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第4节 焦耳定律
第1课时 焦耳定律
【教学目标】
一、知识与技能
1.知道电流的热效应.
2.理解焦耳定律的内容、公式、单位及其运用.
二、过程与方法
知道等效替代法和控制变量法在本节实验中的运用.
三、情感、态度与价值观
通过对焦耳生平的介绍，培养学生热爱科学，勇于克服困难的决心和信心.
【教学重点】
电流的热效应跟电阻、电流和时间的关系的探究.
【教学难点】
组织指导学生在探究过程中认真观察、分析，并得出正确的结论.
【教具准备】
学生电源、导线、开关、滑动变阻器、电阻丝、烧瓶、温度计、水、多媒体课件等.
【教学课时】
1课时
【巩固复习】
教师引导学生复习上一节内容，并讲解学生所做的课后作业（教师可针对性地挑选部分难题讲解），加强学生对知识的巩固.
【新课引入】
教师出示一些用电器的图片，让学生观察，并提出问题：
（1）比较它们有何不同？
（2）灯泡发光一段时间后，用手触摸灯泡，有什么感觉？为什么？
（3）电风扇使用一段时间后，用手触摸电动机部分有什么感觉？为什么？
学生讨论、回答：灯泡发热，电风扇的电动机发热.
师 这节课我们就来研究一下电与热的有关问题.
【进行新课】
电流的热效应
师 请大家观察教材P99页图18.4-1，图中四个用电器通电时都会产生什么现象？
说明电流在工作过程中消耗的电能转化成什么能了？
生：会产生热现象，说明电能转化成热能了.
板书：
电流通过导体时，电能要转化成热能，我们把这种现象叫做电流的热效应.
教师总结：电热的实质是电能的转化.电热既是电能转化为内能的过程，同时也是电流做功的过程.但是对不同的用电器来说，在消耗相同的电能的情况下，电能转化为内能的多少是不同的.比如电炉子、电饭锅、电烙铁等用电器的主要作用就是把电能转化为内能，从而供人们利用，此时在不考虑能量损耗的情况下可以近似认为电能全部转化成了内能；但是对于像电风扇、电冰箱、电视机、洗衣机等用电器，它们的主要目的不是将电能转化为内能，而是转化为其他形式的能量，所以此时消耗的电能中，只有很少一部分电能转化成了内能，这时的热效应体现得不明显.
师 电流的热效应是一种普遍现象；电流还有另外两种效应：化学效应，如电镀、电解；磁效应，电磁铁、电动机等.
【课外拓展】
电流的三种效应：
课堂演练
完成本课时对应课堂练习.
知识点2 焦耳定律Q＝I2Rt
1.探究电流产生的热量跟哪些因素有关
（1）猜想：（教师引导鼓励学生发言）
生1：可能与电压有关，因为电压越大，电炉中产生的热越多；
生2：可能与电阻有关，因为电炉丝发热，而跟电炉丝相连的铜导线却不太热；
生3：可能跟电流有关，因为常听说，电流大容易引发火灾.
教师总结：电流、电压和电阻三个量之间是有联系的，明确了两个量就可以再确定另外一个量，故我们研究电流、电阻与导体产生热量的关系就可以了.
（2）设计实验:(采用控制变量的方法)
①如何控制电流一定时电阻的变化？
②如何控制电阻一定时电流的变化？
③如何比较电流产生热量的多少？（转换的思想）
师 请同学们观察通电的电炉和相连的导线.
生：电阻丝很快地发红，与之相连的导线却不太热.
师 电阻丝与导线是怎样连接的？请就此提出一个值得探究的课题——在电流相同时，电流通过导体产生的热量与电阻有什么关系？
演示实验1：把两个电阻不同的金属丝串联起来，放入装有相同质量煤油的两个烧瓶中，通电，观察烧瓶中的温度计的示数.说明哪个烧瓶中产生的热量多？可得出产生热量的多少与什么因素有关？
分析结论：在电流、通电时间相同的情况下，电阻越大，产生的热量越多.
演示实验2：用一个电阻来做，通过滑动变阻器改变通过电阻的电流，观察烧瓶中的温度计的示数.得出什么结论？
分析结论：在电阻、通电时间相同的情况下，通过的电流越大，产生的热量越多.
演示实验3：用一个电阻来做，通过相同的电流，改变通电的时间，观察烧瓶中温度计的示数.得出什么结论？
分析结论：在电阻、通过的电流相同的情况下，通电时间越长，产生的热量越多.
说明：探究电热因素的方案较多，学生提到的，都可尽量鼓励学生大胆地去探究.
（3）怎样理解实验所选器材的目的：
①实验时，选用的烧瓶要完全相同，里面所盛的煤油质量也要相同，以使两瓶中的煤油吸收不同的热量时，升高不同的温度.
②瓶中阻值不同的电阻丝也可分别用镍铬合金丝和铜丝.
③烧瓶中，为什么要装煤油？
答：因为煤油的比热容小，吸收相同的热量，温度变化明显，从而使实验现象明显，另外煤油不导电，还能防止漏电.
④在实验中，为什么要将两电阻丝串联？
答：由于影响电热大小的因素有多个，所以必须采用控制变量法，才能探究某一因素对电热的具体影响.例如，探究电阻大小对电热的影响时，必须控制电流和通电时间相同，当两电阻丝串联时，可以绝对保证电流大小和通电时间相同.
⑤由于实验中电流在导体上产生的热量无法直接观察，故采用转化法，把放出热量的多少转化为能直接观察的温度变化的多少.通电后电流在电阻丝上产生的热量越多，煤油上升的温度越高，观测温度的变化情况，就可以定性比较电流产生热量的多少了.
