電路中的能量教學(xué)設(shè)計(jì)

電路中的能量教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)從電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能理解電功及電功率，理解電功和能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，形成物理觀念。經(jīng)歷探究焦耳定律的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，知道焦耳定律的物理意義，關(guān)注焦耳定律在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，提高科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。能從層電阻電路和非純電阻電路的角度區(qū)別電功和電熱形成物理觀念，通過實(shí)例加深對(duì)這個(gè)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，提高科學(xué)思維能力。二、教材分析認(rèn)識(shí)閉合電路本節(jié)課從電在生活中的應(yīng)用用手提出電能是如何本節(jié)課從電在生活中的應(yīng)用入手提出電能是如何轉(zhuǎn)化為其他形式的能再轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程中又遵循怎樣的規(guī)律呢？的問題進(jìn)入新課。本節(jié)課有三個(gè)主題分別是“電功和電功率”“焦耳定律”“閉合電路中的能量”。安排的課堂欄目有“討論與交流”三個(gè)，“觀察與思考”一個(gè)，“例題”一道課后欄目，、有“實(shí)踐與與拓展”“練習(xí)”各一個(gè)主題“電功和電功率”中，通過“討論與交流”欄目設(shè)置了一個(gè)情境：“假設(shè)一段導(dǎo)體兩端加上電壓后導(dǎo)體內(nèi)的自由電荷，在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)形成電流I電流。電流通過導(dǎo)體做的功與什么因素有關(guān)？”引導(dǎo)學(xué)生從電流的定義式和電場(chǎng)力做功的公式推導(dǎo)出電功的公式，W=UIt，體現(xiàn)了科學(xué)思維的特點(diǎn)。接著參照功率的定義，結(jié)合剛剛推導(dǎo)出的電功公式，得出具有電特色的電功率公式，P=UI形成物理觀念。主題“焦耳定律”中增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精確度，實(shí)驗(yàn)中引入數(shù)據(jù)采集器，溫度傳感器。關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面，則建議采用圖像法，這樣更能直觀地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在概括焦耳定律時(shí)，教材從物理學(xué)史的角度指出焦耳定律最初是由英國物理學(xué)家焦耳通過實(shí)驗(yàn)得出的。焦耳定律反映了電流的熱效應(yīng)規(guī)律，在純電阻電路中，電能完全轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能，即電流的功等于電流通過這段導(dǎo)體時(shí)發(fā)出的熱量。這就是我們常說的“電功等于電熱”，在非純電阻電路中，電能W=UIt，部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能Q=I2rt，另一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者化學(xué)能等其他形式的能，這時(shí)電功大于電熱。主題“閉合電路中的能量”延續(xù)上一章“閉合電路的歐姆定律”的知識(shí)，從能量轉(zhuǎn)化角度來認(rèn)識(shí)閉合電路中的能量關(guān)系，形成物理觀念。教材“例題”中則要求能從純電阻電路和非純電阻電路的角度區(qū)別電功和電熱，要求學(xué)生加深對(duì)這個(gè)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，提高科學(xué)思維能力?！皩?shí)踐與拓展”欄目中，通過收集新型電熱器的資料，了解其發(fā)熱原理，提高學(xué)生節(jié)約能源的意識(shí)。教學(xué)過程引入：現(xiàn)代生活中隨處都可以見到用電設(shè)備和用電器，例如電燈電視電熱水壺電動(dòng)汽車等。那么你知道這些用電器中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的嗎？首先我們來講解電功和電功率?，F(xiàn)代生活中隨處都可以見到用電設(shè)備和用電器一、電功和電功率設(shè)計(jì)思想：引導(dǎo)學(xué)生分析一段通電電路，從靜電力做功的角度，結(jié)合電流定義推導(dǎo)靜電力做功，明確電流的功就是指靜電力的做的功。