电路中的能量教学设计

电路中的能量教学设计教学目标从电能转化为其他形式的能理解电功及电功率，理解电功和能量转化的关系，形成物理观念。经历探究焦耳定律的实验活动，知道焦耳定律的物理意义，关注焦耳定律在生产生活中的应用，提高科学探究和科学思维能力。能从层电阻电路和非纯电阻电路的角度区别电功和电热形成物理观念，通过实例加深对这个特点的认识，提高科学思维能力。二、教材分析认识闭合电路本节课从电在生活中的应用用手提出电能是如何本节课从电在生活中的应用入手提出电能是如何转化为其他形式的能再转化为其他形式的能的过程中又遵循怎样的规律呢？的问题进入新课。本节课有三个主题分别是“电功和电功率”“焦耳定律”“闭合电路中的能量”。安排的课堂栏目有“讨论与交流”三个，“观察与思考”一个，“例题”一道课后栏目，、有“实践与与拓展”“练习”各一个主题“电功和电功率”中，通过“讨论与交流”栏目设置了一个情境：“假设一段导体两端加上电压后导体内的自由电荷，在电场力作用下定向移动形成电流I电流。电流通过导体做的功与什么因素有关？”引导学生从电流的定义式和电场力做功的公式推导出电功的公式，W=UIt，体现了科学思维的特点。接着参照功率的定义，结合刚刚推导出的电功公式，得出具有电特色的电功率公式，P=UI形成物理观念。主题“焦耳定律”中增加了实验内容。为提高实验测量精确度，实验中引入数据采集器，温度传感器。关于实验数据处理方面，则建议采用图像法，这样更能直观地得到实验结论，在概括焦耳定律时，教材从物理学史的角度指出焦耳定律最初是由英国物理学家焦耳通过实验得出的。焦耳定律反映了电流的热效应规律，在纯电阻电路中，电能完全转化为导体的内能，即电流的功等于电流通过这段导体时发出的热量。这就是我们常说的“电功等于电热”，在非纯电阻电路中，电能W=UIt，部分转化为内能Q=I2rt，另一部分转化为机械能或者化学能等其他形式的能，这时电功大于电热。主题“闭合电路中的能量”延续上一章“闭合电路的欧姆定律”的知识，从能量转化角度来认识闭合电路中的能量关系，形成物理观念。教材“例题”中则要求能从纯电阻电路和非纯电阻电路的角度区别电功和电热，要求学生加深对这个特点的认识，提高科学思维能力。“实践与拓展”栏目中，通过收集新型电热器的资料，了解其发热原理，提高学生节约能源的意识。教学过程引入：现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯电视电热水壶电动汽车等。那么你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？首先我们来讲解电功和电功率。现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器一、电功和电功率设计思想：引导学生分析一段通电电路，从静电力做功的角度，结合电流定义推导静电力做功，明确电流的功就是指静电力的做的功。电流的功率就是静电力的功率。在外加电源的作用下，电路内有静电场，电路两端有电势差，自由电荷在电场力的作用下定向移动形成电流。在静电场章节的学习中，我们知道电场力做功与路径无关，只与电荷量和电势差有关。即电场力做功W=Uq。在该通电电路中，电场力不断搬运电荷通过导体，电场力也会做功。下面我们来计算电场力也称之为静电力，做了多少功？根据电流的定义I=q/t得，在时间t内通过该电路任一截面的电荷量为q=It，若这段电路两端的电势差为U，则静电力做功W=Uq=UIt。在电路中通常我们把静电力对自由电荷做的功叫做电流的功简称电功。静电力做功消耗了电势能通过电路转化成别的形式的能。静电力做功的快慢我们用电功率来描述，电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫做电功率，用P表示由P=W/t进而得到P=UI。这个公式表示电流在一段电路中做功的功率P等于这段电路的电压U与电流I的乘积设计思想：通过一个交流讨论理解P=W/t和P=UI两式的区别，一个是定义式，一个是电路情景中的计算式。引导学生从力的角度理解功、功率。试试大家理解的怎么样？讨论与交流P=UI和P=W/t两式的意义相同吗？它们的意义有以下不同，P=W/t用做功除以相应的时间这是功率的定义式，适用于计算各种情景中的功率。P=UI适用于计算一段电路上消耗的总电功率，注意电功率本质上指的是电路中静电力做功的功率，静电力做功消耗了电势能，简称电能。