新教材人教版高中物理必修第三册第十二章电能能量守恒定律-教案教学设计

第十二章电能能量守恒定律1.电路中的能量转化 -1-2.闭合电路欧姆定律 -6-3.实验：电池电动势和内阻的测量 -11-4.能源与可持续发展 -20-1.电路中的能量转化【教学目标】1．理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质．2．理解焦耳定律的概念，会区分纯电阻电路和非纯电阻电路．3．理解电功率和热功率．4．会从能量转化与守恒角度看电路中的能量转化．【重点难点】1．理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质．(重点)2．理解电功和电热的区别，会区分纯电阻电路和非纯电阻电路．(难点)3．理解电功率和热功率．(重点)4．会从能量转化与守恒角度看电路中的能量转化．(难点)【教学准备】教学课件，用电器（带有铭牌）【教学过程】一、导入新课初中我们学习了家庭电路有关的知识，了解了各种用电器在使用的过程中，是把电能转化为其他形式的能量。这个过程是通过电流做功来实现的。那么电流做功的实质又是什么呢？二、新课教学1.电功和电功率我们知道电流是电荷定向移动产生的，那电流在做功的时候，就是静电力在做功；导体中的恒定电场对自由电荷的静电力使自由电荷做定向移动，电势能减少，其他形式的能量增加。电路中电荷沿着一个方向定向移动，他们经过这段电路的时间记为t。根据已学的知识，在这段时间内通过这段电路任意界面的电荷量为如果这段电路两端电势差为，静电力做的功就是单位：国际单位制单位焦耳，符号。电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率，用表示，由，进而得到单位：瓦特，符号。公式表示，电流在一段电路中做功的功率等于这段电路两端的电压与电流的乘积。2.焦耳定律根据能量转化过程中的守恒，电能转化为其它能量的时候，分为两种电路：纯电阻电路和非纯电阻电路。纯电阻电路：电路中只有电阻元件（电阻、电烙铁、白炽灯）非纯电阻电路：电路中除电阻外，还包括能把电能转化为其他形式能的用电器（电动机、吹风机）当计算非纯电阻电路时：当计算纯电阻电路时：即，电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。由于,所以此时电功率就是电流通过导体发热的功率所以，电路中产生的电热与电阻有关3.电路中的能量转化同学们来观察用电器的铭牌，可以看出来，每个用电器的铭牌上都标着用电器的额定功率。若电动机的消耗的功率为，电动机对外输出功率为，另外电动机在工作时也会有能量损失，对应的功率为，他们之间满足若电机两端的电压为，通过电动机线圈的电流为，电动机工作一段时间后，外壳是热的，说明工作时有电能转化为内能。若电动机线圈的电阻为，则综上，三、课堂小结这堂课学习了有关电功和电功率的公式，从纯电阻电路和非纯电阻电路两个角度分析。【课堂练习】例1.一电饭煲和一洗衣机并联接在输出电压为220V的交流电源上，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0A，通过洗衣机电动机的电流是0.50A，则下列说法正确的是()A.电饭煲的电阻为，洗衣机电动机线圈的电阻为B.电饭煲的电功率为1555W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5WC.1min内，电饭煲消耗的电能为，洗衣机消耗的电能为D.电饭煲发热功率是洗衣机发热功率的10倍答案：C解析：电饭煲电阻，电功率，每分钟消耗的电能；洗衣机电动机线圈电阻无法确定，也无法确定其发热功率，洗衣机电功率，每分钟消耗的电能，故选项C正确，ABD错误。例2.对电功及焦耳定律公式的理解正确的是()A.焦耳定律适用于一切电路的焦耳热的求解B.电功公式、焦耳定律公式都适合于任何电路，因此W一定等于QC.