1、选修 3-1 第二章 2.5 焦耳定律 一、教材分析 焦耳定律是重要的物理定律，它是能量守恒定律在电能和热能转换中的体现，本节在电学 中是重要的概念之一。 二、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。 三、教学重点难点 【教学重点】电功、电功率的概念、公
2、式；焦耳定律、电热功率的概念、公式。 【教学难点】电功率和热功率的区别和联系。 四、学情分析 学生学好这节知识是非常必要的， A.重点：理解电功和电功率和焦耳定律。B.难点： 帮助学生认识电流做功和电流通过导体产生热量之间的区别和联系是本节的教学难点，防 止学生乱套用公式。C.关键：本节的教学关键是做好通电导体放出的热量与哪些因素有关 的实验。在得出了焦耳定律以后介绍焦耳定律公式及其在生活、生产上的应用 五、教学方法 等效法、类比法、比较法、实验法 六、课前准备 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 七、课时安排 八、教
3、学过程 （一）预习检查、总结疑惑 （二）情景引入、展示目标 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。 （三）合作探究、精讲点播 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
4、生：（1）电场力的功的定义式 W=qU （2）电流的定义式 I= tq 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
5、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 kWh. 教师：1 kWh 的物理意义是什么？1 kWh 等于多少焦？ 学生：1 kWh 表示功率为 1 kW 的用电器正常工作 1 h 所消耗的电能。 1 kWh
6、=1000 W3600 s=3.6106 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= t=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
7、”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= tW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
8、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
9、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 = tQ=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 ，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
10、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=0.500.50 W=0.25 W P 热 =I2R=0.5021.0 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=2.00.40 W=0.80 W P 热 =I2R=0.4021.0 W=0.16 W P 电 P 热 学生：分组讨论上述实验结果，总结
11、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
12、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 。 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。 （四）反思总结、当堂检测 （五）发导学案、布置作业 课后作业：P 57 问题与练习 2、3、4、5 九、板书设计 1、电功和电功率 （1）定义：在一段电路中电场力所做的功，就是电流所做
13、的功，简称电功. （2）定义式：W=UIT 2、焦耳定律 （1）定义：单位时间内发热的功率叫做热功率。 （2）定义式：P 热 = tQ=I2R （3）单位：瓦（W） 十、教学反思 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
14、 解析：正确选项为 BD。 （法一）由 RUP2额额 得灯泡的电阻 R 20 1210 电压为 110V 时， 12 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 RU 2 。可知 R 一定时，PU 2， 当 U=110V= 时额1，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
15、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? 【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 7 kW。1980 年 8 月，在浙江江厦 建成第一座潮汐电站，装机量为 3103 kW，平均年发电量为 1.7107 kWh，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
16、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 3103 kW，年发电量为 1.07 7 kWh，由公式 W=Pt 可算出每天满负荷工作的时间为 4641052.31035.7365 PTt 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 10644.235.107E J 因为 Vmgh, 所以每次涨潮的平均流量为 5310107.86.90.142ghEV 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=0.6，R=10，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？ 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。