（说明：当然本实验还有很多转化方案.例如，转化为烧瓶中煤油受热使煤油柱升高的高度；或转化为密闭空气受热膨胀使U形管中红色液柱出现高度差；或转化为导体上用蜡均匀黏住的火柴棒掉下的数目等.注意用心体会吧！）
2.焦耳定律
师英国物理学家焦耳通过大量的实验于1840年最先精确地确定了电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比的结论，这与我们刚才得出的电热与电流、电阻的关系是一致的，于是人们为了记住他，把这个规律叫做焦耳定律.
板书：
公式：Q=I2Rt.
单位：电流I——安培（A），电阻R——欧姆（Ω）,时间t——秒（s），热量Q——焦耳（J）.
教师总结：运用焦耳定律计算电热时应注意：
（1）焦耳定律公式Q=I2Rt,是由实验总结出来，只要有电流通过导体，都可以用它来计算所产生的热量.
（2）公式中各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的，也是对应于同一状态的.
课堂演练
完成本课时对应课堂练习.
纯电阻电路中利用求电热
师 像刚才接电炉的电路中，电流工作时将电能全部转化为热能，这样的电路叫纯电阻电路.初中我们所研究的电路，大部分是纯电阻电路，如电灯、电阻的电路.而电风扇所在的电路，电流工作时，消耗的电能只有一部分转化为热能，大部分转化为机械能，这样的电路为非纯电阻电路.
消耗的电能W与产生的电热Q之间的关系：
（1）纯电阻电路中，消耗的电能W等于产生的电热Q；
（2）非纯电阻电路中，消耗的电能W大于产生的电热Q.
板书：
在纯电阻电路中，Q=W=Pt=I2Rt=.
师 请大家看教材P101页《想想议议》，分析讨论.
学生讨论后回答.
教师总结：额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，单位时间内产生的热量越多.因为灯泡的电路是纯电阻电路，所以有Q=W=Pt=，当电压一定时，电阻越小，相同时间内产生的热量越多.而用焦耳定律比较两个电阻在单位时间内产生的热量的多少时，其前提条件是流过两个电阻的电流相同.二者并不矛盾，是两者的前提条件不同.
对于焦耳定律的理解，教师应注意强调公式适用的条件，而不能片面地利用数学知识去讨论.对于焦耳定律可从两点加深理解：①在时间、电压相同时，由Q=可知电阻越小，产生的热量越多；②在时间、电流相同时，由Q=I2Rt可知，电阻越大，产生的热量越多.
例题（多媒体展示）冬天，王刚同学使用电热毯时发现电热毯有高温挡和低温挡，于是他设计了电热毯的模拟电路图甲和图乙（电热丝相当于电热毯内部发热电阻）.
（1）图甲中有定值电阻R1（置于电热毯外部），电热丝R2，请说明要使电热毯处于低温挡，开关S1、S2应处于什么状态？并写出低温挡时电热毯发热电功率的表达式.
（2）图乙中有两根电热丝R2、R3，请说明要使电热毯处于高温挡，开关S1、S2应处于什么状态？并写出高温挡时电热毯发热电功率的表达式.
（3）请指出你认为其中较好的电路，并说明理由.
分析：所谓“挡位”问题，通常是在电压不变的情况下，通过改变电路电阻，从而改变用电器的电功率，所以常用公式P=U2/R来判定，R越大，P越小，是低挡位；R越小，P越大，是高挡位.
特别提醒：解答此类问题时要正确选用公式.在串联电路中，电流相等，一般选用公式P=I2R；在并联电路中，电压相等，一般选用公式P=U2/R.
课堂演练
完成本课时对应课堂练习.
【教师结束语】
本节课我们学习了电热产生的原因，影响电热产生多少的因素，焦耳定律，以及纯电阻电路中电热的计算等知识.实验设计时我们一定要有控制变量的思想，在说明一个物理量与另一个物理量之间关系时，一定要强调其条件，是在什么量不变的情况下才有这样的关系，使自己的叙述更加严密.
课后作业
完成本课时对应课后练习.
1.本节课的设计要体现从生活走向物理，从物理走向社会的基本理念，注重科学的探究，激发学生的学习兴趣，培养良好的思维习惯.
2.根据学生实际和课程标准的要求进行设计，通过学生的观察和生活经验，提出问题，进行分析，共同归纳总结.教学中应该充分地相信学生，给学生活动的空间，真正的让学生成为学习的主人，在实验的过程中学生也可能提出许多问题.教学中一定要发挥学生的主体作用，尤其是在大力提倡科学探究的今天.在教学过程中要让学生参与讨论，充分调动学生学习的积极性与思维分析能力，培养学生解决问题的能力，并将所学到的知识与实际相联系，使学生达到学以致用.
3.这是一节实验应用课，其中的理论需要实验验证，得出的理论又要在生活中加以印证，所以该课的内容多，需要教师及时转换的角色也多.
（1）实验的猜想既要注意挖掘学生的不同观点，又要将这些观点注意引导到我们所要探究的因素上.
（2）对实验的设计要放开让学生自己做，实践发现学生的思路有局限于课本上那个实验的倾向，所以要设计一个良好的实验情景，注意让学生的思维散开，发挥其主动性.
（3）实验中物理思维方法——控制变量法、转换法，要很好地引导学生去运用，加以培养.
（4）电热与电流的二次方成正比是初中学生第一次接触，有一定的难度，教师只作交待，留在高中再进一步探究验证.
4.对于纯电阻电路的理解，先从电炉和电风扇工作时能的转化入手，再讲述概念，不空洞，学生易接受.

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