2020高中物理 第2章 第5节 焦耳定律教案 新人教版选修3-1

2020高中物理 第2章 第5节 焦耳定律教案 新人教版选修3-1

‎5．焦耳定律 ‎ 三维目标 知识与技能 ‎1．理解电功、电功率的概念，公式的物理意义，了解实际功率和额定功率；‎ ‎2．了解电功和电热的关系，了解公式Q＝I2Rt、P＝I2R、Q＝、P＝的适应条件；‎ ‎3．知道电功率和热功率的区别和联系。知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系，电功大于电热；‎ ‎4．能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题。‎ 过程与方法 ‎1．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；‎ ‎2．通过有关实例，让学生理解电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程。‎ 情感态度与价值观 ‎1．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；‎ ‎2．通过学习进一步体会能量守恒定律的普遍性。‎ 教学重点 ‎1．电功、电功率、焦耳定律、电热功率的概念、公式；‎ ‎2．区别并掌握电功和电热的计算。‎ 教学难点 主要在学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识，接受起来比较困难。‎ 教学方法 等效法、类比法、比较法、实验法。‎ 教学手段 灯泡、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。‎ 教学过程 ‎［新课导入］‎ ‎（1）通过前面的学习，可知导体内自由电荷在电场力作用下发生定向移动，电场力对定向移动的电荷做功吗？‎ ‎（做功，而且做正功）‎ ‎（2）电场力做功将引起能量的转化，电能转化为其他形式能，举出一些大家熟悉的例子？‎ ‎（电灯把电能转化成内能和光能；电炉把电能转化成内能；电动机把电能转化成机械能；电解槽把电能转化成化学能。）‎ 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，重点研究电路中的能量问题。‎ ‎［新课教学］‎ 一、电功和电功率 ‎1．电功 我们知道，功是能量转化的量度，电能转化为其它形式能的过程就是电流做功的过程，电流做功的多少等于电能转化为其它形式能的数量。‎ 所谓电流做功，实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。自由电荷在静电力作用下沿静电力的方向做定向移动，结果电荷的电势能减小，其它形式能的增加。‎ 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?‎ 在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷总量为 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。在这个过程中，电场力做了多少功？‎ 在这一过程中，电场力做的功是 W＝qU＝IUt 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。‎ ‎（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）公式 W＝UIt 电功的定义式用语言如何表述？‎ 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。‎ ‎（3）单位 请同学们说出电功的单位有哪些？‎ 在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。1J＝1V·A·s。‎ 电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h。‎ ‎1 kW·h的物理意义是什么？1 kW·h等于多少焦？‎ ‎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。‎ ‎（4）说明 ‎①电功的实质是能量守恒定律在电路中的体现。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，能量守恒，即有多少电能减少，就有多少其他形式能增加。‎ ‎②电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流强度和通电时间成正比。‎ ‎③适用条件：I、U不随时间变化──恒定电流。‎ ‎④注意单位统一。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。‎ ‎2．电功率 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）公式 P＝＝IU 这表示电流在一段电路上做功的功率P等于电流I与这段电路两端的电压U的乘积。该式对任何电路都适用。‎ ‎（3）单位 在国际单位制中，电功率的单位是瓦特（W），1W＝1J/s。‎ 常用单位有千瓦（kW），1 kW＝1000W。‎ ‎（4）额定功率与实际功率 ‎①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。‎ ‎②实际功率 用电器在实际电压下的功率，U、I分别对应用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。‎ ‎③额定功率与实际功率的关系 对一个用电器来说，额定功率只有一个。实际功率可随着用电器两端的电压和通过的电流的变化而改变。