非纯电阻电路中的电功可能等于焦耳热D.电功的另一表达式只适用于纯电阻电路答案：AD解析：任何电路的焦耳热的求解都可用焦耳定律求解，A正确；B选项中的两个公式均适合于任何电路，但W不一定等于Q，B错误；非纯电阻电路中的电功一定大于焦耳热，C错误；只适用于纯电阻电路，D正确。例3.扫地机器人是智能家用电器的一种，它利用自身携带的小型吸尘部件进行吸尘清扫，如图为某扫地机器人，已知其电池容量，额定工作电压，额定功率，则下列说法正确的是()A．扫地机器人的电阻是B．扫地机器人正常工作时的电流是C．题中“”是能量的单位D．扫地机器人充满电后一次工作时间约为答案：B解析：A.扫地机器人是非纯电阻用电器，欧姆定律不适用，无法计算扫地机器人的电阻，故A错误；B.由可得,扫地机器人正常工作时的电流：，故B正确；C.是电流的单位，h是时间的单位，由可知，“”是电荷量的单位，故C错误；D.由可得,扫地机器人充满电后一次工作时间：，故D错误。例4.一个直流电动机所加电压为U，电流为I，线圈内阻为R，当它工作时，下述说法中错误的是（）A．电动机的输入功率为IUB．电动机的发热功率为C．电动机的输出功率为D．电动机的功率可写作答案：D解析：A、电动机的总功率为P=UI，故A正确；B、电动机的发热功率，根据焦耳定律：．故B正确．C、电动机的输出功率为：．故C正确．D、因为，即，欧姆定律不适用．故,故D错误【板书设计】第1节电路中的能量转化电功：电功率：电热：非纯电阻电路时：纯电阻电路时：热功率：在非纯电阻电路中：、、2.闭合电路欧姆定律【教学目标】1．会从能的守恒和转化定律推导出闭合电路的欧姆定律．2．理解内、外电压，理解闭合电路的欧姆定律．3．会用闭合电路欧姆定律分析路端电压与负载的关系，会进行相关的电路分析和计算.【重点难点】1．会从能的守恒和转化定律推导出闭合电路的欧姆定律．（难点）2．理解内、外电压，理解闭合电路的欧姆定律．（难点）3．会用闭合电路欧姆定律分析路端电压与负载的关系，会进行相关的电路分析和计算.（重点）【教学准备】教学课件，电池、小灯泡、开关、导线。【教学过程】一、导入新课演示实验1：多个小灯泡并联在两节旧干电池上，闭合开关后，一段时间后，灯泡和干电池都会发热。演示实验2：一个小灯泡串联在两节干电池上，另外四个小灯泡并联在两节干电池上，观察两组小灯泡的亮度。想一想，实验1中为什么干电池也会发热？实验2中为什么一个小灯泡要比四个小灯泡明显亮？二、新课教学如下图，导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路，分为内电路和外电路。1.外电路定义：用电器、导线组成外电路，也就是电源之外的电路部分。电流方向：在外电路中，电流的方向为从电源的正极流向负极，沿电流方向电势降低2.内电路定义：电源内部的电路。电流方向：在内电路中，电流的方向为从电源的负极流向正极，沿电流方向电势升高。3.电动式①在电源内部，存在着由正极指向负极的电场。在这个电场中，静电力阻碍正电荷向正极移动。因此，在电源内部要使正电荷向正极移动，就一定要有一种与静电力方向相反的力作用于电荷才行。我们把这种力叫作非静电力。也就是说，电源把正电荷从负极搬运到正极的过程中，这种非静电力在做功，使电荷的电势能增加。从能量转化的角度看，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。②我们用非静电力所做的功与所移动的电荷量之比来表示电源的这种特性，叫作电动势。电动势在数值上等于非静电力吧1C的正电荷在电源内部从负极移送到正极所做的功。如果移动电荷量q时非静电力所做的功为W，那么，电动势E表示为电动势由电源中非静电力的特性决定，跟外电路无关。4.闭合电路欧姆定律及其能量分析在初中我们所学到的部分电路欧姆定律为通过刚才的实验，我们发现电路在通电一段时间后，电源也会发热。