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电功和电功率
第一节　电能和电功
方式一　【情境导入】
1.(创设问题情景,引入新课)我们随处可见电流在工作,教室里开着的电灯将电能转化为光能,正在使用的投影仪将电能转化为光能,电吹风、电风扇将电能转化为机械能,电热器将电能转化为内能……今天,我们就来认识一下电功和电能。引入新课。
2.投影短片:夜幕下的城市灯火通明、工厂里机器在运转、电风扇在转动、电焊工在电焊、人们在看电视……突然,停电了,一切是那样寂静。
师:通过看短片,同学们的感受是什么
生:生活中处处都需要电。
师:对。在我们的生活中“电”太重要了,电也是一种能源,我们称它为电能,今天我们就来具体学习。引入新课。
方式二　【情境导入】
多媒体展示:电费清单。
客户名称 ××××××
用电地址 ××××××
客户号 ×××××× 表号(后7位) ×××××××
抄表日期 ×年×月×日 本月电量 276
上次抄表示数 7568.5 本月电费 138
本次抄表示数 7844.5 电费余额 -138
本年阶梯 累计用电量 1784 一挡标准 2160 二挡标准 3360
本月电费明细 电量(千瓦时) 电价标准(元/千瓦时) 电费(元)
基础电费 276 0.5 138
阶梯二档递增 0 0 0
阶梯三档递增 0 0 0
师:电费的多少表明什么 电费的多少可能与什么因素有关 电费又是怎样计算出来的呢 如何测量电路中消耗的电能呢 本节我们来研究这些问题。引入新课。
1.关于公式W=UIt的推导与应用
由W=UIt和I=可得,W=I2Rt=t,表明:在纯电阻电路(电能全部转化成内能的电路)中,公式W=UIt=I2Rt=t都可以用来计算电功,且由推导公式可知,串联电路中,电阻越大消耗的电能越多;并联电路中,电阻越小消耗的电能越多。
2.实验设计:利用电动机做功探究电流做功的影响因素
探究方法:控制变量法。
设计思路:按照图13-1-1所示的装置进行实验探究。
图13-1-1
(1)让电流通过一个小电动机带动重物升高,当电压、电流相同,通电时间不同时,重物被提升的高度不同,通电时间越长,重物被提升的高度越高,说明电功和通电时间有关。
(2)将两个不同的小电动机串联在同一电路中提起重物,比较两个小电动机在相同时间内提升相同重物的高低,电压越高,重物被提升的高度越高,说明电功和电压有关。
(3)将两个不同的小电动机并联在同一电路中提起重物,比较两个小电动机在相同时间内提升相同重物的高低,电流越大,重物被提升的高度越高,说明电功和电流有关。
实验结论:电流做功的多少跟电流的大小、电压的高低、通电时间的长短都有关系。加在用电器上的电压越高、通过的电流越大,通电时间越长,电流做功越多。
[中考解读] 电能、电功是本章知识的开始,是有关电功率问题的基石。有关电能表的读数,以及根据电能表相关参数进行计算分析是中考中的常见考点,多以选择题和填空题的形式出现。
[考点对接] 电能表
例1　(广元中考)如图13-1-2所示是小英家的电能表表盘示意图,她断开其他用电器,只将电饭煲单独接入电路中正常工作1 min,发现电能表转盘转过10 r。下列说法正确的是 (　　)
图13-1-2
A.电能表是测量电流的仪表
B.该电能表允许通过的最大电流是10 A
C.电能表表盘示数为10226 kW·h
D.电饭煲正常工作10 min,消耗电能6×105 J
[答案] D
[解析] 电能表是测量电功的仪表,A错误;该电能表允许通过的最大电流是20 A,B错误;电能表表盘示数为1022.6 kW·h,C错误;电饭煲正常工作10 min,消耗的电能为W== kW·h=6×105 J,D正确。
例2　(龙东中考)小叶同学利用如图13-1-3所示的电能表测量电热水器消耗的电能,将电热水器单独连接在电路中,观察到电能表上的铝盘1 min转了60转,电热水器消耗的电能是　　　　　　 kW·h,如果这些能量由天然气来提供,需要完全燃烧　　　　　　m3的天然气。(q天然气=4.0×107 J/m3)