所以实际功率可等于、小于或大于额定功率。‎ 总结：‎ 选择用电器时，要注意它的额定电压，只有在额定电压下用电器才能正常工作。实际电压偏低，用电器消耗的功率低，不能正常工作。实际电压偏高，长期使用会影响用电器的寿命，还可能烧坏用电器。‎ ‎（5）平均功率与瞬时功率 利用P＝计算出的功率是时间t内的平均功率。‎ 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。‎ 为什么课本没提这一点呢？‎ 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。‎ ‎（6）说明 ‎①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。‎ ‎②注意单位统一。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。‎ 二、焦耳定律 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。‎ ‎1．焦耳定律 在只含有白炽灯、电炉等电热元件纯电阻电路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。‎ 在时间t内电场力对电阻元件所做的功为 W＝IUt＝I2Rt 据欧姆定律加在电阻元件两端的电压 U＝IR 由于电路中只有纯电阻元件，故电流所做的功W＝Q。‎ 产生的热量的表达式为 Q＝I2Rt 这个关系最初是物理学家焦耳用实验得到的，叫焦耳定律。‎ ‎（1）内容 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。‎ ‎（2）公式 Q＝I2Rt ‎2．热功率 学生活动：总结热功率的定义、定义式及单位。‎ ‎（1）定义 单位时间内的发热量通常称是热功率。‎ ‎（2）公式 P＝＝I2R ‎（3）单位：瓦（W）‎ ‎3．电功与电热的关系 ‎【实验探究】研究电功率与热功率的区别和联系。‎ 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。‎ ‎（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，等于这段电路两端电压U和通过的电流I的乘积。‎ 电功率P＝UI，对任何电路都适用。‎ 热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，等于通过这段电路中电流的平方I2和电阻R的乘积。‎ 电热功率P热＝I2R，对任何电路也都适用。‎ ‎（2）电功率与热功率的联系 ‎①在纯电阻电路中，电功率与热功率数值相等 W Q＝W R U＝IR W＝Q＝UIt＝I2Rt＝‎ P热＝P电＝UI＝I2R＝‎ 即在纯电阻电路中，电流做功将电能全部转化为内能。‎ 上述实验中，电机不转时，小电机就相当于纯电阻。‎ ‎②在非纯电阻电路中，电功率数值大于热功率数值 若电路中有电动机或电解槽时等元件时，电路为非纯电阻电路。‎ W W＞Q M Q 电路中消耗的电功率绝大部分转化为机械能或化学能等其它形式的能，只有一少部分转化为内能，这时电功率大于热功率。‎ U＞IR W＞Q，W＝UIt，Q＝I2Rt P电＞P热 ，P电＝UI，P热＝I2R P电＝P热＋P出 上述实验中，电机转动时，电机消耗的电功率，其中大部分转化为机械能，有一小部分转化为内能，故P电＞P热。‎ ‎【例题1】一个电动机，线圈电阻是0.4Ω，当它两端所加的电压为220V时，通过的电流是5A。这台电动机每分钟所做的机械功有多少？‎ 解析：本题涉及三个不同的功率：电动机消耗的电功率P电、电动机的发热功率P热、转化为机械能的功率P机。三者之间遵从能量守恒定律，即 P电＝P热＋P机 由焦耳定律，电动机的热功率为 P热＝I2R 电动机消耗的电功率，即电流做功的功率 P电＝IU 因此可得电能转化为机械能的功率，即电动机所做机械功的功率 P机＝P电－P热＝IU－I2R 根据功率与做功的关系，电动机每分钟所做的机械功为 W＝P机t＝6.54×104J。‎ ‎【例题2】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 M V U R ‎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1h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＝＝5 A。‎ ‎②输入到电功机的电功率P电＝U1I＝110×5 W＝550 W。‎ ‎③在电动机中发热的功率P热＝I2r＝52×0.6 W＝15 W。‎ ‎④电动机工作1 h所产生的热量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。‎ ‎【例题3】灯L与电动机D并联，灯L上标有200W字样，电动机D上标有2000W字样，当电源两端A、B加上220V电压时，灯和电动机均正常工作，求：电灯正常工作时的电阻。‎ 解析：因为电灯是纯电阻用电器，所以电灯正常工作时的功率可表示为 P＝UI＝I2R＝，灯正常工作时P＝200W，根据 P＝I2R知，只要求出灯正常工作时的电流，即可求出电灯正常工作时的电阻。对电路所有用电器，利用 P＝UI可求得电路中的电流强度。‎ 整个电路用电器正常工作的总功率为：P＝PL＋PD＝2200W，由于电压 U＝220V。‎ 根据P＝UI得，电路中的电流I＝＝10A。‎ 对灯L由 P＝I2R得灯正常工作时的电阻 R＝＝2Ω，即灯正常工作时的电阻为 2Ω。‎ ‎【例题4】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：＝1Ω。‎ 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。