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电功和电功率
第二节　电功率
方式一　【实验导入】
演示实验:在电能表后分别接不同的灯泡,一只灯泡上标有“220 V　15 W”,另一只灯泡上标有“220 V　100 W”,接通电源,发现“220 V　100 W”的灯泡较亮,该灯泡工作时电能表的转盘转动得快,而“220 V　15 W”的灯泡比较暗,电能表的转盘转动得慢。
问题:同是灯泡,为什么有的消耗电能快,有的消耗电能慢呢 为了描述用电器消耗电能时的这种差别,我们引入一个新的物理量——电功率。引入新课。
方式二　【活动导入】
师:我们在学过电能表后,同学们一定观察了自己家的电能表,下面我们把观察的结果和大家交流一下!
师生交流得出结论:电能表有时候转得快,有时候转得就比较慢。一般是晚上转得快一些,白天转得较慢。
师:电能表为什么有时转得快,有时转得慢呢 我们今天就来研究与它有关的一个概念——电功率。引入新课。
方式三　【复习导入】
师:前面我们学习功率,说的是物体做功时有快有慢,功率就是用来表示物体做功快慢的物理量。同样,电流在做功时也会有快有慢,为了表示电流做功的快慢,我们用什么物理量来表示呢 引入新课。
1.关于公式P=UI的推导与应用
因在纯电阻电路中,电功的计算公式为W=UIt=I2Rt=t,所以由P=可得:P=UI=I2R=。由推导公式可知:在串联电路中,用电器的电阻越大其实际功率越大;在并联电路中,用电器的电阻越小其实际功率越大。
2.讲解“千瓦时”的来历及其与焦耳的换算
(1)“千瓦时”的来历:千瓦时(度)是电能的单位。由W=Pt可看出,1千瓦时表示:功率为1 kW的用电器使用1 h所消耗的电能。
(2)推导“1 kW·h=3.6×106 J”:因为1 kW·h表示功率是1 kW的用电器工作1 h消耗的电能,而1 kW的用电器工作1 h消耗的电能W=Pt=1000 W×3600 s=3.6×106 J,故1 kW·h=3.6×106 J。
提醒:千瓦(kW)和千瓦时(kW·h)是两个不同物理量的单位,不能混淆!
3.从用电器的铭牌上我们可以获得的信息
通过用电器的铭牌,我们至少可以获得以下四条信息:额定电压U额、额定功率P额、额定电流I额(利用公式I额=求得)、用电器(纯电阻)自身的电阻R利用公式R=求得。例如:一个灯泡的铭牌为“220 V　100 W”,则我们便可以得知该灯泡的额定电压为220 V,额定功率为100 W,额定电流为I额==≈0.45 A,电阻RL===484 Ω。
4.实验设计:探究电功率跟电流、电压的关系
提出问题:用什么方法能探究电功率跟电流、电压的关系呢
思路分析:灯泡的亮度是由其电功率决定的,所以可以通过观察灯泡的亮度来比较灯泡的电功率大小,再采用“控制变量法”进行探究,即保持电流(或电压)相等,改变灯泡的电压(或电流),比较灯泡的亮度,从而对电功率跟电流、电压的关系进行探究。
实验设计:
实验一 探究电功率跟电压的关系
设计、进 行实验 　将两只不同的小灯泡串联在电路中,闭合开关,比较两灯泡的发光情况,并用电压表分别测量两只灯泡两端的电压,并将实验结果记录在下面的表格中: 灯泡发光情况电压L1较亮较大L2较暗较小
实验现象及 分析论证 　两灯泡串联,则通过两只灯泡的电流是相同的,灯泡L2两端的电压较高,L2的亮度也较亮,说明L2的电功率较大。
实验结论 通过用电器的电流相同时,加在用电器两端的电压越高,其电功率越大。
实验二 探究电功率跟电流的关系
设计、进 行实验 　将两只不同的小灯泡并联在电路中,闭合开关,比较两灯泡的发光情况,并用电流表分别测量通过两只灯泡的电流,并将实验结果记录在下面的表格中: 灯泡发光情况电流L1较亮较大L2较暗较小
实验现象及 分析论证 　两灯泡并联,则两只灯泡两端的电压是相同的,通过灯泡L1的电流较大,L1的亮度也较亮,说明L1的电功率较大。
