高中物理 2.6 焦耳定律-电路中的能量转化教案 教科版选修3-1.doc

焦耳定律　电路中的能量转化 ‎●课标要求 ‎1．知道焦耳定律．‎ ‎2．了解焦耳定律在生活和生产中的应用．‎ ‎●课标解读 ‎1．了解用电器的作用是把电能转化为其他形式的能．‎ ‎2．理解电功、电功率的概念、公式、物理意义．了解实际功率和额定功率．‎ ‎3．理解焦耳定律，会根据焦耳定律计算用电器产生的电热．了解电功和电热的关系．了解公式Q＝I2Rt(P＝I2R)、Q＝U2t/R(P＝U2/R)的适用条件．‎ ‎4．知道非纯电阻电路中电能与其他形式能的转化关系，电功大于电热．能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题．‎ ‎●教学地位 本节知识是本章的重点，也是难点，其中电路中的功率问题分析也是高考命题的热点．‎ ‎(教师用书独具)‎ ‎●新课导入建议 日常生活中，我们经常要用到各种家用电器，例如用电熨斗熨衣服、用电热器烧水、取暖、用电风扇乘凉等．那么电热器烧水时是电能转化为哪种形式的能？电风扇乘凉时又是电能转化为哪种形式的能？能量转化过程中又有什么规律呢？带着这些问题，进入今天的学习．‎ ‎●教学流程设计 课前预习安排：‎ 23‎ ‎1．看教材2.填写【课前自主导学】(同学之间可进行讨论)步骤1：导入新课，本节教学地位分析步骤2：老师提问，检查预习效果(可多提问几个学生)步骤3：师生互动完成“探究‎1”‎互动方式(除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路)‎  步骤7：师生互动完成“探究3”(方式同完成“探究1”相同)步骤6：师生互动完成“探究2”(方式同完成“探究1”相同)步骤5：让学生完成【迁移应用】检查完成情况并点评步骤4：教师通过例题讲解电功能和电热的区别  步骤8：完成“探究4”(重在讲解规律方法技巧)步骤9：指导学生完成【当堂双基达标】，验证学习情况步骤10：先由学生自己总结本节的主要知识，教师点评，安排学生课下完成【课后知能检测】‎ 课　标　解　读 重　点　难　点 23‎ ‎1.了解用电器的作用是把电能转化为其他形式的能．‎ ‎2.理解电功、电功率的概念、公式、物理意义．了解实际功率和额定功率．‎ ‎3.理解焦耳定律，会根据焦耳定律计算用电器产生的电热．了解电功和电热的关系．了解公式Q＝I2Rt(P＝I2R)、Q＝U2t/R(P＝U2/R)的适用条件．‎ ‎4.知道非纯电阻电路中电能与其他形式能的转化关系，电功大于电热．能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题.‎ ‎1.电功的计算．(重点) 2.电热的计算．(重点)‎ ‎3.电流做功表达式的推导．(重点)‎ ‎4.电流做功表达式的推导．(难点)‎ ‎5.纯电阻电路和非纯电阻电路在能量转化过程中的区别．(难点)‎ 23‎ 电功　电功率 ‎1.基本知识 ‎(1)电功 ‎①概念：电场力移动电荷所做的功．‎ ‎②公式：W＝qU＝UIt.‎ ‎③单位：焦耳，符号J.‎ ‎(2)电功率 ‎①物理意义：表示电流做功快慢的物理量．‎ ‎②定义：电流所做的功与做这些功所用时间的比值．‎ ‎③公式：P＝＝IU.‎ ‎④单位：瓦特，符号W.‎ ‎2．思考判断 ‎(1)功率是1千瓦的空调正常工作一小时所消耗的电功是1 J．(×)‎ ‎(2)电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程，电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能．