電路中的能量轉(zhuǎn)化教學(xué)設(shè)計(jì)2022年秋高中物理人教版20

電路中的能量轉(zhuǎn)化一、教學(xué)內(nèi)容分析電路中的能量轉(zhuǎn)化這節(jié)課所涉及的能量觀點(diǎn)，是研究電學(xué)問(wèn)題和其他物理問(wèn)題的重要方法。這節(jié)課我們研究的是電路中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？用能量守恒定律推導(dǎo)出電功以及電功率的表達(dá)式，根據(jù)能量守恒定律，推導(dǎo)出焦耳定律和電路中熱功率的表達(dá)式，通過(guò)思考與討論得到電流在對(duì)電動(dòng)機(jī)做功的過(guò)程中，有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，并且通過(guò)進(jìn)一步討論得到純電阻電路和非純電阻電路的區(qū)別與聯(lián)系，從而能夠解決實(shí)際電路中有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的問(wèn)題。本節(jié)課不但是物理知識(shí)的傳授課，更是物理方法和思想的滲透課。在教學(xué)中應(yīng)該充分聯(lián)系實(shí)際，以便鞏固和加深對(duì)基本知識(shí)的理解，掌握解決實(shí)際電路中的有關(guān)能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題的方法。學(xué)情分析學(xué)生在初中已經(jīng)接觸過(guò)焦耳定律的內(nèi)容，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了一定基礎(chǔ)；但高中階段將從靜電力做功及能量轉(zhuǎn)化和守恒等角度來(lái)研究電路中能量轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，這對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)提出了更高的要求；并且本節(jié)從能量轉(zhuǎn)化的角度理解電功和電熱，區(qū)分純電阻電路和非純電阻電路。功是能量轉(zhuǎn)化的量度，電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其它形式的。能通過(guò)生活實(shí)例，認(rèn)識(shí)電流的熱效應(yīng)；通過(guò)學(xué)習(xí)使學(xué)生對(duì)能量的轉(zhuǎn)化有進(jìn)一步的了解。三、教學(xué)目標(biāo)1.通過(guò)實(shí)例分析，理解電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能是通過(guò)電流做功來(lái)實(shí)現(xiàn)的，加深對(duì)功與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