实验结论 　用电器两端的电压相同时,通过用电器的电流越大,其电功率越大。
进一步实验可得:电功率等于电压与电流的乘积,即P=UI。
[中考解读] 电功率是本章的重点知识,有关电功率的概念及意义,以及利用公式进行有关电功率的计算,都是中考中的常见考点,多以选择题、填空题和计算题的形式出现。
[考点对接] 1.电功率的概念及意义
例1　(济南中考)商场中,卖微波炉的售货员和顾客发生了争执。售货员说:微波炉很省电,用一次花不了多少电费;顾客说:我觉得微波炉很费电,我家的微波炉一开就“烧保险”。从物理学的角度看,售货员所说的“省电”和顾客所说的“费电”分别指的是微波炉在使用时 (　　)
A.消耗较少的电能,消耗较多的电能
B.电功率较小,电功率较大
C.电功率较小,消耗较多的电能
D.消耗较少的电能,电功率较大
[答案] D
[解析] 售货员认为微波炉很省电,是说微波炉的电功率大,但加热食物用时很短,消耗的电能并不多,所以“微波炉很省电,用一次花不了多少电费”,即售货员是从消耗较少的电能角度说的;顾客是从电功率角度考虑的,因为微波炉属于大功率用电器,工作时电路中电流很大,会烧断保险丝,相同时间内消耗的电能多,所以认为很“费电”,故选D。
例2　(吉林长春中考)1 kW·h的电能可供下列用电器正常工作时间最长的是 (　　)
A.节能灯 B.电饭煲
C.电视机 D.电烤箱
[答案] A
[解析] 由W=Pt可知,节能灯的功率最小,工作时间最长,故选A。
[考点对接] 2.电功率的计算
例3　(徐州中考)如图13-2-1所示电路,电源电压不变,灯泡L标有“6 V　3 W“字样,R1、R2为定值电阻。当开关S闭合,S1和S2断开时,灯泡L正常发光,L和R1的电功率之比为3∶1;当开关都闭合时,R1和R2的电功率之比为4∶1。求:
(1)灯泡L正常发光时的电阻。
(2)开关都闭合时R2的电功率。
图13-2-1
[答案] (1)12 Ω　(2)4 W
[解析] (1)由P=及灯泡L的规格可得,灯泡正常发光时的电阻为
RL===12 Ω。
(2)当开关S闭合,S1和S2断开时,灯泡L和R1串联,
根据串联电路电流相等及P=UI知,UL∶U1=PL∶P1=3∶1,此时灯泡正常发光,则UL=6 V,可得电阻R1两端的电压U1=2 V,则电源电压:U=UL+U1=6 V+2 V=8 V,
根据P=UI=I2R知,L与R1的电阻之比RL∶R1=P2∶P1=3∶1,则R1=RL=×12 Ω=4 Ω,
当开关都闭合时,L被短路,R1和R2并联,
根据P=可知,电功率之比等于电阻倒数的比,即R1∶R2=P1∶P2=4∶1,电阻之比为1∶4,则R2=4R1=4×4 Ω=16 Ω,
则R2的功率:P2===4 W。
[考点对接] 3.测小灯泡的电功率
例4　(宿迁中考)在“测量小灯泡额定功率”的实验中,小灯泡额定电压为2.5 V,电源电压为4.5 V,滑动变阻器标有“20 Ω　1 A”字样。
图13-2-2
(1)如图13-2-2甲所示是连接的电路,其中有一根导线连接错误,请在错误的导线上打“×”,用笔画线代替导线将电路连接正确。
(2)连接电路时,开关应　　　　　　,试触时发现,电压表无示数,电流表有示数,小灯泡发光,则电压表发生了　　　　　　故障。
(3)纠正错误后继续进行实验,移动滑动变阻器滑片,电压表示数为2.5 V时,电流表示数如图乙所示,示数为　　　　　　A,小灯泡额定功率为　　　　　　W。
(4)利用原有电路,将小灯泡替换为定值电阻(阻值分别为5 Ω、10 Ω、15 Ω、20 Ω、25 Ω)探究电流和电阻关系,为了能完成实验,控制电压表示数可能是　　　　　　。
A.1.7 V 　　　　B.2.2 V 　　　　C.2.7 V
[答案] (1)如图所示
(2)断开　断路　(3)0.24　0.6　(4)C
[解析] (2)为了保护电路,连接电路时,开关应断开;试触时发现,电流表有示数,小灯泡发光,说明电路是通路,电压表无示数,则电压表发生了断路故障。