(√)‎ ‎(3)用电器的电功率越大，电流做功越多．(×)‎ ‎3．探究交流 注意一下家里用电器的铭牌，如果电视机的铭牌上写着“100 W”，计算一下，电视机多长时间能用一度电？‎ ‎【提示】　根据电功与电功率的关系可以计算，电视机10个小时会用掉一度电.‎ 焦耳定律　热功率 ‎1.基本知识 ‎(1)焦耳定律 ‎①内容：电流通过电阻产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻值成正比，跟通电时间成正比．‎ ‎②公式：Q＝I2Rt.‎ ‎③单位：J.‎ ‎④应用：工业上的电烙铁电烤箱等；生活中的电暖气、电炉、电熨斗、电饭锅等．‎ ‎(2)热功率 ‎①概念：电阻通电所产生的热量与产生这些热量所用时间的比值．‎ 23‎ ‎②公式：P热＝＝I2R.‎ ‎2．思考判断 ‎(1)电流的热效应实质上是电能通过电流做功转化为内能．(√)‎ ‎(2)根据电功的公式和欧姆定律可以推导出电热的公式，因此电功和电热是完全相同的．(×)‎ ‎(3)在非纯电阻的电路中UI＜I2R.(×)‎ ‎3．探究交流 为什么说欧姆定律只适用于纯电阻电路？在非纯电阻电路中U、I、R三者之间又有怎样的关系呢？‎ ‎【提示】　这是因为在纯电阻电路中，通过电流做功电能被全部转化成了内能，即此时电功等于电热，也就是UIt＝I2R t，可见此时欧姆定律I＝成立；而在非纯电阻电路中电功大于电热，即UIt＞I2Rt，所以此时U、I、R三者之间的关系为U＞IR(I＜).‎ 电路中的能量转化 ‎1.基本知识 ‎(1)内电路中的能量转化 ‎①电源：通过各种作用，将其他形式的能转化为电能，转化功率P＝IE.‎ ‎②内阻：通过电流做功将一部分电能转化为内阻的内能，即P内＝I2r.‎ ‎(2)外电路上的能量转化：通过电流做功将电源输出的电能转化为其他形式的能，即P外＝UI.‎ ‎(3)两者之间的关系：由能量守恒定律可知P＝P内＋P外，即EI＝I2r＋UI，进一步化简可得E＝U＋Ir，可见闭合电路欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体表现．‎ ‎2．思考判断 ‎(1)电动机是非纯电阻用电器，所以在任何情况下，都不能将电能全部转化为内能．(×)‎ ‎(2)在使用电源时，绝对不可以让电源短路，以免造成电源的损坏，甚至引起火灾．(√)‎ ‎3．探究交流 同学们想一下，以下几个组合在纯电阻电路和非纯电阻电路中分别表示什么意义？‎ ‎(1)qU　(2)UIt　(3)I2Rt　(4)t ‎【提示】　在纯电阻电路中以上几个公式既可以求电功，也可以求电热，即此时W＝Q＝qU＝UIt＝I2Rt＝t.而在非纯电阻电路中求电功只能用(1)(2)，求电热只能用(3)，t既不能求电功也不能求电热.‎ 23‎ 电功和电热的区别 ‎【问题导思】　‎ ‎1．电动机和电炉分别接入电路中，都能用欧姆定律计算电流吗？‎ ‎2．电冰箱工作时，电能全部转化为内能吗？‎ ‎3．电功和电热在什么情况下是相等的？‎ ‎1．两种电路的比较 两种电路 比较内容 纯电阻电路 非纯电阻电路 元件特点 电路中只有电阻元件，只能把电能转化为内能 除电阻外还包括能把电能转化为其他形式能的用电器 欧姆定律 服从欧姆定律I＝ 不服从欧姆定律：U>IR或I< 能量转化 电流做功电能全部转化为电热 电流做功电能除转化为内能外还要转化为其他形式的能 元件举例 电阻、电炉丝、白炽灯等 电动机、电解槽等 ‎2.