通过电路转化成了其它形式的能，这里关于电功和电功率做一个要点小结：功和功率是一个力学中的概念，理解功和功率最终要落实到力上面去，电功、电功率指的是电路内静电力搬运自由电荷通过该电路时做的功和功率，结合功、功率的定义和电路中静电力做功的特点从而得出W=UItP=UI焦耳定律设计思想：从力做功的角度理解纯电阻电路中能量的转化，静电力做功消耗电势能，克服自由电荷定向移动撞击晶格产生的阻力，热运动加剧而产生内能。注意在电功率公式P=UI的推导过程中，没有对电路的性质做任何要求也就是说对任何性质的电路，都可以用这个公式计算总的电功率，先来研究只将电能转化为内能的电路——纯电阻电路由能量守恒定律Q=W=UIt由欧姆定律U=IR联立得Q=I2Rt即电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比，这就是焦耳定律。电流通过导体产生的热量叫做焦耳热，用产生的焦耳热除以时间可以得到发热功率，简称热功率P热=I2R设计一个例题帮助同学们掌握上面公式例题如图所示为某两个电阻的U－I图像求：（1）电阻之比R1∶R2（2）若把两电阻串联后接入电路时消耗功率之比P1∶P2（3）若把两电阻并联后接入电路时消耗功率之比P1′∶P2′第一问，通过U-I图像可以发现R1、R2均为线性元件，即不同电压下电压与电流的比值是确定的，也就是电阻不随电流电压而变化可根据欧姆定律得R1=6.0ΩR2=3.0Ω所R1比R2等于2第二问因为R1、R2为纯电阻，消耗的功率与热功率相等P1/P2=P1热/P2热=I2R1/I2R2又由于通过它们的电流相等所以P1/P2=R1/R2=2第三问纯电阻电路中有欧姆定律成立P=UI=U2/RR1、R2有相同的电压所以它们消耗的功率与电阻成反比即：P1’/P2’=R2/R1=1/2特别注意P=U2/R这个公式的得出用到欧姆定律只适用于纯电阻电路设计思想：用纯电阻电路和非纯电阻电路进行对比，从力的角度理解发热功率是自由电荷定向移动与晶格碰撞引起，两种电路在这一机理上并没有什么不同，理解焦耳定律计算电热是普遍适用的。非纯电阻电路电功率与热功率不同的原因是静电力除了克服晶格阻力还要克服其它力。从能量守恒的角度推理出非纯电阻电路中欧姆定律不成立。讨论纯电阻和非纯电阻电路中能量转化机理，提出问题：图中是一段通电导体，恒定电压下，自由电荷在静电力的作用下，定向移动的速率会一直增加吗？为什么？不会，因为恒定电压下电流恒定，从微观上了看就是自由电荷定向移动的速率恒定。原因是自由电荷定向运动与导体晶格发生碰撞受到平均阻力与静电力平衡而撞击使得热运动加剧从而产生内能。这个过程静电力做了多少正功就消耗多少电能，克服平均阻力做了多少功就产生了多少内能，这就是纯电阻电路中能量转化的机理。下面我们再来看非纯电阻电路例如电动机，其核心部件由线圈绕制而成，电动机工作时线圈的热功率如何计算，欧姆定律成立吗？为什么？电流流过电动机的线圈自由电荷定向移动与晶格碰撞产生内能，产生内能的机理与纯电阻电路并无区别，因而热功率依然可以用P=I2R计算，但是欧姆定律不成立。由能量守恒定律知，经过t时间电流做的功消耗的电势能为UIt产生内能I2Rt并不相等，其差值转化为电动机输出的机械能UIt>I2Rt即UI>I2R显然I<U/R欧姆定律不成立本质原因是非纯电阻电路中静电力除了克服晶格阻力产生内能，以外还要克服其它形式的力而这一部分就会转化成其它形式的能。以电动机为例电动机输出的机械功率P机=UI-I2R设计思想：设计一个讨论与交流环节检测学生是否理解P=UI和P=I2R两式的意义相同吗？两者的数值在什么条件下相等？P=UI是计算一段电路上电流即静电力搬运电荷的总功率，也就是消耗电能的功率。P=I2R是计算一段电路上的热功率，也就是自由电荷定向移动，撞击使热运动加剧产生内能的功率。如果该段电路为纯电阻电路（只有电能向内能的转化）二者才会相等！设计一道辨析题，再设计一个纯电阻与非纯电阻的对比计算题，巩固概念理解例题下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是（）A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多B．W＝UIt适用于任何电路而W=I2Rt=U2/Rt只适用于纯电阻电路C．在非纯电阻电路中UI>I2RD．