图13-1-3
[答案] 0.02　1.8×10-3
[解析] 该电能表上的“3000 r/(kW·h)”表示电路中每消耗1 kW·h的电能,电能表的转盘转3000 r,则转60 r实际消耗的电能为W==0.02 kW·h=7.2×104 J;天然气的热值q天然气=4.0×107 J/kg,由Q=qV得,这些能量若由天然气来提供,则需要天然气的体积为V====1.8×10-3 m3。
材料一——家用电能表的接法
家用电能表一般有五个接线柱,其中有两个接线柱在表的内部用连片短接,所以电能表的外接接线柱只有四个,从左至右分别按1、2、3、4编号,连接时火线从1进,从2出,零线从3进,从4出,即“1进2出,3进4出”。如图13-1-4所示。
图13-1-4
材料二——家用电器节约电能的常识
(一)电冰箱的省电方法
①开门次数尽量少,时间尽量短,若以每次开门时间0.5~1 min计,则冰箱内温度恢复原状压缩机就要工作5 s,耗电约0.008 kW·h。
②冰箱内温度调节适宜,在盛夏电冰箱的冷藏室温度定为5 ℃比定为8 ℃每月多耗电十几千瓦时;冷冻室内温度设定为-14 ℃比设定为-18 ℃要省电2%左右。
③储存食物不宜过满过紧,食品之间以及食品与箱壁之间应有10 mm以上的空隙,以利于冰箱内空气温度均匀稳定,从而减少耗电。
④热的食品应冷却至室温,然后放入冰箱内,以减少耗电。
⑤及时除霜,一般电冰箱内蒸发器表面霜层达5 mm以上时就应除霜,如果积霜太厚会影响热交换,制冷效果变差,耗电量增多。
⑥制作冷冻食品时使用冷开水,忌用热开水,最好在夜间放入电冰箱,因夜间环境温度低。
⑦经常保持冰箱背部清洁,冷凝器和压缩机表面的灰尘会影响散热效果。
⑧冷冻的食品食用前可先放在冷藏室内慢慢解冻。
(二)家用空调的省电方法
①温度设置要适当,不要太低或太高。如夏季可设为26~27 ℃,空调每调高1 ℃,可降低7%~10%的用电量。
②通风开关不应常开,否则冷气大量外流,浪费电能。
③开动空调时,应确保门窗紧闭。
④保持过滤网清洁和分体式空调器的室外机组与室内机组之间的连接管路尽量短。
⑤风扇模式的耗电量仅是制冷模式的5%~10%,因此在天气不太热的时候,使用风扇模式是一个更佳的选择。
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电功和电功率
第一节　电能和电功
教 材 解 读 　电能和电功是初中物理电学体系的关键环节,从知识架构看,它承接了之前所学的电流、电压、电阻等基础知识,是对电学概念的进一步深化。同时也为后续学习电功率、焦耳定律等内容奠定坚实的基础,起着承上启下的作用。 　教材首先从电饭煲、电风扇、台灯等身边熟悉的生活现象引入电能和电功的概念,使抽象的物理知识变得生动形象、易于理解,让学生感受到电能在日常生活中的广泛应用,体现了“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念;其次通过探究电功大小与哪些因素有关的实验,引导学生自主设计实验、进行实验操作、分析实验数据,提高学生的动手能力和科学素养,得出影响电流大小的因素,在此基础上直接给出电功的计算公式W=UIt;最后教材介绍了电能的测量工具——电能表,展示了三种电能表,贴近学生生活,通过“科学窗”引导学生认识电能表上各个参数,开阔学生视野。
学 习 目 标 物理观念 　1.知道电流做功过程就是电能转化为其他形式能的过程。 　2.知道电流做功与电流、电压、通电时间有关,知道电功的公式及单位。 　3.知道电能表的用途和读数方法,能用电能表测量电功。
科学思维 　1.初步具有“功是能量转化的量度”的思想。 　2.通过网络或其他渠道查找我国各种电站的资料,培养学生获取信息的能力和归纳能力。
科学探究 　通过实验探究电功大小与哪些因素有关,进一步学习控制变量法。
