资源简介

第12章 电能 能量守恒定律
第1节 电路中的能量转化
教学内容分析
《电能 能量守恒定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“电路及其应用”主题下的内容。课程标准要求为：理解电功、电功率及焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对课程标准的解读为：本条目要求学生理解电功、电功率的概念和物理含义，掌握电功和电功率的计算公式。通过实验理解焦耳定律，能用焦耳定律计算电路中的电热，能区分电功和电热，能从能量转化和守恒的角度理解非纯电阻电路中电功和电热的关系，提升学生用能量的观点来理解、解释物理现象的能力。通过分析电流热效应在生产生活中的应用，提升学生应用物理知识解决实际问题的能力。
本节在电场知识和能量守恒定律基础上学习电功和电功率、焦耳定律，在电场和电路情境下培养学生的能量关系。教材以“问题”引入电功率概念，利用电场知识推导电功表达式，利用能量守恒定律推导焦耳定律。通过对包含电动机的电路中的能量转化的实例分析，加深对电功和电热等概念的理解和辨析。
学情分析
从知识层面，学生在初中知道电流做功的含义，了解电功率和焦耳热的表达式。在第十章学习了电场力做功对应电势能的减少量，本节从电场力做功理解电流做功的含义。电流做功的实质就是恒定电场对电荷做功。学生在必修二学习了各种能量，知道各种能量间通过力做功的途径实现转化，有助于学生理解电能和其他能量间的转化。中学生喜欢物理实验探究，对和原有认知不同的现象充满好奇，产生疑问。对于电动机电能转化的教学可以通过实验测量电压和电流，让学生经历实验认识非纯电阻电路。
教学目标
学生通过分析实例，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的，加深对功与能量转化关系的认识。
学生推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。
学生能从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系。
学生能联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论联系实际的意识。
教学重难点
教学重点：电功概念的建立和理解
教学难点：分析非纯电阻电路（例如电动机）能量的转化关系、区分电功和电热。
教学方法：讲授法、启发式教学、分组讨论
教学过程
新课引入
投影“东北限电”新闻截图。
师：人类生活在一个电的世界中，如果没有电，世界将会陷入一片黑暗，人们正常的生活将被打乱。电和我们的生活息息相关，每天我们都在消耗电能。本节课我们研究电路中的能量转化规律。
新课教学
1.电功和电功率
投影电热水壶和热得快用电器图片，提出问题，
问题1：在电热水壶中，能量是如何转化的？
问题2：（投影电热水器）电热水器消耗电能，将电能转化为水的内能。电能是如何转化为水的内能的？通过的方法是什么？
问题3：电流是如何形成的？方向如何规定？电荷在恒定电场中运动，电场力对电荷做正功还是负功？能量是如何转化的？如何理解“电流做功”？
师生分析：导体内部恒定电场对自由电荷施加电场力，自由电荷在电场力作用下定向移动，电场力对电荷做正功，使电势能转化为其他形式的能量，这就是电流做功的含义。
建立模型求电功：
问题4：若电路中电流为I，在时间t内通过截面的电荷量是多少？
问题5：恒定电场与静电场性质类似。在静电场中，已知电势差，如何求静电力对电荷做功？试求出恒定电场对电荷做的功与电压、电流的关系。
理论推导：
时间t内，穿过横截面的电荷量为
q=It
在时间t内所有电荷移动的距离相同，对于同种均匀材料导体，导线内各点电场强度大小相同。因此，电荷初始位置和末位置的电势差U均相同。则，电场力对电荷做功为
W= Uq= UIt
归纳总结：
电功 W=UIt
电功率 P= =UI 单位：瓦 W 1W=1J/s=1V·A
2.焦耳定律
师：当电流流经导体，导体会产生热量。导体产生的热量遵循物理规律，这个规律最先由英国物理学家焦耳通过实验总结得到。（教师结合PPT介绍焦耳生平和焦耳定律的建立）
焦耳简介：出生富裕家庭、非科班出身、自学成才；
科学成果不被认可，坚持不懈，通过大量实验测定热功当量，为能量守恒定律的建立奠定坚实的实验基础.
启示：学习焦耳坚忍不拔不放弃的顽强精神、不放弃、不气馁
焦耳实验介绍：焦耳1840年发表《关于伏打电产生的热》论文，详细描述其实验过程。
焦耳用多种金属导线进行实验，产生的热量通过水温度的上升计算。通过实验发现了热量和导线中电流、电阻以及通电时间间的关系。
焦耳定律：
文字表述：
电流通过导体产生的热量(焦耳热)跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通过时间成正比(与导体种类无关).
(2)公式：Q=I2Rt
(3)热功率： P热=I2R 单位时间内产生的热量
3.电路中的能量转化
投影图片：1.电热毯、热水器 2.洗衣机、电风扇等。
思考与讨论：对于电热毯，消耗的电能转化为什么能量？对于电风扇，电能转化为哪些能量？对于电风扇，其用途是用来使电阻发热吗？
学生活动：学生根据能量守恒定律分析讨论两类用电器能量转化情况，第一类电能全部转化为热，第二类大部分转化为机械能，小部分转化为热。
纯电阻：电能全部转为内能。例如电热毯、热水器等。
P电=P热 UI=I2R
欧姆定律成立，即U=IR。
非纯电阻：电能转化为焦耳热和其他形式能量(例如机械能(电动机)和化学能(电解池))
问题：生活中哪些用电器是非纯电阻，你能举出几个实例吗？
对于电动机，电能转化为机械能与内能，
UI=P机+I2R
欧姆定律不成立，U>IR.
例题 一电动机的线圈内阻0.4Ω.在电动机两端加220V电压时，电流是50A.试解决如下问题:
(1)计算电流与内阻的乘积，并与电动机两端电压比较，你有何发现？
(2)求电功率、热功率和机械功率.
(3)若电动机突然发生故障，停止转动.电功率与热功率相等吗？热功率是多少？
(4)电动机发生故障停止转动，工人师傅会立即跑去关闭电源.为什么？
课堂小结
电功：电场力做功.
电功率 P=UI
焦耳定律：Q=I2Rt 热功率 P=I2R
电路中的能量转化
纯电阻：电功=焦耳热
非纯电阻：电功=焦耳热+其他形式能量
作业：“练习与应用”第2题、第3题、第4题
板书设计
§ 12.1 电能 能量守恒定律
电功和电功率
电流做功
电功 W=UIt
电功率 P=UI
焦耳定律
Q=I2Rt P热=I2R
三、电路中的能量转化
纯电阻：UI= I2R
非纯电阻：电动机 UI=P机+I2R
教学反思
学生对“电能”，“电流做功”等名词存在一些模糊的认识，教学中应从恒定电场的角度处理本节内容教学，分析在外电路中电场力对正电荷做正功，电势能减少，通过电场力做功将电势能转化为其他形式的能量。“电能”即“电势能”。“电流做功”即“电场力对电荷做正功”。在教学中抓住场这一概念解释电能和电路中能量的转化，重视从场的角度看待问题，而不是仅仅利用公式计算习题。4
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