(3)由图可知电流表选用的是小量程,分度值为0.02 A,示数为0.24 A,此时小灯泡正常发光,则
小灯泡额定功率为P=UI=2.5 V×0.24 A=0.6 W。
(4)利用原有电路将小灯泡替换为定值电阻,当换为阻值为25 Ω定值电阻,且滑动变阻器接入电路的电阻最大时,电压表示数为控制的最小电压,根据串联分压原理可知,==,控制的最小电压:UV=U=×4.5 V=2.5 V,故选C。
LED灯、节能灯与白炽灯的比较
1.灯具使用效率对比
光源 光效/(Lm·W-1) 电源效率 光照效率 灯具效率 寿命/h
LED灯 80 95% 85% 90% 50000
节能灯 80 65% 60% 60% 5000
白炽灯 20 — 60% 60% 1500
　　2.节能比较
LED灯 白炽灯 节能灯
实际用电 实际用电 耗能比 实际用电 耗能比
3 W×8×365=8.76度 40 W×8×365=116.8度 13.33 5 W×8×365=14.6度 1.67
5 W×8×365=14.6度 60 W×8×365=175.2度 12 12 W×8×365=35度 2.40
7 W×8×365=20.4度 100 W×8×365=292度 14.31 24 W×8×365=70度 3.43
　　3.优势对比
(1)LED灯光线健康,光线中不含紫外线和红外线,无辐射,普通节能灯和白炽灯泡光线中含有紫外线和红外线。
(2)LED灯绿色环保,不含汞和铅等有害元素,有利于回收和利用,而且不会产生电磁干扰,而普通灯管中含有汞和铅等有害元素,节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰。
(3)LED灯保护视力,直流驱动,无频闪,普通节能灯都是交流驱动,必然产生频闪,白炽灯泡灯频繁启动或关闭时,灯丝就会发黑,且很快会坏掉。
(4)LED灯固态封装,属于冷光源类型,所以它很方便运输和安装,可以被装置在任何微型和封装的设备中,不怕振动,基本上不用考虑散热。
(5)LED灯光效率高,发热小,90%的电能可转化为可见光,普通白炽灯80%的电能转化为热能,仅有20%电能转化为可见光。
(6)LED灯安全系数高,所需电压、电流较小,发热较少,无安全隐患,可应用于矿场等危险场所。
——详见电子资源
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电功和电功率
第二节　电功率
教 材 解 读 　电功率既是电学知识的重要组成部分,又是联系能量转换与实际生活的纽带。它在知识体系起到承上启下的作用,《物理课程标准》的要求是“结合实例理解电功率,知道用电器的额定功率和实际功率”。经历测量小灯泡电功率的过程,对科学探究的要素有更全面的体验与理解,渗透类比与比较的研究方法。 　教科书首先通过实验在家庭电路中分别接入不同功率的用电器,观察电能表铝盘转动的快慢,通过类比功率的概念引入电功率的概念;其次通过展示用电器的铭牌,讨论各参数的物理意义,从而直接引出“额定电压”和“额定功率”的概念,通过例题计算知道“实际电压”与“实际功率”;最后通过类比和比较的研究方法,完成伏安法测小灯泡电功率的学生实验。 　本节内容较多,包括电功率的概念、公式。额定功率和实际功率的计算,并且都是重难点知识。电功率是一个抽象概念,学生难以理解,电功率的计算比较复杂,学生思路容易混乱,实际功率和额定功率这两个概念容易混淆。测小灯泡电功率是电功率教学中的一个重要实验,综合性强。
学 习 目 标 物理观念 　1.学生能形成清晰的电功率概念,知道电功率的物理意义、定义及单位。理解电功率与电压、电流的定量关系,并能进行简单的计算。 　2.能理解及区分用电器的额定功率和实际功率。 　3.知道伏安法测定小灯泡电功率的原理,知道如何测定小灯泡的额定功率与实际功率,能用其解释生活中常见的用电现象,如不同功率电器工作时的差异,构建能量转化与守恒观念,认识电能与其他形式能的转化过程中电功率的作用。