科学态度 与责任 　1.了解电能和我们生活的关系,培养学生节约用电的意识。 　2.了解我国的电力发展,激发学生的爱国主义情操。
重点 难点 　重点:电功的计算和电能表的读数。 　难点:电功的应用。
电能 表相 关计 算 　1.根据电能表计算电费:根据一段时间内电能表前后两次示数差计算在该段时间内消耗的电能W,电费价格为m元/度,则电费=mW。 　2.转盘转动转数n和消耗电能W之间的关系:①根据转数计算电能:若电能表表盘标有N r/(kW·h),则转盘转过n转消耗的电能为W= kW·h;②根据消耗的电能W(单位为kW·h)计算电能表转盘转过的转数:n=NW。
备课 资料 　word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 类比猜想:电流是否也会做功 引导学生分析类比: (1)打开阀门,涡轮转动,什么能转化为什么能 谁做了功 (2)闭合开关,灯泡发光,什么能转化为什么能 谁做了功 学生讨论思考 情境引入,让学生类比水流做功知道电流做功。
【新课教学】 探究点一:电能和电功的概念 教师结合生活实例,进一步引导学生分析正在工作的电饭煲、洗衣机和台灯,它们消耗了什么能 转化为什么能 谁做了功 归纳得出: (1)电能转化为其他形式的能的过程,就是电流通过用电器做功的过程,电流做的功称为电功,用W表示。 (2)电流做了多少功,就有多少电能转化为其他形式的能。 学生思考举例,分析常用电器的能量转化 从常见的用电器入手,帮助学生从能量转化的角度来认识电功。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
电能的单位:国际单位——焦耳(J); 生活中的单位——度、千瓦时(kW·h)。 引导学生推导:1 kW·h=　　　　J。并试着写出推导过程。 从身边常见的现象引导学生思考:家中同时使用的用电器越多,消耗的电能会如何变化 电流做的功呢 学生思考回答后再提出新的问题:电流做的功与哪些因素有关呢 探究点二:探究电功大小与哪些因素有关 1.提出问题,进行猜想与假设 让学生说出猜想和依据,然后通过几个例子进一步肯定学生的猜想。 (1)电风扇和彩电工作时电流差不多,工作相同的时间,哪个消耗的电能多 电流通过哪个用电器做的功多 (2)家庭中,一盏电灯和一台空调工作相同的时间,电流通过哪个用电器做的功多 (3)为什么我们提倡人走灯灭,夏季把空调的设定温度调高一些 2.设计实验 提出问题: (1)探究过程中应采用什么实验方法 (2)如何衡量电流做功的多少 (3)按照你的思路,你需要哪些实验器材 要使不同的用电器电流相同而电压不同,应怎样连接用电器 要使不同的用电器电压相同而电流不同,应怎样连接用电器 通过交流与讨论使学生认识到应当用控制变量法和转化法进行实验,可通过用电器工作时得到的内能或机械能的多少判断电流做功的多少。 学生根据实例情景猜想: 电流做功的多少与电压大小、电流大小、通电时间有关。 思考、交流 创设情境,启发学生进行猜想。 通过问题引导,逐步渗透实验设计的思路
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
要使不同的用电器电流相同而电压不同,可将不同的用电器串联起来;要使不同的用电器电压相同而电流不同,可将不同的用电器并联起来。 利用小电动机提升重物来定性研究电流做功的多少。 3.实验过程收集证据 探究1:探究电流做功与电压大小的关系。 老师引导:需要控制什么物理量相同 学生回答:控制电流与通电时间相同。 老师启发:如何设计电路 学生回答:串联连接电流相同,用开关控制电路同时通断时间相同。 学生设计完老师补充,并开始实验探究。 收集证据: 电压提升高度W较大较小