2.通過(guò)推導(dǎo)電功公式和焦耳定律，理解電功、電功率和焦耳定律，能用焦耳定律解釋生產(chǎn)、生活中的相關(guān)現(xiàn)象。

3.從能量的轉(zhuǎn)化和守恒角度分析非純電阻電路中的能量轉(zhuǎn)化，理解電功和電熱的區(qū)別和聯(lián)系。

4.聯(lián)系生活中的電風(fēng)扇、空調(diào)、電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備，體會(huì)能量轉(zhuǎn)化與守恒思想，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。四、教學(xué)重、難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：電功、電功率的概念、公式；焦耳定律、電熱功率的概念、公式。教學(xué)難點(diǎn)：電功率和熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。教學(xué)方法：探究、講授、討論、實(shí)驗(yàn)歸納教具:多媒體課件、實(shí)驗(yàn)電路五、教學(xué)流程圖由問(wèn)題導(dǎo)入，引發(fā)認(rèn)知沖突由問(wèn)題導(dǎo)入，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣利用能量守恒定律，并利用之前的知識(shí)，推導(dǎo)電功、電功率的表達(dá)式從能量角度建立電路模型，提出電流做功的概念課堂小結(jié)及作業(yè)通過(guò)電動(dòng)機(jī)課堂小結(jié)及作業(yè)通過(guò)電動(dòng)機(jī)實(shí)例，讓學(xué)生理解電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的過(guò)程應(yīng)用能量轉(zhuǎn)化的實(shí)際過(guò)程探討電路中電能與熱能轉(zhuǎn)化的過(guò)程，推導(dǎo)焦耳定律的內(nèi)容六、教學(xué)過(guò)程環(huán)節(jié)情境與問(wèn)題教與學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖學(xué)生發(fā)展新課引入提出問(wèn)題：現(xiàn)代生活中隨處都可以看見(jiàn)用電設(shè)備和用電氣，例如電燈，電視，電熱水壺，電風(fēng)扇，電動(dòng)汽車等等。那么，你知道這些用電器中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的嗎？請(qǐng)同學(xué)們思考下列現(xiàn)象，分析其能量是如何轉(zhuǎn)化的，一、給電熱水壺通電；二、給電風(fēng)扇通電；三、給電動(dòng)汽車充電電池通電；我們知道給電熱水壺通電，電能轉(zhuǎn)化為熱能；給電風(fēng)扇通電，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和熱能；給電動(dòng)汽車充電，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能和熱能。那么電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量是通過(guò)什么方式實(shí)現(xiàn)的呢？在前面的章節(jié)，我們就學(xué)到功是能量轉(zhuǎn)化的量度，由此我們可以知道電能是通過(guò)做功來(lái)轉(zhuǎn)化為其他形式的能，由情景和問(wèn)題，引發(fā)思考，進(jìn)入探究活動(dòng)。激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。體會(huì)物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用。新課教學(xué)一、電功、電功率①電功表達(dá)式的推導(dǎo)②電功率表達(dá)式的推導(dǎo)③實(shí)踐與應(yīng)用二、焦耳定律①焦耳定律內(nèi)容的推導(dǎo)②實(shí)踐與應(yīng)用電路中的能量轉(zhuǎn)化實(shí)踐與應(yīng)用四、知識(shí)歸納五、課堂練習(xí)那么電流是通過(guò)什么方式做功的呢？原來(lái)給導(dǎo)體兩端通電，導(dǎo)體中形成了恒定的電場(chǎng)，導(dǎo)體中恒定的電場(chǎng)對(duì)自由電荷的靜電力做功，自由電荷在靜電力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，結(jié)果電荷的電勢(shì)能減小，其他形式的能增加，如圖所示，表示一段電路，電荷從左向右定向移動(dòng)，他們經(jīng)過(guò)這段電路所用的時(shí)間記為t，根據(jù)以學(xué)的知識(shí)，在這段時(shí)間內(nèi)，通過(guò)這段電路任意橫截面的電量為q=It，如果這段電路兩端的電勢(shì)差是u，靜電力做的功就是W=qU，由此我們可以推出電功的表達(dá)式W=UIt，可求解電路中電流做的總功，使用于所有的電路。因?yàn)楣κ菢?biāo)量，所以電流做的功自然也是標(biāo)量，那么電流做功的測(cè)量方法是什么呢？根據(jù)電功的表達(dá)式，我們做了一種測(cè)量工具---電能表，用它來(lái)直接測(cè)量電功，功的單位是焦耳，自然電流做功即電功的單位也是焦耳，單位換算：1kW·h=×106J同其他力一樣，電流做功也有快慢之分，電流做功的快慢，用電功率來(lái)表示即：進(jìn)而得到P=UI，這個(gè)公式表示電流在一段電路中做功的功率P等于這段電路兩端的電壓與電流的乘積，電功率也是標(biāo)量，單位瓦特。測(cè)量方法，電功率表，求解電路的電功率時(shí)，公式P=UI使用于所有的電路例1：一根電阻絲在t時(shí)間內(nèi)通過(guò)2C的電量時(shí)，消耗電能是8J。若在t時(shí)間內(nèi)通過(guò)該電阻絲4C的電量時(shí)，該電阻絲兩端所加電壓U和該電阻絲在t時(shí)間內(nèi)消耗的電能E分別為（）A．U=4VB．U=8VC．E=16JD．E=32J通過(guò)前面的講解，我們知道電流做功的求解解方法；那么電流做功，究竟電能轉(zhuǎn)化為哪種形式的能量呢？能量在相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中是守恒的，下面我們應(yīng)用能量守恒定律，分析電路中，能量的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，電流做功，究竟電能轉(zhuǎn)化為哪種形式的能量？要看電路中具有哪種類型的用電器。前面我們提到，電流通過(guò)電熱水壺，電熱水壺中的電熱元件做功時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能，電流在這段電路中做的功W等于這段電路中產(chǎn)生的熱量Q，所以我們得到W=Q，又因?yàn)閃=UIt，，由這樣的三個(gè)公式，我們可以推導(dǎo)出定律的內(nèi)容：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比，表達(dá)式Q=I2Rt，單位：焦耳，該定律是英國(guó)科學(xué)家焦耳于1841年發(fā)現(xiàn)的。焦耳定律是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律。說(shuō)明：在推導(dǎo)焦耳定律時(shí)，電功全部轉(zhuǎn)化為電熱，即：W=Q；但實(shí)際電路，電能不一定全部轉(zhuǎn)化為電熱。若只求電熱時(shí)，例如，要計(jì)算電流通過(guò)某一電路時(shí)放出熱量的多少，都可以使用焦耳定律。它適用于任何導(dǎo)體，范圍很廣，所有的電路都能使用。說(shuō)明：同焦耳定律一樣，若只求解電流通過(guò)導(dǎo)體發(fā)熱的功率時(shí)，對(duì)所有的電路都能使用。例2.把六個(gè)相同的小燈泡接成如圖甲、乙所示的電路，調(diào)節(jié)變阻器使燈泡正常發(fā)光，甲、乙兩電路所消耗的功率分別用P甲和P乙，則下列結(jié)論中正確的是()A．P甲=P乙B．P甲=3P乙C．P乙=3P甲D．P乙>3P甲12V12V甲R(shí)12V乙R'分析：設(shè)燈泡正常發(fā)光時(shí)的電流為I，