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路电功率越大电流做功越快，但是电路中产生的焦耳热与通电时间有关没有控制时间一定，则不确定，A项错误；电功的计算公式对电路没有任何要求适用于任何电路而W=I2Rt=（U2/R）t第一个等号成立要求电能全部转化为内能，第二个等号默认了欧姆定律成立，所以该式成立的条件是纯电阻电路。B项正确；非纯电阻电路中，电能不完全转化为内能，还有其他形式的能产生，所以电功率大于热功率C项正确；该公式的本质是自由电荷定向移动撞击产生使热运动加剧，无论纯电阻电路还是非纯电阻电路都有相同的形式即焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路D项正确一台标有“220V66W”的电风扇，线圈的电阻为20Ω（1）当加上220V电压，求：电风扇消耗的功率，转化为机械能的功率和发热功率（2）如果接上220V的电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电风扇消耗的功率和发热功率当加220V电压，由题意电风扇正常工作此时消耗的功率为66WI=P/U=0.3AP热=I2R=0.32×20W=1.8WP机=P-P热=66W-1.8W=64.2W若扇叶被卡住，则电能全部转化为内能，此时为纯电阻电路，欧姆定律成立。I=U/R=11A电能全部转化为内能电功率等于热功率=UI=2420w设计思想：对前面讲解要点及时小结。1、电热和热功率Q＝I2Rt是电热的计算式P热＝I2R是热功率的计算式，可以计算任何电路产生的电热和热功率．2、电功和电热的关系(1)在纯电阻电路中：①电功和电热相等W＝Q＝UIt＝U2/Rt＝I2Rt②电功率和热功率相等P＝P热＝UI＝I2R＝U2/R③欧姆定律成立：由UIt＝I2Rt得：I＝U/R(2)在非纯电阻电路中：①电功大于电热，W＝Q＋W其他电功只能用W＝UIt计算电功率只能用P＝UI计算②电热只能用Q＝I2Rt计算热功率只能用P＝I2R计算③欧姆定律不成立，由UIt>I2Rt得U>IR.三、闭合电路中的能量电源内部非静电力克服静电力和晶格阻力,根据电动势的定义电动势E等于非静电力做的功W非除以电荷量qW非=Eq=EIt非静电力做功消耗其它能根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir两边都乘以It得EIt=UIt+I2rt可以看出左边第一项EIt是由于非静电力做功而消耗的其它形式的能右边第一项UIt是外电路上消耗的电能右边第二项I2rt是电流通过电源内部产生的内能该式反映了能量守恒,其它形式的能转化为外电路上消耗的电能,和电源内部产生的内能。设计目的：下面通过一道两例题来领悟闭合电路中的能量转化，一道部分电路，一道闭合电路层层递进。例题设计了几个易错点比如用公式要注意对象，纯电阻电路可用欧姆定律，非纯电阻则不能。例题我国大部分电器的额定电压是220V（1）一台电动机的线圈电阻R1=0.2Ω，正常工作时的电流I1=20A，求每秒电流所做的功以及线圈上每秒内产生的热量。（2）电饭煲正常工作时的电流I2=5A，其发热盘的电阻R2=40Ω，其消耗的电能大部分转化为哪种能第一问电动机正常工作时为非纯电阻电路，电流所做的功用UIt计算，结果为4400J而线圈电阻产生的热量用I2Rt计算结果为80J第二问发热盘电阻产生的热量用I2Rt计算结果为1000J电饭煲的总电功用UIt计算结果为1100J通过计算可知电动机消耗的电能，远大于线圈电阻上产生的热量，大部分电能被转化为机械能，而电饭煲则把大部分电能转化为发热盘电阻上的热量。如图所示的电路中，电源的电动势E=9v，内阻r=0.5Ω，电动机的电阻R0=1.0Ω，电阻R1=1.5Ω电动机正常工作时，电压表的示数U=3.0V求：（1）电路中的总电流；（2）电阻R1的发热功率；（3）电动机消耗的电功率。本题首先要搞清楚欧姆定律只适用于纯电阻电路，对于含有电动机的部分电路不能应用欧姆定律，注意到电压表测量的是R1的电压，而R1是纯电阻，可以对R1用欧姆定律I=U/R1=2A电阻R1的发热功率P=I2R1=6W当然R1的发热功率也可以用其两端的电压乘以通过它的电流来计算因为R1消耗的电能全部转化为内能UI=I2R第三问要求电动机消耗的电功率，我们需要知道电动机两端的电压，特别注意不能直接对电动机用欧姆定律IR0计算，我们应该应用闭合电路欧姆定律，从电源那边入手，先计算路端电压E-Ir，再减去电阻R1上的电压就可以得出电动机