学生总结结论:电流和通电时间相同时,电压越大,钩码升得越高,表明电流做功越多。 探究2:探究电流做功与电流大小的关系。 老师引导:需要控制什么物理量相同 学生回答:控制电压与通电时间相同。 老师启发:如何设计电路 学生回答:并联连接电压相同,将开关放在干路上控制电路同时通断时间相同。 学生讨论,合作完成实验。 实验激发兴趣,问题引导思考,在实验和思考中提高思维和科学素养。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
学生设计完老师补充,并开始实验探究。 收集证据: 电流提升高度W较大较小
学生总结结论:电压和通电时间相同时,电流越大,钩码升得越高,表明电流做功越多。 探究3:探究电流做功与通电时间的关系。 老师引导:需要控制什么物理量相同 学生回答:控制电压与电流相同。 老师启发:如何设计电路 学生回答:只需要将一个电动机和一个开关串联在电路中。 学生设计完老师补充,并开始实验探究。 收集证据: 时间提升高度W较长较短
学生总结结论:电压和电流相同时,通电时间越长,钩码升得越高,表明电流做功越多。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
实验后老师总结讲解:实验数据表明:电流所做的功跟电压、电流和通电时间成正比。电功等于电压、电流和通电时间的乘积。 即W=UIt(普遍适用)。 公式中各物理量的单位:U/V,I/A,t/s,W/J,1 J=1 V·A·s。 练习1:一个电加热器两端的电压是220 V,通过它的电流为5 A,通电20 s,电流做了多少功 消耗多少电能 练习2:一只手电筒的小灯泡正常工作时,其两端的电压是3 V,灯丝电阻为15 Ω,通电20 s,灯丝中电流所做的功为多少 练习3:通过小灯泡的电流是0.3 A,灯丝电阻为10 Ω,通电100 s,灯丝中电流所做的功为多少 在纯电阻电路中:W=UIt,W=t,W=I2Rt。 探究点三:电能表 演示:把不同用电器接入电路,观察电能表的转盘转动情况。 说明电能表可以记录和显示一段时间内用电器所消耗的电能。在生产生活中,我们消耗电能的多少是利用电能表来计量的,计数特点:累计,一段时间前后两次读数之差就是这段时间消耗的电能。 展示电能表实物,了解电能表的参数。 常用单位:千瓦时(度)。 1度=1 kW·h=1000 W×3600 s=3.6×106 J。 如何计算一段时间内消耗的电能和电费 例题 书写完整计算过程,尝试进行公式推导 学生观察,尝试理解电能表的参数 学习电能表的读数,并在生活情境中进行应用 通过练习,学生熟悉电能公式的使用,并在练习过程中进行推导公式。 通过认识电能表,知道电功的测量仪器及其使用方法
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
电费:0.50元/度。 知识拓展 一度电可以做什么 可以让100 W白炽灯工作10 h。 学生阅读课本材料,了解我国水力发电站的发展现状。 课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 阅读课本,获取信息,了解发电现状
学点1　电能和电功
阅读教材P107,观察图13-1-5,回答问题:
图13-1-5
问题1:图甲中电饭煲工作时把电能转化为　内能　,图乙中电风扇工作时把电能转化为　机械能　,图丙中台灯发光时把电能转化为　光能　。
问题2:电流做的功称为　电功　,电流做了多少功,就有多少　电能　转化为其他形式的能,电功用　W　表示,单位是　焦耳(J)　。
学点2　探究电功大小与哪些因素有关
阅读教材P108实验探究,回答以下问题:
按照图13-1-6所示的装置进行实验探究,回答下列问题:
图13-1-6
问题1:如图所示,让电流通过一个小电动机带动重物升高,当电压、电流相同,通电时间不同时,重物被提升的高度　不同　(选填“相同”或“不同”),通电时间越长,重物被提升的高度　越高　,说明电流做功和　通电时间　有关。
问题2:如图所示,当通电时间相同,电压、电流不同时,重物被提升的高度　不同　(选填“相同”或“不同”),　电压、电流　越大时,重物被提升的高度越高,说明电流做功和　电压、电流　有关。