電流的功率就是靜電力的功率。在外加電源的作用下，電路內(nèi)有靜電場(chǎng)，電路兩端有電勢(shì)差，自由電荷在電場(chǎng)力的作用下定向移動(dòng)形成電流。在靜電場(chǎng)章節(jié)的學(xué)習(xí)中，我們知道電場(chǎng)力做功與路徑無關(guān)，只與電荷量和電勢(shì)差有關(guān)。即電場(chǎng)力做功W=Uq。在該通電電路中，電場(chǎng)力不斷搬運(yùn)電荷通過導(dǎo)體，電場(chǎng)力也會(huì)做功。下面我們來計(jì)算電場(chǎng)力也稱之為靜電力，做了多少功？根據(jù)電流的定義I=q/t得，在時(shí)間t內(nèi)通過該電路任一截面的電荷量為q=It，若這段電路兩端的電勢(shì)差為U，則靜電力做功W=Uq=UIt。在電路中通常我們把靜電力對(duì)自由電荷做的功叫做電流的功簡(jiǎn)稱電功。靜電力做功消耗了電勢(shì)能通過電路轉(zhuǎn)化成別的形式的能。靜電力做功的快慢我們用電功率來描述，電流在一段電路中所做的功與通電時(shí)間之比叫做電功率，用P表示由P=W/t進(jìn)而得到P=UI。這個(gè)公式表示電流在一段電路中做功的功率P等于這段電路的電壓U與電流I的乘積設(shè)計(jì)思想：通過一個(gè)交流討論理解P=W/t和P=UI兩式的區(qū)別，一個(gè)是定義式，一個(gè)是電路情景中的計(jì)算式。引導(dǎo)學(xué)生從力的角度理解功、功率。試試大家理解的怎么樣？討論與交流P=UI和P=W/t兩式的意義相同嗎？它們的意義有以下不同，P=W/t用做功除以相應(yīng)的時(shí)間這是功率的定義式，適用于計(jì)算各種情景中的功率。P=UI適用于計(jì)算一段電路上消耗的總電功率，注意電功率本質(zhì)上指的是電路中靜電力做功的功率，靜電力做功消耗了電勢(shì)能，簡(jiǎn)稱電能。通過電路轉(zhuǎn)化成了其它形式的能，這里關(guān)于電功和電功率做一個(gè)要點(diǎn)小結(jié)：功和功率是一個(gè)力學(xué)中的概念，理解功和功率最終要落實(shí)到力上面去，電功、電功率指的是電路內(nèi)靜電力搬運(yùn)自由電荷通過該電路時(shí)做的功和功率，結(jié)合功、功率的定義和電路中靜電力做功的特點(diǎn)從而得出W=UItP=UI焦耳定律設(shè)計(jì)思想：從力做功的角度理解純電阻電路中能量的轉(zhuǎn)化，靜電力做功消耗電勢(shì)能，克服自由電荷定向移動(dòng)撞擊晶格產(chǎn)生的阻力，熱運(yùn)動(dòng)加劇而產(chǎn)生內(nèi)能。注意在電功率公式P=UI的推導(dǎo)過程中，沒有對(duì)電路的性質(zhì)做任何要求也就是說對(duì)任何性質(zhì)的電路，都可以用這個(gè)公式計(jì)算總的電功率，先來研究只將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的電路——純電阻電路由能量守恒定律Q=W=UIt由歐姆定律U=IR聯(lián)立得Q=I2Rt即電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比，這就是焦耳定律。電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量叫做焦耳熱，用產(chǎn)生的焦耳熱除以時(shí)間可以得到發(fā)熱功率，簡(jiǎn)稱熱功率P熱=I2R設(shè)計(jì)一個(gè)例題幫助同學(xué)們掌握上面公式例題如圖所示為某兩個(gè)電阻的U－I圖像求：（1）電阻之比R1∶R2（2）若把兩電阻串聯(lián)后接入電路時(shí)消耗功率之比P1∶P2（3）若把兩電阻并聯(lián)后接入電路時(shí)消耗功率之比P1′∶P2′第一問，通過U-I圖像可以發(fā)現(xiàn)R1、R2均為線性元件，即不同電壓下電壓與電流的比值是確定的，也就是電阻不隨電流電壓而變化可根據(jù)歐姆定律得R1=6.0ΩR2=3.0Ω所R1比R2等于2第二問因?yàn)镽1、R2為純電阻，消耗的功率與熱功率相等P1/P2=P1熱/P2熱=I2R1/I2R2又由于通過它們的電流相等所以P1/P2=R1/R2=2第三問純電阻電路中有歐姆定律成立P=UI=U2/RR1、R2有相同的電壓所以它們消耗的功率與電阻成反比即：P1’/P2’=R2/R1=1/2特別注意P=U2/R這個(gè)公式的得出用到歐姆定律只適用于純電阻電路設(shè)計(jì)思想：用純電阻電路和非純電阻電路進(jìn)行對(duì)比，從力的角度理解發(fā)熱功率是自由電荷定向移動(dòng)與晶格碰撞引起，兩種電路在這一機(jī)理上并沒有什么不同，理解焦耳定律計(jì)算電熱是普遍適用的。非純電阻電路電功率與熱功率不同的原因是靜電力除了克服晶格阻力還要克服其它力。從能量守恒的角度推理出非純電阻電路中歐姆定律不成立。討論純電阻和非純電阻電路中能量轉(zhuǎn)化機(jī)理，提出問題：圖中是一段通電導(dǎo)體，恒定電壓下，自由電荷在靜電力的作用下，定向移動(dòng)的速率會(huì)一直增加嗎？