电功与电热 W＝UItQ＝I2Rt 公式关系―→UIt＝I2Rt或UI＝I2R　U＝IR 扩展关系―→UIt＝I2Rt＝·t或UI＝I2R＝ W＝UItQ＝I2Rt其他形式的能 公式关系―→UIt>I2Rt　U>IR或UI>I2R ‎　‎ 不管是纯电阻电路还是非纯电阻电路，计算电功时都用W＝UIt，功率都用P＝UI，热量都用Q＝I2Rt，热功率都用P＝I2R，若用变形式时，就要考虑是否是纯电阻电路．‎ ‎　如图2－6－1所示，为电动机提升重物的装置，电动机线圈电阻为r 23‎ ‎＝1 Ω，电动机的输入电压为U＝5 V，电路中的电流为I＝‎1 A，物体A重20 N，不计摩擦力，求：‎ 图2－6－1‎ ‎(1)电动机线圈电阻上消耗的热功率是多少？‎ ‎(2)电动机输入功率和输出功率各是多少？‎ ‎(3)10 s内，可以把重物A匀速提升多高？‎ ‎(4)这台电动机的机械效率是多少？‎ ‎【导析】　电流经过电动机，一部分电能转化为内能，Q＝I2Rt；一部分电能转化为机械能，E机＝mgh.‎ ‎【解析】　(1)根据焦耳定律，热功率为：‎ PQ＝I2r＝12×1 W＝1 W.‎ ‎(2)输入功率等于输入电流与电动机两端电压的乘积 P入＝IU＝1×5 W＝5 W 输出功率等于输入功率减去发热消耗的功率 P出＝P入－PQ＝5 W－1 W＝4 W.‎ ‎(3)电动机输出的功率用来提升重物转化为机械功率，在10 s内P出t＝mgh，解得 h＝P出t/mg＝ m＝‎2 m.‎ ‎(4)机械效率η＝P出/P入＝80%.‎ ‎【答案】　(1)1 W　(2)5 W　4 W　(3)‎2 m　(4)80%‎ 电动机电路的分析与计算 并不是所有含有电动机的电路都是非纯电阻电路，要注意区分电动机正常工作和被卡住两种情况．‎ ‎1．当电动机正常工作时，要注意分清电功和电热的关系，电动机消耗的电能也就是电流做的功W＝UIt，电动机产生的内能必须用Q＝I2Rt 23‎ 来求，另外，还要注意能量守恒定律的应用即W＝Q＋E(E为其他形式的能)或P入＝P机＋P热，其中，P入＝UI，P热＝I2R，P机为机械功率．‎ ‎2．当电动机被卡住时，电动机消耗的电能全部转化为电动机产生的内能，W＝Q，即UIt＝I2Rt.‎ ‎1．电动玩具汽车的直流电动机电阻一定，当加上0.3 V电压时，通过的电流为‎0.3 A，此时电动机没有转动．当加上3 V电压时，电流为‎1 A，这时候电动机正常工作，求电动机正常工作时，产生的机械功率和发热功率．‎ ‎【解析】　当加上0.3 V电压时电动机不转动，它消耗的电能全部用来发热，此时的电动机可以看做纯电阻，可以用欧姆定律计算它的电阻R＝U1/I1＝0.3/0.3 Ω＝1 Ω 当加上3 V电压时，电流为‎1 A，显然不符合欧姆定律，消耗的电能一部分发热，一部分转化为机械能，此时电路为非纯电阻电路．‎ 消耗的电功率为：P＝IU＝3 W 发热功率P热＝I2R＝1 W 根据能量关系，产生的机械功率为：P机＝P－P热＝2 W.‎ ‎【答案】　2 W　1 W 串、并联电路中电功率的分析与计算 ‎【问题导思】　‎ ‎1．串联电路中阻值越大的电阻消耗的功率越大吗？并联电路中阻值越小的电阻消耗的功率越小吗？‎ ‎2．“220 V　40 W”与“220 V　60 W”的两盏灯接在电压为220 V的电路中，如何连接才能使两盏灯都正常发光？电路中消耗的总功率与两盏灯各自消耗的功率有什么关系呢？‎ ‎1．串联电路 功率关系 ‎2．并联电路 功率关系 ‎3．