问题3:该实验采用　控制变量　法进行探究,将电流做功多少转化为电动机提升重物的高度,这种方法称为　转化　法。
问题4:综上所述,电流所做的功跟　电压　、　电流　和　通电时间　成正比,电功等于它们的乘积,用公式表示为:　W=UIt　。
问题5:上式中,U的单位是　伏特(V)　,I的单位是　安培(A)　,t的单位是　秒(s)　,W的单位是　焦耳(J)　。即:1 J=　1 V·A·s　=1 N·m。
学点3　电能表
阅读教材P109~P110,小组交流、探讨,结合如图13-1-7所示图片,回答下列问题:
图13-1-7
问题1:电能表是测量用电器消耗了多少　电能　的仪表,电能表通常以　千瓦时(kW·h)　为单位,日常生活中习惯称之为　度　,它们之间的关系为:　1 kW·h=1度=3.6×106 J　。
问题2:如图13-1-8所示是某家庭电路的电能表月初和月末的示数,由图可知,月初电能表的示数是　478.2 kW·h　本月她家消耗的电能为　83　度,若电价为0.5元/(kW·h),则她家本月应交电费　41.5　元。
图13-1-8
阅读教材P111科学窗,观察图13-1-9,回答下列问题:
图13-1-9
问题3:该电能表应该在　220 V　的电路中使用;“10(40) A”表示　该表的基本电流是10 A,最大电流是40 A　;50 Hz表示　该电能表在50 Hz的交流电路中工作　;360 r/(kW·h)表示　用电器每消耗1 kW·h的电能,电能表上的转盘转过360转　。
问题4:[知识拓展]①根据电能表转盘转过的转数n计算消耗的电能,若电能表表盘标有N r/(kW·h),则转盘转过n转消耗的电能为　W= kW·h　;②根据消耗的电能W(单位为 kW·h),计算电能表转盘转过的转数　n=NW　。
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电功和电功率
章首语
本章教材是初中物理的重点和难点,具有综合性强,定量规律多、探究内容多等特点。本章讲述了两个重要的电学概念(电功和电功率),一个重要的电学定律(焦耳定律),这些知识是欧姆定律知识的深化和应用,不仅是进一步学习电学的基础,而且在生产和生活实际中也有广泛的应用。《物理课程标准》将科学内容分为三部分——物质、运动和相互作用、能量,本章内容就是从能量的角度让学生认识电功、电热等知识。能量是比功更为基础的概念,从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质。
本章教科书设置大量的科学探究活动,力争在探究过程中尽量涉及各个要素,使学生的科学探究能力得到较全面的发展。第一节电能和电功中探究电功大小与哪些因素有关;第三节电流的热效应中探究影响电流热效应的因素,在这些实验探究过程中,渗透控制变量法、转换法等科学研究方法;探究影响电流热效应的因素是一个完整的大探究,过程涉及问题与猜想、制订方案、收集证据、分析与论证等科学探究的要素。第二节电功率中测量小灯泡的电功率属于一个测量实验,从实验方案、实验操作与记录、分析与论证、评估与交流的过程中,培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识。通过这样的内容设置,强调在过程中培养学生的探究能力和科学素养,并渗透科学方法的学习。本章教材设置还贴近学生的生活,让学生从身边熟悉的生活现象中去探究并认识物理规律,同时还将学生认识的物理知识和科学研究方法与社会实践及其应用结合起来,让学生体会到物理在生产、生活中的实际应用,如电能表的读数及电费计算,常用家电的铭牌,利用和防止电流的热效应。第四节家庭电路和第五节安全用电科普行介绍家庭电路以及安全用电等与生活实际紧密相连的知识内容,提高将科学服务于人类的意识,增强热爱祖国,振兴中华的使命感与责任感。