科学思维 　1.学会运用比值定义法定义电功率,通过分析、推理建立电功率的计算公式P=UI,能运用该公式进行简单的计算和逻辑推理,解决串并联电路中电功率的相关问题。 　2.能利用控制变量法研究影响电功率大小的因素,培养批判性思维,能对一些错误的用电观点进行辨析。
科学探究 　经历“测量小灯泡的电功率”的探究实验,明确实验目的,学会设计实验方案,正确选择和使用实验器材,如电压表、电流表、滑动变阻器等,能规范进行实验操作,收集实验数据,通过对数据的分析处理,得出电功率与电压、电流的关系,培养学生发现问题、提出问题、解决问题的能力和团队协作精神。
科学态度 与责任 　1.在学习和实验过程中,如实记录实验数据,尊重实验结果,培养严谨认真、实事求是的科学态度。 　2.通过观察用电器上的铭牌,体会物理与生产生活的密切联系,了解节约用电的意义,养成节约用电的好习惯,树立可持续发展的意识和社会责任感。
重 点 难 点 　重点:电功率的概念;电功率的计算公式;额定功率与实际功率;测量小灯泡的电功率实验。 　难点:对电功率概念的深入理解;公式的灵活应用;额定功率与实际功率的关系;实验数据的分析与误差处理。
教 学 设 计 　一、额定功率、额定电压的处理 　提出问题:一只40 W的灯泡,它的功率保持不变吗 　实验探究:将电池组、2.5 V小灯泡、变阻器与开关用导线串联起来,将电压表并联在小灯泡两端,改变小灯泡两端的电压,观察其亮度随电压如何改变。 　引导认识:(1)用电器的实际功率是可以改变的;(2)实际功率随电压的改变而改变。 　二、概念处理:理解“额定电压”“额定功率”及“正常工作”的含义。 　认识拓展:(1)实际功率有几个 额定功率有几个 (2)什么时候实际功率恰好等于额定功率 (3)灯的亮暗是由实际功率还是额定功率决定的 (4)仔细阅读用电器的铭牌或说明书,了解额定功率,明确实际电压高于或低于额定电压时的危害。 　三、测量小灯泡电阻与电功率实验的异同点 　1.相同点:a.实验器材相同;b.电路的连接方式相同;c.记录的数据相同(在实验过程中两实验都记录电压表和电流表的读数);d.使用滑动变阻器的目的相同(都是为了改变用电器两端的电压和通过它们的电流)。 　2.不同点:a.实验目的不同(测小灯泡的电阻是为了认识温度对电阻的影响;测电功率是为了认识额定功率和实际功率的关系);b.实验原理不同;c.对实验数据的处理方法不同。
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】 将15 W和100 W的灯泡分别接入电路中,让学生观察灯泡的亮度和电能表铝盘的转动快慢。 问题:你观察到什么现象 这些现象说明了什么 学生讨论思考 实验情境引入,让学生直观感受不同灯泡工作时消耗电能快慢不同
【新课教学】 探究点一:电功率 过渡:不同灯泡接入电路中,电能表的铝盘转动的快慢不同,说明不同用电器消耗电能的快慢不同,即就是电流通过不同用电器做功的快慢不同。根据机械功率的定义引出电功率。 电功率的定义、公式和单位 ①定义:电流做的功与完成这些功所用时间的比叫做电功率,符号是P。 ②公式:P===UI。 ③意义:表示电流做功的快慢。 ④单位: 国际单位:瓦特,简称瓦,用W表示。 常用单位:千瓦,用 kW表示。1 kW=1000 W。 例题:小兰家的电视机正常工作时电功率为200 W,若平均每天看电视2 h,则小兰家每月为看电视一项应付多少电费 如果每月看电视消耗的电能用来点亮一盏40 W的白炽灯,可以让白炽灯正常工作多少小时 已知白炽灯正常工作时的电压为220 V,那么该灯正常工作时的电流为多大 (已知小兰家所在地电费为0.5元/kW·h,每月按30天计。) 类比机械功率,得出电功率的定义 学生尝试书写计算过程,交流改正 比值定义法学生已经很熟悉,所以类比机械功率,让学生尝试定义电功率,实现知识迁移。 训练解题细节规范性。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