對(duì)于甲圖，電路的總的電流為3I，

此時(shí)甲的總功率的大小為P甲=U×3I=3UI，

對(duì)于乙圖，電路的總電流的大小就為I，

此時(shí)乙的總功率的大小為P乙=U×I，

所以P甲=3P乙，B選項(xiàng)正確，

點(diǎn)評(píng)：對(duì)于本題來(lái)說(shuō)總功率的計(jì)算，可以分別計(jì)算小燈泡的功率與變阻箱的功率求和，也可以從整體考慮，而本題由于電路的總電壓的大小是相同的，可以從整體考慮。這樣，用總電壓與總電流的乘積來(lái)計(jì)算總功率的大小，可直接得出結(jié)論。焦耳定律討論了電路中電能完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的情況，但實(shí)際中有些電路除含有電阻外，還含有其他負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)。下面我們以電動(dòng)機(jī)為例，討論一下電路中的能量轉(zhuǎn)化請(qǐng)同學(xué)們思考這樣的一個(gè)問(wèn)題，如圖所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接上電源后，會(huì)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)這里涉及哪些功率，功率間的關(guān)系又如何？給電動(dòng)機(jī)接上電源后，我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，我們知道電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通電一段時(shí)間后，切斷電源，電動(dòng)機(jī)剛剛停止工作時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它的外殼是熱的，說(shuō)明工作時(shí)有電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能從能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度看，電動(dòng)機(jī)從電源獲得能量，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。假設(shè)電動(dòng)機(jī)消耗的功率為P電，電動(dòng)機(jī)對(duì)外做功輸出的功率，即機(jī)械功率為P機(jī)，另外，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)自身也有能量損失，對(duì)應(yīng)的功率為P損，它們之間滿足P電==P機(jī)+P損，設(shè)電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為U，通過(guò)電動(dòng)機(jī)線圈的電流為I可知可知P電=UI，電動(dòng)機(jī)剛停止工作時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)外殼是熱的，說(shuō)明工作時(shí)有電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，假設(shè)電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為r可知P熱=I2R，這說(shuō)明，由于電動(dòng)機(jī)線圈有電阻，所以電能除了轉(zhuǎn)化為機(jī)械能之外，確實(shí)還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與軸承均有摩擦，另外還有空氣阻力，但忽略這部分能量損失，只考慮線圈發(fā)熱產(chǎn)生的能量損失，則有P損=P熱這樣我們可以得到P電==P機(jī)+P熱，同樣對(duì)于正在充電的電池，電能除了轉(zhuǎn)化為化學(xué)能之外，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能下面我們通過(guò)一道例題，計(jì)算一下電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，各功率的數(shù)值例3：一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，線圈的電阻是Ω，當(dāng)它兩端所加的電壓為220V時(shí)，通過(guò)的電流是5A。這臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的功率與對(duì)外做功的功率各是多少？分析：本題涉及三個(gè)不同的功率，電動(dòng)機(jī)消耗的電功率P電電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的功率P熱和對(duì)外做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率P機(jī)，三者之間遵從能量守恒定律即：P電=P機(jī)+P熱由焦耳定律可知，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的功率為P熱=I2R=52×=10W電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為P電=UI=220×5W=1100W根據(jù)能量守恒定律，電動(dòng)機(jī)對(duì)外做功的功率為P機(jī)=P電－P熱=1100W－10W=1090W所以，這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率為10瓦，對(duì)外做功的功率為1090瓦一，有關(guān)電動(dòng)機(jī)的三個(gè)功率及效率：1．輸入功率：電動(dòng)機(jī)的總功率．由電動(dòng)機(jī)電路的電流和電壓決定，計(jì)算：P總＝UI.2．輸出功率：電動(dòng)機(jī)做有用功的功率P出．3．熱功率：電動(dòng)機(jī)線圈上有電阻，電流通過(guò)線圈時(shí)要發(fā)熱，熱功率P熱＝I2r.4．功率關(guān)系：P總＝P出＋P熱．另外，電動(dòng)機(jī)的效率為：×100% .通過(guò)學(xué)習(xí)，我們知道了，用電器在通電時(shí)，電流做功，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能通常分為兩類。一類是，電路只有白熾燈、電熱水壺、電熨斗、電飯鍋，電烙鐵等存在的電路時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的內(nèi)能，即：W=Q，這時(shí)，W=UIt，Q=I2Rt，由以上三公式可以推出I=U/R，歐姆定律適用這樣的電路，叫純電阻電路另外一類，電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)、電解槽、電風(fēng)扇等存在的電路如例題3，電流做功除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或其他形式的能，即：W＞Q此時(shí)，可以推出I＜U/R，我們把這樣的電路叫非純電阻電路，歐姆定律不適用。通過(guò)以上學(xué)習(xí)，我們來(lái)總結(jié)一下這節(jié)課的主要內(nèi)容，電功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的總和，電功率，表示電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的快慢，電熱表示電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的多少，電熱功率表是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的快慢。聯(lián)系---電能只有向內(nèi)能轉(zhuǎn)化時(shí)，電功與電熱相等，電功率與電熱功率相等，歐姆定律成立。1：如圖所示，A、B兩燈額定電壓都是110V，額定功率PA=100W，PB=40W，接在220V電路上使用，使電燈能夠正常發(fā)光，且電路中消耗電能最小的電路是()A、B、C、D、分析：bcd選項(xiàng)中，我們可將并聯(lián)部分看作一個(gè)電阻，此時(shí)bcd三個(gè)選項(xiàng)電路都可簡(jiǎn)化為兩個(gè)電阻的的簡(jiǎn)單串聯(lián)關(guān)系，四個(gè)選項(xiàng)電路相同，并且都是由兩個(gè)電阻的的串聯(lián)組成電路由上圖可知，使電燈都能夠正常發(fā)光，串聯(lián)兩部分的電阻必須相等；得到每一部分功率相同。解答：A選項(xiàng)，由于AB兩個(gè)燈泡的電阻大小不同，所以直接把AB串連接入電路的話，AB的電壓不會(huì)平分，AB不會(huì)同時(shí)正常發(fā)光，所以A錯(cuò)誤；

