高中物理1 电路中的能量转化教学设计

这是一份高中物理1 电路中的能量转化教学设计，共8页。教案主要包含了新课引入，新课教学等内容，欢迎下载使用。

〖教材分析〗
本节根据功能的关系，从电能的转化引入电功的概念，然后联系前面学习过的静电力做功的知识和电量的关系得到了电功的计算式子。着重从能量转化的角度理解电功和电热，区分纯电阻电流与非纯电阻电流。教科书没有通过实验归纳出焦耳定律，而是从能量守恒定律逻辑推理得出的。这里又一次应用了功能关系的思想。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：树立电能的观念，理解电能、电功率、热量、热功率的概念，理解纯电阻下的焦耳定律的物理意义，能进行相关分析与计算。
科学思维：运用能量转化和能量守恒定律推导电能、电功率、热量、热功率的表达式，理论联系实际，学习运用能量转化和能量守恒定律分析解决问题的方法。
科学探究：通过实例分析非纯电阻电能转化的关系，通过理论分析与论证的过程，使学生受到理性思维的训练。
科学态度与责任：通过公式的演绎推导，培养学生对科学研究的兴趣；进一步体会能量守恒定律的普遍性。
〖教学重点与难点〗
重点：区别并掌握电功和电热的计算。
难点：学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识，接受起来很困难。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
（播放动图展示500安培的电流一下子就把铁丝熔断）说明产生了大量的热。这章我们要研究的是电路中的能量是怎样转化的?用能量守恒定律推导出的闭合电路的规律是怎样的?
自然界存在哪些能源?（动图展示石油开采）能源的利用与可持续发展有着怎样的关系?我们的能源主要还是煤炭和石油。
人类的活动离不开能量。大量的事例说明，自发的能量转移或转化过程具有方向性。在能源的利用过程中，能量虽然是守恒的，但是可利用的品质降低了。为了人类的可持续发展，需要我们节约能源和保护环境。首先学习的电路中的能量转化。
一、新课引入
（图片展示）现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、电视、电热水壶、电动汽车等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗?
二、新课教学
（一）电功和电功率
（动图展示电热炉、电动机、蓄电池充电时）
初中我们就知道，电热炉通电时，电能转化为内能;电动机通电时，电能转化为机械能;蓄电池充电时，电能转化为化学能。
思考：功是能量转化的量度，电能转化为其它能量，是什么在做功呢？
电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的。
1.电流做功的实质是又是什么呢？
我们通过水流做功来类比。（动图播放水库发电机）
水坝发电机发出电来，是水流对发电机做功，实质上就是水在重力作用下，从高处流向低处。水的势能减少，水轮机机械能增加。然后机械能再转化为电能。也就是说水流做功其实是重力在做功。
既然如此电流做功其实就是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。自由电荷在静电力的作用下从电势高向电势低的定向移动，结果电荷的电势能减少，其他形式的能增加。也就是说
电流做功其实是静电力在做功。
2.电功
电流（静电力）所做的功称为电功。如图表示一段电路，电荷从左向右定向移动，它们经过这段电路所用的时间记为t。
根据已学的知识，静电力所做的功W=qU；
而q是这段时间内通过这段电路任一截面的电荷总量可以用q=It表示。
联立就得
W=UIt
这就是电功的表达式。即，电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压U、电流中的电流I、通电时间t三者的乘积。
注意：它适用于一切电路。
单位：焦耳，简称焦，符号是J。它还有一个常用的单位千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h。它们的转化关系是1kW·h = 1000W×3600s=3.6×106 J。
测量方法是：电能表。
3.电功率
和其他力一样，电流做功也有快慢之分，称为电功率。
它的大小等于电流在一段电路中所做的功与通电时间之比用P表示，
由，
把W=UIt，代入得到电功率的表达式
P=UI
这个公式表示，电流在一段电路中做功的功率P等于这段电路两端的电压U 与电流I的乘积。同样它是适用于一切电路。
在公式中其中，电流、电压和时间的单位分别是安培（A）、伏特（V）和秒（s），电功和电功率的单位分别是焦耳（J）和瓦特（W）。常用单位还有千瓦（kW）。转换关系是1kW＝103W。
课堂练习
例1∶一根电阻丝在t时间内通过2C的电量时，消耗电能是8J。则该电阻丝在t时间内电流所做的功W和该电阻丝两端所加电压U分别为（ ）
A.W=8J B.W=16J C.U=4V D.U=8V
解题提示：电流所做的功等于消耗的电能，即W=8J，根据W=qU，代入数据得U=4V。答案选AC。
（二）焦耳定律
初中我们就学过，能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转化问题。
思考：电流做功，究竟电能会转化为哪种形式的能量？
电流做功，究竞电能会转化为哪种形式的能量，要看电路中具有哪种类型的用电器。
比如炉通电时，电能转化为内能;电动机通电时，电能转化为机械能;蓄电池充电时，电能转化为化学能。
但是这个除了内能以为还有没有其他的能量呢？
电炉发光了还有光能；电动机也会发热所以也会有内能，电池也是会有内能。当电流只通过纯电阻电路时，电流做功就会全部把电能转化为热能，有时候也是可以近似看做纯电阻电路的。我们把
导体通电时产生热量的现象，称为电流的热效应。
1.总热量
例如电流通过电热水器中的电热元件做功时，电能全部转化为导体的内能。电流在这段电路中做的功那等于这段电路产生的热量Q，即
Q=W
根据刚才所学的，电流做的功：W=UIt
由欧姆定律U= IR，联立三个式子可以得到热量Q的表达式
Q= I2Rt
这就是著名的焦耳定律。即
电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。
2.热电功率
除了总电热，我们还关心产生热量的快慢程度。也就是单位时间内的发热量，它叫做热功率。由功率的定义式，由于在纯电阻电路中电流所做的功等于发热量W=Q，根据焦耳定律把Q= I2Rt代入，即
P热=I2R
同样它也是仅适用于产生电热的电路。
P=UI（一切电流做功的功率），总功率
对比
P热=I2R（专指电流发热的功率），热功率
在推导P=UI的过程中，没有对电路的性质作任何限制，其中的电功率P是指电流做功的功率，即为总功率。在推导P热=I2R的过程中，我们用到了W=Q这个条件，它要求电流做的功"全部变成热"，其中的电功率P，是指专指电流发热的功率，称为热功率。电流做功可以转化为多种形式，所以说电流做功包含着热功。
如果电路中有电动机或者正在充电的电池，那么电能除了转化为内能之外，还转化为机械能和化学能。现在我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化。
（三）电路中的能量转化
思考与讨论
如图，当电动机接上电源后，会带动风扇转动，这里涉及哪些功率?功率间的关系又如何?
