高中物理上学期第八周-焦耳定律-电路中的能量转化教学设计-人教版高中全册物理教案

焦耳定律电路中的能量转化课题焦耳定律电路中的能量转化课时1考点、知识点理解焦耳定律，并能进行有关计算学习目标1.掌握电功、电功率、电热、电热功率等基本概念．(重点)2.理解焦耳定律，并能进行有关计算．(重点)3.理解电功和电热的关系，能从能量转化和守恒的角度区分纯电阻电路和非纯电阻电路中的电功和电热．(难点)重、难点知道电源的总功率、电路的输出功率、电源内阻消耗功率的概念并明确它们之间的关系．(重点、难点)学习环节和内容学生活动建议教师活动建议调整记录探究决定导体电阻的因素、电阻定律环节一：eq\a\vs4\al([先填空])1．电功(1)概念：电场力移动电荷所做的功．(2)公式：W＝qU＝UIt.(3)单位：焦耳，符号J.2．电功率(1)物理意义：表示电流做功快慢的物理量．(2)定义：电流所做的功与做这些功所用时间的比值．(3)公式：P＝eq\f(W,t)＝IU.(4)单位：瓦特，符号W.eq\a\vs4\al([再判断])1．电流做功的过程中，电能转化为其他形式的能．(√)2．电流通过用电器时，电流做的功越多，说明用电器的电功率越大．(×)3．电功率越大，电流做功一定越快．(√)eq\a\vs4\al([后思考])家庭用电用“度”做单位，度是电功的单位，还是电功率的单位？【提示】度是电功的单位.1度＝1kW·h＝3.6×106J.环节二：eq\a\vs4\al([合作探讨])把一根大头针插在一小块硬纸片上，用浆糊把纸贴在台灯的灯泡上，使大头针的针尖朝上．然后用3张纸条做一小风车，把风车放在针尖上．打开台灯，过一会发现，风车转动起来．图2­6­1探讨1：这一过程，电流做功吗？【提示】做功．探讨2：风车为什么转动？【提示】电流通过灯丝做功，把电能转化为内能．周边空气温度升高，形成对流，风车转动起来．eq\a\vs4\al([核心点击])1．对电功的理解(1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功．(2)从能的角度看，电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小量度了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少．(3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用．2．对电功率的理解(1)电功率P＝eq\f(W,t)＝UI对任何电路都适用．(2)额定功率和实际功率①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率．②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率．环节三：1．一个电阻接入某电路后，消耗的功率为110W，通过3C的电荷量时，有330J的电能转化为内能，则下列说法错误的是()【导学号：33410091】A．电阻两端所加电压为330VB．通过电阻的电流为1AC．电阻通电时间为3sD．这个电阻的阻值为110Ω【解析】由W＝qU知，电阻两端所加电压U＝eq\f(W,q)＝110V，A错；由P＝IU得I＝eq\f(P,U)＝1A，B对；由W＝Pt得通电时间t＝eq\f(W,P)＝3s或t＝eq\f(q,I)＝eq\f(3,1)s＝3s，C对；由R＝eq\f(U,I)，得R＝110Ω，D对．【答案】A2．一台国产XQB30­13型自动洗衣机说明书中所列的主要技术数据如下表，试根据表中提供的数据计算：额定电压220V额定频率50Hz额定洗衣、脱水功率360W额定洗衣、脱水容量3kg整机质量33kg外形尺寸(长×宽×高)(542×550×920)mm3(1)这台洗衣机在额定电压下洗衣或脱水时，通过洗衣机的电流是多大？(2)如洗衣、脱水的累计时间为40min，则洗衣机耗电多少？【解析】(1)由说明书可知P＝360W，又由P＝UI可知I＝eq\f(P,U)＝eq\f(360,220)A＝1.64A.(2)W＝Pt＝360×40×60J＝8.64×105J故消耗的电能为8.64×105J.【答案】(1)1.64A(2)8.64×105J环节四：小结几个电学公式的适用范围解答电流做功类的题目需掌握以下几个重要公式，并理清它们的意义及适用条件．(1)电功W＝UIt＝qU普遍适用．(2)I＝eq\f(q,t)为电流的定义式，普遍适用．(3)I＝eq\f(U,R)，P＝I2R＝eq\f(U2,R)等，只适用于纯电阻电路．