学教科版选修31 2.6焦耳定律 电路中的能量转化 教案（4）.docx

2.6 焦耳定律 电路中的能量转化一、教学目标（1）知识与技能理解电功、电功率的概念，公式的物理意义。了解实际功率和额定功率。知道电功和电热的关系。理解公式q=i2rt（p=i2r）、q=u2t/r（p=u2/r）的适应条件。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。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。（2）过程与方法通过对电动机电路的探究，提高学生分析论证能力；在教学中培养学生归纳、总结的科学思维方法。 （3）情感态度与价值观通过本节课教学，学生体会到总结的科学思维方法。二、重点与难点重点：区别并掌握电功和电热的计算。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。 三、教学过程（一）教学引入这节课，我们将学习第六节内容，焦耳定律 电路中的能量转化，这节课的知识大多数在初中就已经涉及到，今天，我们就从电场力做功和能量的转化角度深层次的了解和学习。（二）教学展开一）电功 电功率通过前面的学习，可知导体内自由电荷在电场力作用下发生定向移动，导体中就出现了电流，电荷在导体中运动的过程就是电场力对定向移动的电荷做正功的过程如此图，电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，正电荷移动的方向和电流的方向一样，电场力的作用下正电荷发生的运动和电场力的方向是一样的，也就是电场力的方向和电流方向一样，对于电阻r而言，若流经r的电流为i，r两端的电压为u，那在时间t内通过电阻任意一个截面的电荷量q等于多少？ q=it，也就是在时间t内将正电荷q由电阻右端移到了电阻左端，那在移动电荷的过程中电场力做了多少功呢？它所做的功w应等于电阻两端的电势差和电荷量的乘积，那电势差等于多少呢？对于电势差其实就是电压，两者完全一样，只是叫法不一样而已，所以w=qu，把q=it代入w=qu得到w=uit，它表示电场力移动电荷所做的功， 简称电功电功定义：电路中电场力移动电荷所做的功表达式：w=uit （表明电场力在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压u与电路中的电流i和通电时间t三者的乘积）单位：j电功率定义：电流所做的功与做这些功的时间的比值表达式：p=w/t=ui（数值上等于单位时间内电流所做的功）单位：瓦特，简称瓦，符号w ，1w=1j/s二）焦耳定律 热功率电场力对电荷做功的过程，是把电能转化为了其他形式的能的过程，自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，对正负电荷都是在做正功，电荷运动速度将变大，电场力做正功，电势能将减少，减少的电势能去了哪？转化为动能，运动速度增加了，那自由电荷的速度会不会无限制的增加？不会，当速度不断增加时，由i=nqsv，电流将不断增加，但电路中的电流实际上是保持不变的。也就是说，同一导体中电荷运动的速度是保持不变的，那电场力对电荷所做的功究竟到什么地方去了？如图的通电导体中，金属导体中不仅有自由电子，还有金属正离子，正离子仅在其平衡位置附近作微小振动，在电场力作用下，正离子就没有定向移动，只有自由电子逆着电场力的方向做定向的加速运动，在此过程中，自由电子将不断的与正离子发生碰撞，自由电子定向移动的动能不断的移给正离子，正离子在平衡位置来回摆动的速度不断加快，热运动加剧，金属内能不断的增加，在整个过程中，相当于电场力做功，把电势能转化为动能，自由电子和正离子碰撞，把动能转化为金属内能，所以，动能只相当于中间介质。所以，在电 能只转化为内能的电路中，电场力所做的功就等于电流通过这段电路时产生的热量q ，就有q=w=uit ，由欧姆定律u=ir得，电阻上产生的热量q=irt焦耳定律（电流的热效应）内容：电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻的阻值成正比，跟通电时间成正比表达式：q=irt单位：j（我们又把其焦耳定律称为电流的热效应，产生的热量为焦耳热）热功率定义：电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用的时间的比值表达式：p热=q/t=ir单位：w（数值上等于单位时间内电阻通电所产生的热量）对于电工和电热而言电流的热效应在生产生活中应用很广泛，比如，家用电饭煲、电熨斗、电炉、烤火器、电暖气、热水器、电烤箱等等，但，我们有时候需要把电能转化为光能、机械能等除内能以外的其他形式的能，在这种情况下电流产生的焦耳热是对人们不好的，它会使机器的温度升高，减少使用寿命，消耗额外的电能，就像家用白炽灯，用的时间久了，温度升高，容易把灯丝烧断，电能不仅要转化为光能也要转化为内能，从而导致灯泡消耗的电能比只产生光能的情况下多消耗了产生的内能的部分。