根据上一节课学到的焦耳定律，我们不难推测出，电源内部也是有电阻的。既然电源也有电阻，电源的内阻用r表示，那么一定也适用于部分电路欧姆定律，即对于电源来说，因非静电力做功将其他形式的能转化为电能，转化的数值与非静电力做的功相等。时间t内电源输出的电能为如果从能量守恒的角度来看，将外电路电阻和内阻带入上式有：，进而：根据焦耳定律我们又可以得出，进而：整理得：上式表示：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。这个结论叫作闭合电路的欧姆定律。5.路端电压与负载的关系我们常常把外电路中的用电器叫作负载，把外电路的电势降落叫作路端电压。负载变化时，电路中的电流就会变化，路端电压也随之变化。上述我们提到，在电路实验中，我们用电压表能够直接测量的就是路段电压，电流表测量的就是电路中的干路电流，所以闭合电路欧姆定律可以表示为前面我们做的第二个实验中，一个小灯泡与四个小灯泡并联相比，在相同电源的情况下，一个小灯泡要更亮些。这是因为，当四个小灯泡并联时，外电阻，，根据可知，减小，电路中增大，，增大，电源电动势不变，则减小，所以在实验2中，并联的四个小灯泡亮度更低。当外电路断开时，电流为0，也就为0，由可知，。短路时的路端电压等于电源电动势。我们常根据这个道理测量电源的电动势。当电源两端短路时，外电阻，由可知此时为了保证电源的高效输出，一般电源的内阻都比较小，通过上式可知在短路的时候，电流会比较大。电流过大，温度过高就会产生危险。三、课堂小结这一节课我们学习了电路分为内外电路，通过部分电路欧姆定律探究出闭合电路欧姆定律以及表达式。更深刻的探究了短路与断路。【课堂练习】1.某同学利用如图所示的电路来探究闭合电路中总电流与电源电动势的关系，其中定值电阻，电源的内阻为。当单刀双掷开关接1时电流表的示数为，当单刀双掷开关接2时，电流表的示数为()A.0.24A B.0.2A C.0.18A D.0.3A答案：A解析：根据闭合电路的欧姆定律得，当单刀双掷开关接1时，，当单刀双掷开关接2时，，由以上两式解得。故选A。2.如图所示，当可变电阻时，理想电压表的示数，已知电源的电动势，则()A.此时理想电流表的示数是2A B.此时理想电流表的示数是3AC.电源的内阻是 D.电源的内阻是答案：AC解析：题图所示电压表测量的是路端电压，电流表测的是通过可变电阻R的电流，由部分电路欧姆定律有，得，再由闭合电路欧姆定律有，将、、代入可得，故选项AC正确，选项BD错误。3.某电池板开路电压是，短路电流为，若将该电池板与阻值为的电阻器连成一闭合电路，则它的路端电压是()A． B． C． D．答案：D解析：电源没有接入外电路时，路端电压值等于电动势，则知电池板的电动势为：由闭合电路欧姆定律得短路电流：则电源内阻：该电源与20Ω的电阻连成闭合电路时，电路中电流：故路端电压：；故选：D.【板书设计】第2节闭合电路的欧姆定律1.外电路，2.内电路，3.电动式4.闭合电路欧姆定律及其能量分析，5.路端电压与负载的关系短路断路3.实验：电池电动势和内阻的测量【教学目标】1.会测量电源的电动势和内阻。2.能够根据数据绘制数据图像。3.能够应用图像法计算电动势和内阻。【重点难点】1.会测量电源的电动势和内阻。（重点）2.能够应用图像法计算电动势和内阻。（难点）3.熟记伏安法，理解安阻法、伏阻法。（重点）【教学准备】多媒体课件【教学过程】一、实验思路我们要如何测量电动势和内阻呢？根据上节课学习的闭合电路欧姆定律的知识。我们知道在计算外电路电压时，要用到公式：。这个公式中的和分别是电源电动势和内阻。那么我们就可以通过测量路端电压和干路电流来计算电动势和内阻。1.伏安法测电动势E和内电阻r如下图所示，通过测量电流和电压，应用，就能测定电动势E和内电阻r。2.采用安阻法测量电动势E和内电阻r如下图所示，通过测量电流、读取滑动变阻器电阻，应用，将其中的路端电压用代替，变为就能测定电动势E和内电阻r。3.