焦耳定律、热功率环节一：eq\a\vs4\al([先填空])1．焦耳定律(1)内容：电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比．(2)公式：Q＝I2Rt.(3)单位：J.(4)应用：工业上的电烙铁、电烤箱等；生活中的电暖气、电炉、电熨斗、电饭锅等．2．热功率(1)概念：电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值．(2)公式：P热＝eq\f(Q,t)＝I2R.eq\a\vs4\al([再判断])1．根据电功的公式和欧姆定律可以推导出电热的公式，因此电功和电热是完全相同的．(×)2．W＝UIt适用于任何电路求电功．(√)3．Q＝I2Rt适用于任何电路求热量．(√)eq\a\vs4\al([后思考])用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？【提示】导线跟电炉丝是串联在一起的，通过它们的电流相等，而电炉丝的电阻比连接电炉丝的部分导线电阻要大得多，由焦耳定律Q＝I2Rt知在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热量要少得多．环节二：eq\a\vs4\al([合作探讨])如图2­6­2所示为一正常工作的电动机，其工作电压为220V.图2­6­2探讨1：电动机消耗的电能全部转化为线圈产生的内能吗？【提示】一部分转化为内能．探讨2：其工作电压是线圈两端电压吗？【提示】不是．其工作电压大于线圈两端电压．eq\a\vs4\al([核心点击])1．两种电路的比较电路纯电阻电路非纯电阻电路元件特点电路中只有电阻元件除电阻外还包括其他的电器元件电流、电压、电阻三者的关系遵循欧姆定律I＝eq\f(U,R)不遵循欧姆定律，由W＝UIt＝I2Rt＋W其他知U＞IR或I＜eq\f(U,R)能量转化形式电流做功全部转化为内能：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t电流做功转化为内能和其他形式的能量：电功W＝UIt＝Q＋W其他，其中电热Q＝I2Rt能量转化示意图电器元件举例电炉丝、白炽灯电动机、电解槽、电风扇2.电功与电热(1)纯电阻电路：W＝Q＝UIt＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t；P电＝P热＝UI＝I2R＝eq\f(U2,R).(2)非纯电阻电路：电功W＝UIt，电热Q＝I2Rt，W>Q；电功率P＝UI，热功率P热＝I2R，P>P热．环节三：3．(多选)关于电功、电功率和焦耳定律的说法正确的是()【导学号：33410092】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，而电功计算式W＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t适用于纯电阻电路C．非纯电阻电路中，UI＞I2RD．Q＝I2Rt适用于任何电路【解析】电功率越大，电流做功越快，但电路中产生的焦耳热不一定越多，故A不正确；W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路；而I＝eq\f(U,R)只适用于纯电阻电路，由此推导出的公式W＝I2Rt＝eq\f(U2,R)t只适用于纯电阻电路，B正确；在非纯电阻电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以C正确；Q＝I2Rt是焦耳热的定义式，适用于任何电路中焦耳热的计算，D正确．【答案】BCD4．规格为“220V36W”的排气扇，线圈电阻为40Ω，求：(1)接上220V电压后，排气扇转化为机械能的功率和发热的功率；(2)如果接上电源后，扇叶被卡住，不能转动，求电动机消耗的功率和发热的功率．【解析】(1)排气扇在220V电压下正常工作电流I＝eq\f(P,U)＝eq\f(36,220)A＝0.16A，发热功率P热＝I2R＝0.162×40W≈1W，转化为机械能的功率P机＝P－P热＝(36－1)W＝35W.(2)扇叶被卡住不能转动后，电动机相当于纯电阻，电能全部转化为内能，此时通过排气扇的电流I′＝eq\f(U,R)＝eq\f(220,40)A＝5.5A.电动机消耗的功率等于发热功率P′＝P热＝I′U＝5.5×220W＝1210W．