老师在学生思考的基础上进行讲解。 探究点二:额定功率和实际功率 (1)额定电压、额定功率 型　号:××××容　量:30 L额定电压:220 V~额定频率:50 Hz额定功率:1600 W
让学生观察家用电器的铭牌参数,想一想这些参数的数据、符号代表什么。 教师在学生回答的基础上介绍额定电压和额定功率的准确含义。 额定电压:用电器正常工作时的电压。 额定功率:用电器在额定电压下的功率,即正常工作时的功率。 学生阅读课本,了解常见用电器的额定功率。 (2)实际功率 学生观察,思考每个参数的含义 明确每个用电器都有额定功率。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
展示两个白炽灯,提问白炽灯上的标识“PZ220-40”“PZ220-100”是什么含义。“220 V　100 W”的白炽灯泡一定比“220 V　40 W”的白炽灯泡亮吗 视频演示:100 W和40 W灯泡谁更亮 在做演示前,先让学生猜测灯泡的亮度情况。因为大多数学生都想当然地认为额定功率大的灯泡始终比额定功率小的灯泡亮,而通过实验他们看到了矛盾,引起思维上的冲突,引入实际电压和实际功率。 实际功率:用电器实际工作时的功率(在实际电压下工作时的功率)。 探究点三:测量小灯泡的电功率 提出问题:用电器工作时的功率并不一定等于额定功率,那么如何测量一个用电器如小灯泡的电功率呢 测定小灯泡电功率的原理是什么 学生根据电功率的知识,并作答测定小灯泡功率的原理:P=UI,只要用电压表和电流表分别测出小灯泡两端的电压和通过小灯泡的电流,就可以利用公式计算出小灯泡的电功率了。 设计实验:请同学们根据实验原理,确定需要测量的物理量,选择合适器材,小组讨论设计实验电路图,并思考以下问题:小灯泡上的参数对实验有什么帮助 实验时电流表、电压表的量程如何选择 实验时还需注意什么问题,如电压电压和滑动变阻器等。 在学生讨论的基础上得出实验电路图并进行实验。教师请学生讨论并设计实验记录表。 观察100 W和40 W灯泡在不同电路中的亮度,思考交流得出额定功率大的灯泡不一定亮 学生思考、讨论、交流,得出电功率的测量原理、确定测量方案 实验引发学生看到了矛盾,引起思维上的冲突,引入实际电压和实际功率。 电学实验学生已经很熟悉,让学生在讨论的基础上确定实验方案,选择器材,提升科学素养
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
低于额定电压额定电压高于额定电压电压U/V1.01.52.02.53.0电流I/A实际功率P/W
进行实验与收集证据 分析与结论 教师提问:通过实验数据,你能得出什么结论 学生1:小灯泡的功率不一定等于它的额定功率。 学生2:电压越大,小灯泡的功率越大,小灯泡越亮。 学生3:电压越大,小灯泡的功率越大,但功率与电压不成正比。 评估与交流 讨论问题:这个实验与我们之前做过的伏安法测电阻的实验,有什么相同点和不同点 用刚才测得的数据计算一下小灯泡的电阻,你发现了什么 为什么会出现这种现象 在测电功率时,可以把刚才测得的数据求平均值吗 学生阅读课中的“小资料” 让学生学会读取铭牌上的相关信息,了解不同电器的耗电情况,制订出相关的节电措施。 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
学点1　电功率
阅读教材P113,思考并完成下列问题:
问题1:将“220 V　25 W”和“220 V　100 W”的两个灯泡分别接在家庭电路中,观察到比较亮的是　“220 V　100 W”　的灯泡,若观察电能表铝盘转动的快慢,则连接　“220 V　100 W”　的灯泡时铝盘转动得快。在相同时间内,电能表铝盘转动圈数越多,说明用电器消耗的电能越　多　(选填“多”或“少”),做功越　快　(选填“快”或“慢”)。