‎ ‎【例题5】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6m，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，m＝ρV 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。‎ ‎【巩固练习】‎ ‎1．一台电动机额定电压为220 V，线圈电阻R＝0.5 Ω,电动机正常工作时通过电动机线圈的电流为‎4 A，电动机正常工作10 min，求 ‎①消耗的电能；‎ ‎②产生的热量；‎ ‎③输出的机械能。‎ 解析：①由题意知：U＝220 V，R＝0.5Ω，I＝4 A，t＝10 min＝600 s。‎ 消耗的电能W＝UIt＝220×4×600 J＝5.28×105 J；‎ ‎②产生的热量Q＝I2Rt＝42×0.5×600 J＝4.8×103 J；‎ ‎③输出的机械能E＝W－Q＝5.23×105 J。‎ ‎2．为了使电炉消耗的电功率减小到原来的一半，应采取下列哪些措施( D )‎ A．保持电阻不变，使电流减半 B．保持电阻不变，使电压减半 C．保持电炉两端电压不变，使其电阻减半 D．使电压和电阻各减半 ‎3．电阻 R1接在恒定电压上，通过‎2C电量时消耗的电能为50J，则电阻R2接在同一恒定电压上，通过‎2C电量时消耗的电能是( C )‎ A．大于50J B．小于50J C．等于50J        D．因 R1、 R.2的大小关系未知，无法比较 ‎4．把家用电炉的电热丝剪去一小段后，继续使用，则在同样的时间内( C )‎ A．由Q＝I2Rt可知，电炉的发热量减少 B．由Q＝UIt可知，电炉的发热量不变 C．由Q＝t可知，电炉的发热量增加 D．无法确定 UAB R1‎ R2‎ S ‎5．如图所示，滑动变阻器R1的最大阻值为200Ω，电阻R2＝200Ω，电路电压UAB＝8 V，试分别计算开关S断开和闭合两种情况下，移动滑动片，R2两端获得功率的范围。‎ 解析：①当S断开时，R1起限流作用，当滑片位于R1的最上端时，R2上的电压最大，Umax＝UAB＝8V，此时电阻R2上消耗的功率最大。‎ Pmax＝＝0.32 W 当滑片位于R1的最下端时，R2的电压最小，Umin＝UAB＝4V，此时电阻R2上消耗的功率最小，Pmin＝＝0.08 W ‎②当S闭合时，R1起分压作用，当滑片位于R1的最上端时，R2上的电压最大，Umax＝UAB＝8V，此时R2的功率最大，Pmax＝＝0.32 W 当滑片移动R1的最下端时，R2上的电压最小，Umin＝0，此时R2的功率最小，Pmin＝0。‎ ‎［小结］‎ 本节课主要学习了以下几个问题：‎ ‎1．电功和电功率 电场力对自由电荷做的功叫做电功，通过电流做功将电能转化成其它形式的能。电功W＝UIt。单位时间内电流做的功叫做电功率，反映了电流做功的快慢，电功率P＝UI。‎ ‎2．电功率和热功率 电流通过导体时要发热，产生的热量Q＝I2Rt。导体发热的功率P热＝I2R。在纯电阻电路中和非纯电阻电路中，电功和电热的关系不同，要从能量转化的角度来理解这个问题。要了解和掌握各个公式之间的关系和适用的条件，不能乱用。‎ ‎［布置作业］‎ 教材第55页“问题与练习”。‎ 板书设计 ‎5．焦耳定律 一、电功和电功率 ‎1．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）公式 W＝UIt ‎（3）单位 在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。1J＝1V·A·s。‎ 电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h。‎ ‎1 kW·h＝1000 W×3600 s＝3.6×106 J。‎ ‎（4）说明 ‎①电功的实质是能量守恒定律在电路中的体现。‎ ‎②电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流强度和通电时间成正比。‎ ‎③适用条件：I、U不随时间变化──恒定电流。‎ ‎④注意单位统一。‎ ‎2．电功率 ‎（1）定义 单位时间内电流所做的功叫做电功率。‎ ‎2）公式 P＝＝IU ‎（3）单位 在国际单位制中，电功率的单位是瓦特（W），1W＝1J/s。‎ ‎（4）额定功率与实际功率 ‎①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。‎ ‎②实际功率 用电器在实际电压下的功率，U、I分别对应用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。‎ ‎③额定功率与实际功率的关系 ‎（5）平均功率与瞬时功率 ‎（6）说明 ‎①电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”不同。‎ ‎②注意单位统一。‎ 二、焦耳定律 ‎1．焦耳定律 ‎（1）内容 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。‎ ‎（2）公式 Q＝I2Rt ‎2．热功率 ‎（1）定义 单位时间内的发热量通常称是热功率。‎ ‎（2）公式 P＝＝I2R ‎（3）单位：瓦（W）‎ ‎3．电功与电热的关系 ‎（1）电功率与热功率的区别 电功率P＝UI，对任何电路都适用。‎ 电热功率P热＝I2R，对任何电路也都适用。‎ ‎（2）电功率与热功率的联系 ‎①在纯电阻电路中，电功率与热功率数值相等 U＝IR W＝Q＝UIt＝I2Rt＝‎ P热＝P电＝UI＝I2R＝‎ ‎②在非纯电阻电路中，电功率数值大于热功率数值 U＞IR W＞Q，W＝UIt，Q＝I2Rt P电＞P热 ，P电＝UI，P热＝I2R P电＝P热＋P出