由于发热量很大，将很快烧坏电动机线圈．【答案】(1)35W1W(2)1210W1210W环节四：小结电动机电路的分析方法(1)分清是纯电阻电路还是非纯电阻电路．电动机转动时是非纯电阻电路，电动机不转动时是纯电阻电路．(2)分清要求的是电功还是电热(或热功率)，对照公式的适用条件，合理选择公式．(3)电动机的输入功率即总功率P入＝IU，电动机的发热功率P热＝I2r，电动机的输出功率P出＝P入－P热．电路中的能量转化环节一：eq\a\vs4\al([先填空])1．内电路中的能量转化(1)电源：通过各种作用，将其他形式的能转化为电能，转化功率P＝IE.(2)内阻：通过电流做功将一部分电能转化为内阻的内能，即P内＝I2r.2．外电路上的能量转化：通过电流做功将电源输出的电能转化为其他形式的能，即P外＝UI.3．两者之间的关系：由能量守恒定律可知P＝P内＋P外，即EI＝I2r＋UI，进一步化简可得E＝U＋Ir，可见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表现．eq\a\vs4\al([再判断])1．电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为内能．(√)2．电动机是非纯电阻用电器，所以在任何情况下，都不能将电能全部转化为内能．(×)3．在使用电源时，绝对不可以让电源短路，以免造成电源的损坏，甚至引起火灾．(√)eq\a\vs4\al([后思考])外电路的电阻越大，电源做功输出的效率就越高吗？【提示】由于电源做功输出的效率：η＝eq\f(P出,P)＝eq\f(IU外,IE)＝eq\f(U外,E)＝eq\f(IR,IR＋r)＝eq\f(R,R＋r)＝eq\f(1,1＋\f(r,R))，故外电路的电阻越大，电源做功输出的效率就越高．环节二：eq\a\vs4\al([合作探讨])闭合电路中内、外电路都有电阻，当电键闭合，电路中有电流时，内、外电路都做功．探讨1：电源非静电力做的功与电路中内、外电路电流做的功存在什么关系？【提示】非静电力做功把电源内部储存的其他形式的能转化为电能，电流做功把电能转化为内电路上的电能和外电路上其他形式的能．探讨2：外电路的电阻越大，外电路消耗的功率就越大吗？【提示】当外电阻大于内电阻时，外电阻越大，外电路消耗的功率越小．探讨3：外电路的电阻越大，电源做功的效率就越高吗？【提示】外电阻越大，路端电压越大，电源做功的效率越大．eq\a\vs4\al([核心点击])1．闭合电路中的几个功率功率名称表达式电源功率(总功率)P总＝EI电源内部消耗功率P内＝U内I＝I2r外电路消耗功率(电源输出功率)P外＝U外I＝(E－U内)I＝EI－I2r三者关系P总＝P外＋P内2.纯电阻电路中电源的输出功率P出＝UI＝I2R＝eq\f(E2R,R＋r2)＝eq\f(E2,\f(R－r2,R)＋4r).电源的输出功率随外电阻的变化关系如图2­6­3所示．图2­6­3(1)当R＝r时，Pmax＝eq\f(E2,4r).(2)一个输出功率(除最大功率外)P对应于两个不同的外电阻R1和R2，且r＝eq\r(R1R2).(3)当R＜r时，R↑→P出↑；当R＞r时，R↑→P出↓.3．电源的效率η＝eq\f(P出,P)＝eq\f(IU外,IE)＝eq\f(U外,E)＝eq\f(IR,IR＋r)＝eq\f(R,R＋r)＝eq\f(1,1＋\f(r,R)).可见，外电阻R越大，电源的效率越高．环节三：5．如图2­6­4所示，电源电动势E＝10V，内阻r＝0.5Ω，“8V16W”的灯泡L恰好能正常发光，电动机M绕线的电阻R0＝1Ω，求：【导学号：33410095】图2­6­4(1)路端电压；(2)电源的总功率；(3)电动机的输出功率．【解析】(1)灯泡正常发光，所以路端电压为8V.(2)设干路总电流为I，则8V＝10V－I×0.5Ω，得I＝4A，故P总＝EI＝40W.(3)又IL＝eq\f(P,U)＝eq\f(16,8)A＝2A，故IM＝I－IL＝2A，PM总＝8×2W＝16W，PM出＝16W－22×1W＝12W.【答案】(1)8V(2)40W(3)12W6．电路图如图2­6­5甲所示，乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图像，滑动变阻器的最大阻值为15Ω，定值电阻R0＝3Ω.甲乙图2­6­5(1)当R为何值时，R0消耗的功率最大，最大值为多少？(2)当R为何值时，电源的输出功率最大，最大值为多少？【解析】(1)由题图乙知电源的电动势和内阻为：E＝20V，r＝|