问题2:由问题1我们可以概括出,在相同时间内,不同的用电器消耗的　电能　不同,也就是说电流在这段时间内　做功　不同,我们也可以说电流在这段时间内　做功快慢　不同,故为了比较电流做功的快慢,引入了　电功率　这个物理量。
问题3:在物理学中,把电流　做的功　与完成这些功　所用时间　的比叫作电功率。电功率表示电流做功的快慢,符号是P。用W表示　做功多少　,t表示　时间　,电功率的表达式为　P==UI　,即电功率大小等于用电器两端的　电压　和通过它的　电流　的乘积。
问题4:在利用电功率的公式进行计算的过程中,要做到单位的统一。电压的单位用　伏特(V)　,电流的单位用　安培(A)　,则电功率的单位为　瓦特(W)　。在国际单位制中,1 W=1　V·A　。常用的电功率单位还有　千瓦(kW)　。与瓦之间的换算关系是1 kW=　103　W。
问题5:在纯电阻电路中,电功率的推导公式为P= 　=　I2R　。
学点2　额定功率和实际功率
观察图13-2-3中常用电器的铭牌,交流讨论,回答下列问题:
电烤箱
型　　号:××××
容　　量:30 L
额定电压:220 V~
额定频率:50 Hz
额定功率:1600 W
　　
图13-2-3
问题1:电烤箱铭牌中标有的“220 V”表示该用电器　正常工作时的电压为220 V　,“1600 W”表示　电烤箱正常工作时的电功率为1600 W　。
问题2:在物理学中,用电器正常工作时的电压值和电流值,分别叫作　额定电压　和　额定电流　。在额定电压条件下用电器的电功率叫作　额定功率　。
问题3:在实际使用时,加在用电器上的电压,有时略高于或低于额定电压,用电器也能工作,这时的电压叫作　实际电压　,用电器在实际电压下工作时的功率叫作　实际功率　。
[知识拓展] 如图13-2-4所示,可以获取的信息是　灯泡的额定电压是220 V　、　额定功率是25 W　;从这一铭牌我们可以通过公式　I=　求出灯泡的额定电流,可以利用公式　R=　求出灯泡的电阻。
图13-2-4
学点3　实验探究:小灯泡的电功率
小组之间交流、讨论,如何正确测量出小灯泡的电功率,在讨论、交流的过程中,试着解决下面的问题。
问题1:要想正确测量出小灯泡的电功率,其理论依据是　P=UI　,所需要的测量工具是　电压表　、　电流表　,测量的物理量是　小灯泡两端的电压　、　通过灯泡的电流　。
问题2:由问题1的设计思路,选出合适的实验器材,画出测量小灯泡电功率的电路图。
[答案] 如图13-2-5所示
图13-2-5
问题3:在连接实物电路的过程中开关要　断开　,滑动变阻器滑片要移到　阻值最大处　,电压表与小灯泡　并　联,电流表与小灯泡　串　联。
问题4:电压表和电流表的量程应根据所测小灯泡上的　参数　进行适当的选择。
问题5:在实验探究的过程中,首先移动滑动变阻器的滑片,使小灯泡在　额定电压　下发光,并观察　电流表的示数　和　小灯泡的亮度　,计算出小灯泡的　额定功率　。然后再调节滑动变阻器,使小灯泡两端的电压略高出或低于其额定电压,记录对应的　电流值和电压值　,观察小灯泡的　亮暗　。
问题6:设计记录数据的表格
[答案] 如表所示
次数 电压/V 电流/A 实际功率/W 灯泡亮度
1
2
3
问题7:从实验数据和实验现象可以得出,小灯泡的　实际功率　越大,小灯泡越亮,实际功率　越小　,小灯泡越暗。由此可以得出小灯泡的亮暗与　实际功率　有关,与　额定功率　无关。
问题8:在数据的处理上,　不需要　(选填“需要”或“不需要”)求出实际功率平均值。因为　实际电压不同,灯泡的实际功率就不同,计算功率的平均值没有意义。　
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