问：小灯泡既产生了光能又产生了内能，那它属于纯电阻吗？不属于，但它的电能大部分转化为了内能，只有少部分转化为了光能，所以在一般情况下我们认为它是纯电阻。所以，当我们家用灯泡如果不转化为内能，只转化为光能的情况下，每年我们就能省下很多的电。有时电器的接线处接触不牢固，导致接触处电阻很大，产生大量的焦耳热，烧坏电器，甚至引起火灾。例：关于电功w和电热q的说法正确的是()a在任何电路中都有wuit、qi2rt，且wqb在任何电路中都有wuit、qi2rt，但w不一定等于qcwuit、qi2rt均只有在纯电阻电路中才成立dwuit在任何电路中成立，qi2rt只在纯电阻电路中成立解析：选b.wuit、qi2rt适用于一切电路，但在纯电阻电路中wq，在非纯电阻电路中wq，b对，a、c、d错三）电路中的能量转化讨论回答65页讨论交流（1分钟）问题一：我们知道电源是将其他形式的能转化为电能的装置，对于化学电池，像干电池和蓄电池，是通过化学作用，将化学能转化为电能，光电池则把光能转化为电能，发电机则把机械能转化为电能，但是，电源本身也有一定的内阻，当电源与外电路形成闭合回路时，电流流过电源会使电源发热消耗一部分电能，其余部分的电能则向外电路输出，所以在电源内部，存在两部分能量的转化，一部分是将其他形式的能转化为电能，另一部分是内阻上将电能转化为内能问题二和三：在外电路上，电场力做功，将电源输出的电能转化为其他形式的能当外电路为纯电阻电路时，在纯电阻元件中，由于电流的热效应，电流使电阻发热，电能全部转化为内能，此时电功等于焦耳热，w=q，电功率等于热功率，有p热=p电当外电路中含有非纯电阻时，如含有电动机、电解槽等时，电场力所做的功不仅转化为电阻内能，还转化为机械能、化学能等，在这种情况下w=q+w其他，此时，p电=p热 +p其他，电功率明显大于热功率问题四：对于欧姆定律，无论是部分电路欧姆定律欧姆定律还是闭合电路欧姆定律都只是用于纯电阻电路情况，如电源电动势为e，内阻为r，外电路电阻为r时，根据闭合电路欧姆定律可知，通过电路的电流为i=e/(r+r) 有e=ir+ir，其中ir为路端电压u，所以 e=u+ir当两边同时乘以电流i时ie=iu+ir式中ie表示电源将其他形式的能转化为电能的功率，称为电源总功率，iu电源的输出功率ir电源内电路的热功率 表示电源将其他形式的能转化为电能的功率ie，等于电源的输出功率iu 与电源内电路的热功率ir之和所以，闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体体现由于欧姆定律只适用于纯电阻电路中，（1）当外电路为纯电阻电路时，总功率等于外电路上消耗的热功率与内电阻上消耗的热功率之和（ie= iu+ir =ir+ir）（2）当外电路为非纯电阻电路时，总功率等于内、外电路上消耗的热功率与外电路上消耗的其他功率之和（ie = iu+ir =p其他+ir+ir），对于欧姆定律i=e/(r+r)和u=ir都只适用于纯电阻电路，在非纯电阻电路中，eir+ir,uir但是，e=u内+u外却适用于任何电路，所以ie= iu+ir ，也使用与一切电路，而ie=ir+ir只适用于与纯电阻电路中（3）当外电路电阻为0时，电路短路，路端电压u也为0，此时，电路中的电流为短路电流i0，i0=e/r，电源产生的电能全部转化为内电阻上的内能， 有i0e=i0r所以，当外电路短路时，电源产生的电能全部转化为内电阻上的内能，短路电流很大，能在短时间内产生大量的焦耳热，所以即使时间很短也会造成电源的损坏，甚至可能引起火灾，这也是不能让电源短路的原因。如图所示，电阻r120 ，电动机绕组的阻值r210 .当开关断开时，电流表的示数是i00.5 a，当开关合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数i和电路消耗的电功率p应是()ai1.5 a bi1.5 acp15 w dp15 w选bd.由题意知，电路两端的电压ur1i010 v，闭合开关后，当电压全部加在电动机的内阻上时，它的电流为1 a，但只有一部分电压加在电动机内阻上，所以i1.5 a，b对；同理电动机所消耗的功率也小于10 w，则电路消耗的电功率p15