1.能量转化与守恒
电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，电动机也会发热，所以还有一部分转化为内能。除了内能以为还有其他的，如电动机的转子与轴承均有摩擦，另外还有空气阻力，但不多。这些都是我们不想要的，统称为损失的能量。即
电能W →机械能+内能Q（损失的能量）
那它的功率又是怎么变化的呢？
2.功率的变化
设电动机消耗的功率为P电，电动机对外做功，输出的功率为P机，另外，电动机工作时自身也有能量损失，对应的功率为P损，它们之间满足
P电=P机+P损
设电动机两端的电压为U，通过电动机线圈的电流为I，可知P电=UI。电动机刚停止工作时，我们发现外壳是热的，说明工作时有电能转化为内能。设电动机线圈的电阻为R，可知P热=I2R
只考虑线圈发热产生的能量损失，则有P热=P损。
所以式子
P电=P机+P热
同样，对于正在充电的电池，电能除了转化为化学能之外，还有一部分转化为内能。
小结
①电阻电路：电能全部转化为内能，有P电=P热，即UI=I2 R 。
②非纯电阻电路（以电动机为例）：电能转化为机械能和内能P电=P机+P热
课本例题
一个电动机，线圈电阻是0.4Ω，当它两端所加的电压为220V时，通过的电流是5A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少？
解题提示：电动机不是纯电阻，所以能量是由电能转化为机械能外还有会少量的内能产生遵从能量守恒定律。对应的三个不同的功率∶ 电动机消耗的电功率P电电动机发热的功率P热和对外做功转化为机械能的功率P机。三者之间也遵从能量守恒定律，即P电=P热+P机。
解 由焦耳定律可知，电动机发热的功率为
P热=I2R=52×0.4W=10W
电动机消耗的电功率为
P电=UI=220×5W=1100W
根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为
P机=P电-P热=1100W-10W=1090W
这台电动机发热的功率为 10W，对外做功的功率为1090W。
课堂练习
例2：电饭锅工作时有两种状态∶一种是锅内的水烧干以前的加热状态，另一种是水烧干以后的保温状态。图是电饭锅的电路图R1是电阻，R2是加热用的电阻丝。
（1）自动开关S接通和断开时，电饭锅分别处于哪种状态?说明理由。
（2）要使电饭锅在保温状态下的功率是加热状态的一率，R1：R2，应该是多少?
解题提示：（1）S接通时，R1被短路，电路中的电阻小，电流大，由电功率公式，电阻丝R2的功率大，电饭锅处于加热状态。S断开时，电流电阻变大，R2上的电压减小，电功率变小，电饭锅处于保温状态。
（2）电饭锅加热时，R2的功率，保温时，R2的功率，根据题意，解得R1：:R2=（-1）：1
例3:个定值电阻连成如图所示的电路。 RA、Rc的规格为"10V 4W”，RB、RD的规格为"10V 2W”。请按消耗功率大小的顺序排列这四个定值电阻，并说明理由。
解题提示：电阻
D串联，根据P=I2R，所以PAC并联，根据，所以PB又因为IA>IC，根据P=I2R，所以PA>PC；
所以PD>PA>PC>PC
〖板书设计〗
12.1电路中的能量转化
1.电功：W=UIt（适用于一切电路）
2.电功率：描述做功的快慢P=UI
3.焦耳定律：总热量Q=I2 R t（适用于产生电热的电路）
4.热功率：P热=I2 R （仅适用产生电热的电路）
5.电路中的能量转化：P电=P机+P热
〖教学反思〗
学生容易混淆电功和热功，两者的公式由共同之处也有不同之处，简单的说就是电功包含着热功。从能量的角度来看那就是电能转化为热能和其他。
纯电阻电路和非纯电阻电路的转变，比如电动机正常转动时是非纯电阻电路，电能转化为机械能和热，当电动机卡住不转的时候那就是纯电阻电路，电能完全转化为电热。