為什么？不會(huì)，因?yàn)楹愣妷合码娏骱愣?，從微觀上了看就是自由電荷定向移動(dòng)的速率恒定。原因是自由電荷定向運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)體晶格發(fā)生碰撞受到平均阻力與靜電力平衡而撞擊使得熱運(yùn)動(dòng)加劇從而產(chǎn)生內(nèi)能。這個(gè)過程靜電力做了多少正功就消耗多少電能，克服平均阻力做了多少功就產(chǎn)生了多少內(nèi)能，這就是純電阻電路中能量轉(zhuǎn)化的機(jī)理。下面我們?cè)賮砜捶羌冸娮桦娐防珉妱?dòng)機(jī)，其核心部件由線圈繞制而成，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)線圈的熱功率如何計(jì)算，歐姆定律成立嗎？為什么？電流流過電動(dòng)機(jī)的線圈自由電荷定向移動(dòng)與晶格碰撞產(chǎn)生內(nèi)能，產(chǎn)生內(nèi)能的機(jī)理與純電阻電路并無區(qū)別，因而熱功率依然可以用P=I2R計(jì)算，但是歐姆定律不成立。由能量守恒定律知，經(jīng)過t時(shí)間電流做的功消耗的電勢(shì)能為UIt產(chǎn)生內(nèi)能I2Rt并不相等，其差值轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能UIt>I2Rt即UI>I2R顯然I<U/R歐姆定律不成立本質(zhì)原因是非純電阻電路中靜電力除了克服晶格阻力產(chǎn)生內(nèi)能，以外還要克服其它形式的力而這一部分就會(huì)轉(zhuǎn)化成其它形式的能。以電動(dòng)機(jī)為例電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P機(jī)=UI-I2R設(shè)計(jì)思想：設(shè)計(jì)一個(gè)討論與交流環(huán)節(jié)檢測(cè)學(xué)生是否理解P=UI和P=I2R兩式的意義相同嗎？兩者的數(shù)值在什么條件下相等？P=UI是計(jì)算一段電路上電流即靜電力搬運(yùn)電荷的總功率，也就是消耗電能的功率。P=I2R是計(jì)算一段電路上的熱功率，也就是自由電荷定向移動(dòng)，撞擊使熱運(yùn)動(dòng)加劇產(chǎn)生內(nèi)能的功率。如果該段電路為純電阻電路（只有電能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化）二者才會(huì)相等！設(shè)計(jì)一道辨析題，再設(shè)計(jì)一個(gè)純電阻與非純電阻的對(duì)比計(jì)算題，鞏固概念理解例題下列關(guān)于電功、電功率和焦耳定律的說法中正確的是（）A．電功率越大，電流做功越快，電路中產(chǎn)生的焦耳熱一定越多B．W＝UIt適用于任何電路而W=I2Rt=U2/Rt只適用于純電阻電路C．在非純電阻電路中UI>I2RD．焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路電功率越大電流做功越快，但是電路中產(chǎn)生的焦耳熱與通電時(shí)間有關(guān)沒有控制時(shí)間一定，則不確定，A項(xiàng)錯(cuò)誤；電功的計(jì)算公式對(duì)電路沒有任何要求適用于任何電路而W=I2Rt=（U2/R）t第一個(gè)等號(hào)成立要求電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，第二個(gè)等號(hào)默認(rèn)了歐姆定律成立，所以該式成立的條件是純電阻電路。B項(xiàng)正確；非純電阻電路中，電能不完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，還有其他形式的能產(chǎn)生，所以電功率大于熱功率C項(xiàng)正確；該公式的本質(zhì)是自由電荷定向移動(dòng)撞擊產(chǎn)生使熱運(yùn)動(dòng)加劇，無論純電阻電路還是非純電阻電路都有相同的形式即焦耳熱Q＝I2Rt適用于任何電路D項(xiàng)正確一臺(tái)標(biāo)有“220V66W”的電風(fēng)扇，線圈的電阻為20Ω（1）當(dāng)加上220V電壓，求：電風(fēng)扇消耗的功率，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率和發(fā)熱功率（2）如果接上220V的電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求電風(fēng)扇消耗的功率和發(fā)熱功率當(dāng)加220V電壓，由題意電風(fēng)扇正常工作此時(shí)消耗的功率為66WI=P/U=0.3AP熱=I2R=0.32×20W=1.8WP機(jī)=P-P熱=66W-1.8W=64.2W若扇葉被卡住，則電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，此時(shí)為純電阻電路，歐姆定律成立。