采用伏阻法测量电动势E和内电阻r如下图所示，通过测量路端电压、读取滑动变阻器电阻，应用，将其中的干路电流用代替，变为就能测定电动势E和内电阻r。二、物理量的测量以伏安法为例，在实验电路连接好后，调节滑动变阻器的阻值，得到多组电压、电流的数据。我们应用2组数据和就可以得到实验结果。但是这两组数据不能具有代表性，所以在测量数据时，我们可以多次测量数据，多次计算取平均值。三、数据分析1.伏安法测电动势E和内电阻r①计算法：将化简成，使成为自变量，成为因变量把数值带入，得到通过化简得到：.将得到的多组数据两两分组进行上述计算后，得到多组E、r数据，最后把得到的多组E、r取平均值，得到最终结果。②图像法：根据测得多组数据，把得到的电流、电压数值绘制直线图。如上图，绘制完图像后，把得到的数据以点的形式绘入表中。然后再画一条直线，使尽可能多的点在直线上，或使所有点都在直线附近。向两坐标轴用虚线延长直线，这时，计算直线的纵截距和斜率。根据可知，纵截距代表电动势E，斜率代表内电阻r。2.采用安阻法测量电动势E和内电阻r将化简成，使成为自变量，成为因变量。这时我们发现，如果还是按照伏安法那样去联立计算，计算量就会非常大。这时我们可以选择直接用图像法去计算。数据经过处理后，用同样的方法绘制直线图，会得到类似下图的数据。这时，计算直线的纵截距和斜率。根据可知，纵截距代表内电阻r，斜率代表电动势E。3.采用伏阻法测量电动势E和内电阻r将化简成，使成为自变量，成为因变量。数据经过处理后，用同样的方法绘制直线图，会得到类似下图的数据。这时，计算直线的纵截距和斜率。根据可知，纵截距代表，斜率代表。四、课堂小结这节课我们学习了如何测量电源的内阻和电动势，并用三个方法进行了计算。【课堂练习】1.某学习小组欲利用图甲电路测量电池的电动势和内阻。提供的实验器材如下。A.电池(电动势E，内阻约为)B.电压表V(量程,内阻约为)C.电流表(量程,内阻为)D.电流表(量程,内阻为)E.电阻箱,阻值最小改变量为)请回答下列问题。(1)电流表应选用_______。(填写器材前面的字母序号)(2)请根据图甲用笔画线代替导线,正确连接阁乙中的器材。(3)主要实验步骤如下:①开关S断开,调节电阻箱的阻值至合适位置;②多次改变电阻箱的阻值,获得多组数据,电压表的示数为U,对应的电流表的示数为I、电阻箱阻值为R。(4)张明同学根据电阻箱的阻值和电流表的示数作出如图丙所示的图线,纵截距为,斜率为，则张明|测得的电池的电动势和内阻分别为________、____________。李华同学根据电压表的示数和电流表的示数作出如图丁所示的图线,纵截距为,,斜率的绝对值为,,则李华测得电池的电动势和内阻分别为___________、_____________。(电流表的内阻用表示。)|(5)从系统误差角度分析,______________同学测得的电池的电动势和内阻均为准确值。2.随着全世界开始倡导低碳经济的发展,电动自行车产品已越来越受到大家的青睐,某同学为了测定某电动车电池的电动势和内电阻,设计了如图所示电路,提供的实验器材有:(A)电动车电池一组,电动势约为12,内阻未知

(B)直流电流表量程300mA,内阻很小

(C)电阻箱R,阻值范围为0~999.9Ω

(D)定值电阻,阻值为10Ω

(E)导线和开关

(1)当他闭合开关时发现,无论怎样调节变阻器,电流表都没有示数,反复检查后发现电路连接完好,估计是某一元件损坏,因此他拿来多用电表检查故障,他的操作如下:①断开电源开关S,②将多用表选择开关置于×1Ω档,调零后,红黑表笔分别接两端,读数为10Ω,③将多用表选择开关置于×10Ω档,调零后,将红黑表笔分别接电阻箱两端,发现指针读数如图所示,则所测阻值为________Ω,然后又用多用电表分别对电源和开关进行检测,发现电源和开关均完好.由以上操作可知,发生故障的元件是__________.(2)在更换规格相同的元件后重新连接好电路.