结论 无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各电阻消耗的功率之和．‎ 23‎ ‎1．求解串、并联电路中的功率分配问题，比例法求解会使问题简化，但一定要确定是正比还是反比关系．‎ ‎2．当分析用电器的功率问题时，一定要注意用电器的安全，即不要超过用电器的额定电压、额定电流．‎ ‎　给定两只标有“110 V　40 W”的灯泡L1和标有“110 V　100 W”的灯泡L2及一只最大阻值为500 Ω的滑动变阻器R，将它们接在220 V的电路中，在如图所示的几种接法中，最合理的是(　　)‎ ‎　A　　　　　　　　　　　　B ‎　C　　　　　　　　　　　　D ‎【解析】　L1(110 V　40 W)和L2(110 V　100 W)的额定电压相同，由P＝可知R1>R2，由串、并联电路电流、电压特点可知A、D中L1、L2一定不会同时正常发光，虽然B、C能使L1、L2同时正常发光，但B中P总＝2(P1＋P2)，C中P总＝2P2，故C正确．‎ ‎【答案】　C 最合理的电灯电路的分析判断方法 最合理的电灯电路就是能使灯泡正常发光且电路消耗功率最小，解答此类问题的思路分两步：‎ ‎1．先分清哪个电路的灯泡能够正常发光，可以从电流、电压、电功率中任选一个量达到其额定值，其他两个也达到额定值的方面分析．‎ 23‎ ‎2．确定了正常发光后，再比较哪一个电路的实际功率小，可以用定量计算的方法比较哪个电路的总电流小，也可以用定性分析的方法．‎ ‎2．如图2－6－2所示电路中，R1、R2都是“4 W、100 Ω”的电阻，R3是“1 W、100 Ω”的电阻，则A、B间允许消耗的最大功率是(　　)‎ 图2－6－2‎ A．1.5 W　　　　　　　　　B．9 W C．8 W D. W ‎【解析】　由P＝得：U1＝U2＝＝20 V U3＝＝10 V，故AB间所加电压最大值为U3＝10 V，P3＝1 W，P′2＝P′3＝＝0.25 W P总＝P3＋P′1＋P′2＝1.5 W，A正确．‎ ‎【答案】　A 闭合电路中的功率和效率 ‎【问题导思】　‎ ‎1．外电路的电阻越大，电源的输出功率越大吗？‎ ‎2．电源的输出功率越大，电源的效率越高吗？‎ ‎3．外电路的电阻越大，电源的总功率越大吗？‎ ‎1．各部分功率关系分析 由EIt＝I2Rt＋I2rt知 EI＝I2R＋I2r ‎2．输出功率随外电阻R的变化规律 23‎ ‎(1)电源的输出功率：P出＝UI＝＝(外电路为纯电阻电路)‎ 图2－6－3‎ ‎(2)P输出－R图像：以纵轴表示输出功率，以横轴表示外电阻，建立坐标系，则P出随外电阻R变化的图像如图2－6－3所示．‎ ‎(3)几个结论 ‎①当R＝r时，电源的输出功率最大Pm＝.‎ ‎②当Rr时，随R的增大输出功率越来越小．‎ ‎④当P输出U并，B灯被烧毁，对于C电路，B灯与变阻器并联电阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光．对于D电路，若变阻器的有效电阻等于A、B的并联电阻，则UA＝UB＝110 V，两灯可以正常发光．‎ 比较C、D两个电路，由于C电路中变阻器功率为(IA－IB)×110 W，而D电路中变阻器功率为(IA＋IB)×110 W，所以C电路中消耗的电功率最小．‎ ‎【答案】　C ‎10.‎ 图2－6－13‎ 如图2－6－13所示，电阻R1＝20 Ω，电动机线圈的阻值R2＝10 Ω.当开关打开时，电流表的示数是I0＝‎0.5 A；当开关合上后，电动机转动起来，电路两端的电压不变，电流表的示数I和电路消耗的电功率P应是(　　)‎ A．I＝‎1.5 A B．I