B、由于額定電壓都是110V，額定功率PA=100W、PB=40W，由此我們可以知道RB＞RA，把燈泡A與電阻并聯(lián)的話，會(huì)使并聯(lián)的部分的電阻更小，所以兩部分的電壓不會(huì)平分，AB不會(huì)同時(shí)正常發(fā)光，所以B錯(cuò)誤；

C、若把燈泡B與電阻并聯(lián)的話，可以使并聯(lián)部分的電阻減小，可以使A與并聯(lián)部分的電阻相同，所以AB能同時(shí)正常發(fā)光，并且并聯(lián)電路消耗的功率與A燈泡的功率相同，所以總功率的大小為200W；

D、把AB并聯(lián)之后與電阻串連接入電路的話，當(dāng)電阻的阻值與AB并聯(lián)的總的電阻相等時(shí)，AB就可以正常發(fā)光，此時(shí)電阻消耗的功率為AB燈泡功率的和，所以電路消耗的總的功率的大小為280W；

由CD的分析可知，正常發(fā)光并且消耗的功率最小，應(yīng)該選c選項(xiàng)．2.一臺(tái)電風(fēng)扇，內(nèi)阻為20Ω，接上220V電壓后，消耗的功率是66W。求：

（1）電風(fēng)扇正常工作時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流強(qiáng)度。

（2）電風(fēng)扇正常工作時(shí)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和內(nèi)能的功率，及電機(jī)的效率。

（3）如果接上電源后，扇葉被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，求這時(shí)通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流，以及電動(dòng)機(jī)消耗的電功率和發(fā)熱功率。分析：（1）根據(jù)功率P=UI可以求得電動(dòng)機(jī)的電流的大??；

（2）由P熱=I2R可以求得轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的功率的大小，再由P機(jī)=P-P熱可以求得轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率；

（3）當(dāng)扇葉被卡住不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)可以看做是純電阻，總的功率即為發(fā)熱的功率．解答：（1）由P=UI可得

電流I=P/U=，

（2）線圈電阻發(fā)熱功率P熱=I2R=，

機(jī)械功率P機(jī)=P-P熱=，

效率為機(jī)械功率與總功率之比為%

（3）當(dāng)葉片不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作純電阻，歐姆定律使用，I=U/R=11A，所以P=UI=I2R=2420w．

點(diǎn)評(píng)：對(duì)于電功率的計(jì)算，一定要分析清楚是不是純電阻電路，對(duì)于非純電阻電路，總功率和發(fā)熱功率的計(jì)算公式是不一樣的．簡(jiǎn)明扼要，直接過(guò)渡到本節(jié)課主題?？疾榱穗娏亢碗姽Φ挠?jì)算及歐姆定律的應(yīng)用。本題由于不知道時(shí)間，所以不能求出電流的數(shù)值，只能根據(jù)相關(guān)公式找出它們的相關(guān)關(guān)系來(lái)求解。借助電功電能的關(guān)系做好鋪墊。利用能量守恒定律去建立聯(lián)系，利用之前的知識(shí)，進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，訓(xùn)練學(xué)生正確的運(yùn)用科學(xué)思維方法。電動(dòng)機(jī)是非純電阻電