(3)改变电阻箱的阻值R,分别测出阻值为的定值电阻的电流I,下列三组关于R的取值方案中,比较合理的方案是________(选填方案编号1、2或3).方案编号电阻箱的阻值1300.0250.0200.0150.0100.02100.085.070.055.040.0340.030.025.020.015.0(4)根据实验数据描点,绘出的图象是一条直线.若直线的斜率为k,在坐标轴上的截距为b,则该电源的电动势_____________,内阻________(用和表示).3.某同学利用如图甲所示的电路测量电源的电动势E和内阻r，所用的实验器材有：一个电压表V、一个电阻箱R、一个的定值电阻，一个开关和导线若干。（1）根据电路图，在图乙中用笔画线代替导线，将实物图连成完整电路；（2）该同学为了用作图法来确定电源的电动势和内阻，以为纵轴、为横轴作出的图像如图丙所示，则该图像的函数表达式为：________________。（用含有的函数表达式表示）（3）由图像可求得，该电源的电动势__________V，内阻________Ω。（结果均保留2位有效数字）答案1.答案：（1）D；（2）如图所示；（3），，，；（5）李华解析：(1)最小电流约为，最大电流约为.电流表应选用量程的电流表，即选D。(4)根据闭合电路欧姆定律，对小明的数据进行处理有,变形得，则解得，对小华的数据进行处理有,变形得，则,得。(5)张明列出的方程.在原理上是不完善的，若考虑到电压表的分流，则，变形得,与比较得,即,测量值均偏大。李华列出的方程，在原理上是完善的，则李华测得的电动势和内阻是准确的。2.答案：(1)70,电流表; (3)2 (4),解析：(1)欧姆表表盘读数为“7Ω”,倍率为“×10”,故为70Ω;故障检测时,除电流表其余部分均没有问题,故问题只能出在电流表处。(3)为减小电流表的读数误差,电流表指针偏转角度应该尽量大于三分之一,即电流范围为,根据欧姆定律,总电阻,减去定值电阻10Ω,即电流表内阻和电源内阻加上电阻箱电阻应该大于等于30Ω且小于等于110Ω,故应该选方案2。(4)根据闭合电路欧姆定律,有,则,解得,。3.答案：（1）如图所示（2）（3）2.9；2.5解析：（1）根据电路图将实物图连接，如图所示，注意不要交叉；（2）由闭合电路欧姆定律可知，变形可得，故表达式为；（3）由数学知识可知，图像与纵坐标轴的交点的纵坐标为电源电动势的倒数，由题图可知，图像与纵坐标轴的交点的纵坐标为，解得，图像的斜率为，解得。【板书设计】第3节实验：电池电动势和内阻的测量1.实验目的：测量电源电动势和内阻2.实验原理：（1）伏安法：原理，电路图如下。（2）安阻法：原理，电路图如下。（3）伏阻法：原理，电路图如下。3.实验器材：电源，导线，电流表，电压表，滑动变阻器。4.测量数据：调节滑动变阻器，得到多组电压、电流数据5.数据处理（1）计算法（2）图像法4.能源与可持续发展【教学目标】1.知道不同形式的能量转换，在转换的过程中能量总量保持不变。2.了解利用各种能量的方式，了解核裂变、核聚变。3.了解可再生能源和不可再生能源，认识能源过度开发的影响。【重点难点】重点1.认识到自然界中能量转化具有方向性。2.增强自身环保意识和可持续发展意识。【教学准备】教学课件【教学过程】一、导入新课我们知道，内能可以转化成电能，电能可以转化成光能、内能或机械能既然能量是守恒的，不会凭空消失，为什么我们还要节约能源呢？我们要如何节约能源呢？现在的能源主要有哪些？二、新课教学机械能守恒定律告诉我们，做机械运动的物体具有动能和势能，相互之间可以转化；在电路中，电源将其他形式的能转化为电能，负载又将电能转化为内能、光能和机械能能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这个规律叫作能量守恒定律。（一）能量转移或转化的方向性1.电热锅里煮鸡蛋，水沸腾着，锅里的水和鸡蛋一起翻滚着，锅盖边缘蒸汽从缝隙钻出，这里面能量是怎么转移或转化的？【教师活动】提问：把刚煮熟的鸡蛋拿出来放到冷水中，过一会儿后，鸡蛋和水的温度会怎么变化？【学生活动】回答：鸡蛋的温度会降低，水的温度升高。【教师活动】提问：过一段时间水和鸡蛋的温度会相同，试问是否可能水的温度自发降低，鸡蛋的温度重新上升？【学生活动】回答：不会发生。水的温度可以自发降低，但是鸡蛋的温度不能自发升高。【教师活动】总结：由此可见，与热现象有关的宏观自然过程是不可逆的。2.查阅资料，阅读教材。既然能量是守恒的，不会凭空消失，那我们还需要节约资源吗？（1）能量是具有消散现象的。（2）在利用能量的过程中，能量的总量没变，但是利用品质却降低了。（3）能量的转化具有方向性。（4）有些能源在短时间内无法再生，比如煤炭、石油、天然气等，是不可再生资源。可再生能源主要包括树木和其他植物、水能、太阳能、风能等。（二）能源的分类与应用1.查阅资料，阅读课本，说一说我国在新能源利用方面有哪些成就？太阳能发电，太阳能的利用对环境的影响很小。利用太阳能最有前途的领域是，通过太阳电池将太阳能直接转化成电能。目前我国是最大的光伏产品制造国。2015年年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到4.158×107kW。水力发电，水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式。水电对环境的影响比火电小，发电成本低。到2015年中国水电装机总量居世界第一。风能发电，为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国风力资源丰富，尤其是西北、华北、华东、西南地区。随着新