，通过的电流为恒定电流，则用电器两端的电压必是定值，所以U和I的乘积P不随时间变化，也就是说瞬时功率与平均功率总是相等的，故没有必要分什么平均功率和瞬时功率了。［说明］利用电功率的公式P=IU计算时，电压U的单位用V，电流I的单位用A，电功率P的单位就是W。 2、焦耳定律 教师：电流做功，消耗的是电能。电能转化为什么形式的能与电路中的电学元件有关。在纯电阻元件中电能完全转化成内能，于是导体发热。设在一段电路中只有纯电阻元件，其电阻为R，通过的电流为I，试计算在时间t内电流通过此电阻产生的热量Q。学生：求解产生的热量Q。解：据欧姆定律加在电阻元件两端的电压U=IR 在时间t内电场力对电阻元件所做的功为W=IUt=I2Rt 由于电路中只有纯电阻元件，故电流所做的功W等于电热Q。产生的热量为 Q=I2Rt 教师指出：这个关系最初是物理学家焦耳用实验得到的，叫焦耳定律，同学们在初中已经学过了。学生活动：总结热功率的定义、定义式及单位。热功率：（1）定义：单位时间内发热的功率叫做热功率。（2）定义式：P热= =I2R （3）单位：瓦（W）［演示实验］研究电功率与热功率的区别和联系。（投影）实验电路图和实验内容： 取一个玩具小电机，其内阻R=1.0 Ω，把它接在如图所示的电路中。（1）先夹住电动机轴，闭合电键，电机不转。调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为0.50 V，记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。（2）再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为2.0 V（此电压为小电机的额定电压），记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。［实验结果］（1）电机不转时，U=0.50 V，I=0.50 A， P电=UI=0.50×0.50 W=0.25 W P热=I2R=0.502×1.0 W=0.25 W P电=P热 （2）电机转动时，U=2.0 V，I=0.40 A， P电=UI=2.0×0.40 W=0.80 W P热=I2R=0.402×1.0 W=0.16 W P电＞P热 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。师生共同活动：总结：（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。（投影）教材56页 教师引导学生完成对例题的分析、求解。 （三）课堂总结、点评 教师活动：让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。学生活动：认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。 点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。 （四）实例探究 ☆求两点间的电势差 【例1】不考虑温度对电阻的影响，对一个“220V，40W”的灯泡，下列说法正确的是 A.接在110 V的电路上时的功率为20 W B.接在110 V的电路上时的功率为10 W C.接在440 V的电路上时的功率为160W D.接在220 V的电路上时的功率为40 W 解析：正确选项为BD。（法一）由 得灯泡的电阻 Ω＝1210Ω ∴电压为110V时，  W=10 W 电压为440V时，超过灯炮的额定电压一倍，故灯泡烧坏，P=0. （法二）由 。可知R一定时，P∝U2， ∴当U=110V= ，P=P额/4=10 W 说明：灯泡是我们常用的用电器，解题时一般不考虑温度对其电阻的影响。用电器的标称值，指其额定值，即用电器在正常工作时的电压、功率以及电流值，由P额=U额·I额可知，P、U、I有同时达到、同时超过、同时不满足的特点。【例2】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0.3V，电流为0.3A。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? 解析：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： 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＝0.8×2W＝1.6 W 电动机的机械功率 P机=P入-I12r=1.6-0.82×1 W=0.96W 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。【例3】潮汐发电是利用涨落潮的水位差来工作的，潮差越大，海水流量越大，发电功率也越大。我国潮汐能的可供开发的总装机量为3.6×１０7 kW。1980年8月，在浙江江厦建成第一座潮汐电站，装机量为3×103 kW，平均年发电量为1.7×107 kW·h，其规模居世界第二位。（1）试根据上文中给出的数据，计算我国建造的江厦潮汐电站平均每天满负荷工作几小时? （2）设江厦潮汐电站涨潮和落潮时的平均潮差为6 m，计算每次涨潮时流量是多大?（设潮汐电站的总能量转换效率为50%）解析：（1）江厦潮汐电站功率为3×103 kW，年发电量为1.07×１０7 kW·h，由公式W=Pt可算出每天满负荷工作的时间为  s=9.8 h （2）由文中给出数据及每天涨、落潮的次数可知，平均每次的发电量为 J 因为 所以每次涨潮的平均流量为 m3/次说明：本题涉及到潮汐这种自然现象，涨潮和落潮时均有水流的机械能转化为电能。【例4】如图所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻r=0.6Ω，R=10Ω，U=160 V，电压表的读数为110 V，求（1）通过电动机的电流是多少？（2）输入到电动机的电功率是多少？（3）在电动机中发热的功率是多少？（4）电动机工作1 h所产生的热量是多少？解析：（1）设电动机两端的电压为U1，电阻R两端的电压为U2，则 U1=110 V，U2=U-U1=（160-110）V=50 V 通过电动机的电流为I，则I= =  A=5 A （2）输入到电功机的电功率P电，P电=U1I=110×5 W=550 W （3）在电动机中发热的功率P热，P热=I2r=52×0.6 W=15 W （4）电动机工作1 h所产生的热量Q，Q=I2rt=52×0.6×3600 J=54000 J 说明：电动机是非线性元件，欧姆定律对电动机不适用了，所以计算通过电动机的电流时，不能用电动机两端的电压除以电动机的内阻。通过计算发现，电动机消耗的电功率远大于电动机的热功率。   学 生 活 动 作   业 书面完成P57“问题与练习”第4、5题；思考并回答其他小题。 板   书   设   计 教 学 后 记