I=U/R=11A電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能電功率等于熱功率=UI=2420w設(shè)計(jì)思想：對(duì)前面講解要點(diǎn)及時(shí)小結(jié)。1、電熱和熱功率Q＝I2Rt是電熱的計(jì)算式P熱＝I2R是熱功率的計(jì)算式，可以計(jì)算任何電路產(chǎn)生的電熱和熱功率．2、電功和電熱的關(guān)系(1)在純電阻電路中：①電功和電熱相等W＝Q＝UIt＝U2/Rt＝I2Rt②電功率和熱功率相等P＝P熱＝UI＝I2R＝U2/R③歐姆定律成立：由UIt＝I2Rt得：I＝U/R(2)在非純電阻電路中：①電功大于電熱，W＝Q＋W其他電功只能用W＝UIt計(jì)算電功率只能用P＝UI計(jì)算②電熱只能用Q＝I2Rt計(jì)算熱功率只能用P＝I2R計(jì)算③歐姆定律不成立，由UIt>I2Rt得U>IR.三、閉合電路中的能量電源內(nèi)部非靜電力克服靜電力和晶格阻力,根據(jù)電動(dòng)勢(shì)的定義電動(dòng)勢(shì)E等于非靜電力做的功W非除以電荷量qW非=Eq=EIt非靜電力做功消耗其它能根據(jù)閉合電路歐姆定律E=U+Ir兩邊都乘以It得EIt=UIt+I2rt可以看出左邊第一項(xiàng)EIt是由于非靜電力做功而消耗的其它形式的能右邊第一項(xiàng)UIt是外電路上消耗的電能右邊第二項(xiàng)I2rt是電流通過電源內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)能該式反映了能量守恒,其它形式的能轉(zhuǎn)化為外電路上消耗的電能,和電源內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)能。設(shè)計(jì)目的：下面通過一道兩例題來領(lǐng)悟閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化，一道部分電路，一道閉合電路層層遞進(jìn)。例題設(shè)計(jì)了幾個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)比如用公式要注意對(duì)象，純電阻電路可用歐姆定律，非純電阻則不能。例題我國大部分電器的額定電壓是220V（1）一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻R1=0.2Ω，正常工作時(shí)的電流I1=20A，求每秒電流所做的功以及線圈上每秒內(nèi)產(chǎn)生的熱量。（2）電飯煲正常工作時(shí)的電流I2=5A，其發(fā)熱盤的電阻R2=40Ω，其消耗的電能大部分轉(zhuǎn)化為哪種能第一問電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)為非純電阻電路，電流所做的功用UIt計(jì)算，結(jié)果為4400J而線圈電阻產(chǎn)生的熱量用I2Rt計(jì)算結(jié)果為80J第二問發(fā)熱盤電阻產(chǎn)生的熱量用I2Rt計(jì)算結(jié)果為1000J電飯煲的總電功用UIt計(jì)算結(jié)果為1100J通過計(jì)算可知電動(dòng)機(jī)消耗的電能，遠(yuǎn)大于線圈電阻上產(chǎn)生的熱量，大部分電能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而電飯煲則把大部分電能轉(zhuǎn)化為發(fā)熱盤電阻上的熱量。如圖所示的電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)E=9v，內(nèi)阻r=0.5Ω，電動(dòng)機(jī)的電阻R0=1.0Ω，電阻R1=1.5Ω電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電壓表的示數(shù)U=3.0V求：（1）電路中的總電流；（2）電阻R1的發(fā)熱功率；（3）電動(dòng)機(jī)消耗的電功率。本題首先要搞清楚歐姆定律只適用于純電阻電路，對(duì)于含有電動(dòng)機(jī)的部分電路不能應(yīng)用歐姆定律，注意到電壓表測(cè)量的是R1的電壓，而R1是純電阻，可以對(duì)R1用歐姆定律I=U/R1=2A電阻R1的發(fā)熱功率P=I2R1=6W當(dāng)然R1的發(fā)熱功率也可以用其兩端的電壓乘以通過它的電流來計(jì)算因?yàn)镽1消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能UI=I2R第三問要求電動(dòng)機(jī)消耗的電功率，我們需要知道電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，特別注意不能直接對(duì)電動(dòng)機(jī)用歐姆定律IR0計(jì)算，我們應(yīng)該應(yīng)用閉合電路歐姆定律，從電源那邊入手，先計(jì)算路端電壓E-Ir，再減去電阻R1上的電壓就可以得出電動(dòng)機(jī)