学生已掌握基本电学概念,如电流、电压、电阻,了解简单电路连接,为理解电功和电功率奠定基础。熟悉力学中功的计算,对“功是能量转化的量度”有一定认识,有助于理解电功概念。电功和电功率与生活紧密相关,如家庭电费计算、电器功率标识等,能激发学生兴趣。
初中学生正从形象思维向抽象思维过渡,电功和电功率较为抽象,学生理解存在困难。例如电功中电能转化的过程,学生难以在脑海中构建直观图像。部分学生对电流、电压、电阻的微观本质理解不深,影响对电功和电功率微观机制的掌握。在运用欧姆定律解决复杂电路问题时存在困难,会干扰电功和电功率公式的运用。公式的复杂变形和概念的抽象性,容易使学生产生畏难情绪,降低学习兴趣。
1.结合实例,了解电功和电功率。知道用电器的额定功率和实际功率。
2.通过实验,了解焦耳定律,能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象。
3.了解家庭电路的组成,有安全用电和节约用电的意识。
【物理观念】
理解电能与电功概念,明确电功是电能转化的量度,掌握电功公式W=UIt,清晰各物理量含义与单位。比如能阐述电流通过灯泡时,电能如何转化为光能和热能,电功在此过程中的具体体现;建立电功率概念,知晓其是描述电流做功快慢的物理量,理解公式P=、P=UI,明白额定功率与实际功率的区别,能结合生活中用电器的铭牌说明额定电压、额定功率的意义以及实际功率与额定功率的关系。清楚电功、电功率与电流、电压、电阻的关系,能在不同电路(串联、并联)中分析这些物理量的变化规律。
【科学思维】
运用比值定义法理解电功率,类比力学中功率定义,深化对概念的理解,通过分析不同用电器在相同时间内做功多少,比较其功率大小,培养逻辑思维;能从电功公式推导得出电功率公式,依据欧姆定律推导P=I2R、P=,理解公式适用条件,在解决问题时准确选用公式,如在纯电阻电路中,灵活运用多种公式计算电功和电功率,针对实际电路问题,像家庭电路中多个用电器同时工作的情况,运用等效电路、整体与局部分析等方法,分析电功和电功率的分配与计算,提升问题解决能力。
【科学探究】
经历测量小灯泡电功率实验,学会设计实验方案,正确选择和使用电流表、电压表、滑动变阻器等器材,能根据实验目的连接电路,拟定实验步骤;在实验中,细致观察实验现象,如实记录实验数据,比如不同电压下小灯泡的亮度、电流和电压值,通过分析数据,归纳出电功率与电压、电流的关系,培养数据分析和归纳能力;对实验中出现的问题,如实验数据异常、仪器故障等,能进行合理质疑与分析,提出改进措施,重新设计实验验证猜想,培养科学探究和创新思维。
【科学态度与责任】
在学习和实验中,秉持严谨认真的科学态度,如实记录数据,不篡改、不伪造,尊重实验事实和科学规律;认识电功和电功率在生活、生产中的重要应用,如电力传输、电器使用等,合理利用和节约电能,理解节能意义,树立可持续发展意识,在日常生活中养成节约用电的习惯。
1.电能和电功这一节综合性强,并且与生活实际联系比较紧密,是对八年级所学功的知识的延续,而且也是后面继续学习电功率、焦耳定律等知识的基础,同时也为学生将学习更广义的功做好必要的准备,本章和本节都具有承前启后的重要作用。
2.电功率这节是本章的重点,本节课的教学可采用分组实验、直观视频、讲授和讨论等多种形式的教学方法来提高课堂效率,教学设计过程以教师为主导,以学生为主体的原则,让学生参与实验设计,边动手边思考,边讲边练及时巩固。
3.电流的热效应这节课的教学可采用探究教学法和谈话教学法相结合,能让学生顺利理解电流热效应和焦耳定律。
4.家庭电路和安全用电科普行,可以采用师生互动启发式教学方法,充分利用实例、图片,利用多媒体的直观动态教学手段,通过讨论、问答、练习等一系列的师生活动展开教学,同时引导学生采用讨论法、问答法、练习法、记忆法等学习方法,培养学生的动口、动手、动脑能力,发挥学生的主观能动性,激发学生的学习兴趣。
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