12.1电路中的能量转化：电功 电功率 教学设计 高中物理人教版（2019）必修第三册

电功和电功率【教学目标】(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，理解电功的公式及表达式的物理意义，能进行有关的计算；(2)理解电功率的概念、公式及表达式的物理意义，能进行有关的计算；(3)知道电功率和热功率的区别和联系；(4)了解额定电压、额定功率、实际功率的意义；【教学重点】电功、电功率的概念、公式，掌握电功和电热的计算。【教学难点】电功率和热功率的区别和联系，加强对电路中能量转化关系的感性认识。【教学过程】一、导入新课问题：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。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。二、新课教学1、电功和电功率(1)电功：①定义：在一段电路中电场力对定向移动的自由电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流所做的功。＋－Uqqq②公式＋－Uqqq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。问题：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量q＝It。问题：这相当于在时间t内将这些电荷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W＝qU＝UIt。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：在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h。1kW·h的物理意义是表示功率为1kW的用电器正常工作1h所消耗的电能。1kW·h＝1000W×3600s＝3.6×106J(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。接下来我们研究电功率。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＝EQ\F(W,t)＝UI一段电路上的电功率P等于这段电路两端的电压U和电路中电流I的乘积。③物理意义功率是表示电流做功快慢的物理量。④单位：J/s，其专门名称为瓦特(W)。1W＝1J/s。功率的常用单位有：千瓦(kW)。1kW＝1000W。例：试证明串联电路中各个电阻功率之和等于总功率，且各个电阻的功率与其电阻成正比。2、电功率和热功率(1)电流做功的实质①电场力对电荷做功的过程，实际上是电能转变成其他形式能量的过程。②在真空中，电荷减少的电势能转化成动能。在真空中，电场力对电荷做正功时，电荷的电势能减少，电荷的动能增加，减少的电势能转化成动能。这个过程可以用“物体在真空中的自由下落”作类比，物体在真空中下落时，物体的重力势能减少，物体的动能增加，减少的重力势能转化成动能。③在纯电阻元件中电能完全转化成内能在电阻元件中电能的转化情况与真空中有所不同.在金属导体中，除了自由电子外，还有金属正离子，在电场力的作用下，做加速定向移动的自由电子要频繁地与金属正离子发生碰撞，并把定向移动的动能传给离子，使离子的热运动加剧，将电能完全转化成内能，于是导体发热。电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能，这就是电流的热效应。(2)焦耳定律：Q＝I2Rt上式表明，导体中产生的热量Q与导体两端的电压、导体中通过的电流I和通电时间t成正比。(3)热功率①定义：单位时间内发热的功率叫做热功率。②公式：P热＝EQ\F(Q,t)＝I2R③单位：在国际单位制中，热功率的单位也是瓦特(W)。(4)电功与电热的关系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a．在纯电阻电路中，电功率与热功率数值相等。U＝IRW＝Q＝UIt＝I2Rt＝EQ\F(U2,R)tP热＝P电＝UI＝I2R＝EQ\F(U2,R)即在纯电阻电路中，电流做功将电能全部转化为内能。b．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。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＞IRW＞Q W＝UIt Q＝I2RtP电＞P热 P电＝UI P热＝I2RP电＝P热＋P出【例题1】有一个直流电动机，把它接入0.2V电压的电路中，电机不转，测得流过电动机的电流为0.4A，若把电动机接入2.0V电压的电路中，电动机正常工作，工作电流是1.0A．求（1）电动机的内阻？（2）电动机正常工作时的输出功率？效率？（3）如果在电动机正常工作时，转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大？此时的电流是多大？可能发生什么结果？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2】对计算任何用电器的电功率都适用的公式是（）三．额定功率和实际功率用电器铭牌上所标称的功率是额定功率，用电器在实际电压下工作的功率是实际功率．用电器只有在额定电压下工作实际功率才等于额定功率．例.两只灯炮A和B，额定电压都是110V，A的额定功率为60W，B的额定功率为100W，为了把它们接在220V电路上都能正常发光，并要求电路中消耗的电功率最小，应采用图10-2-1中的哪种接法()三、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。【课下思考】远距离输电为什么必须采用高压？分析解答：设施送的电功率为P且保持不变，输送电压为U，输电导线的总电阻为R．不管输电线路末端有何种用电器，P＝UI总成立，所以，输电线上的电流I＝EQ\F(P,U)，由于电流的热效应，在输电导线上发热损耗的功率为P＝I2R＝EQ\F(P2,U2)R。当P、R一定时，U越大，P越小，故为减小输电线上的热损耗，必须采用高压输电。【课后反思】1．在推导电功的公式时，应该注意讲清楚，在时间t内，只是相当于把电荷