高三物理教案：《焦耳定律》教學設計

　　一、教材分析

　　焦耳定律是重要的物理定律，它是能量守恒定律在電能和熱能轉換中的體現，本節在電學中是重要的概念之一。

　　二、教學目標

　　（一）知識與技能

　　1、理解電功的概念，知道電功是指電場力對自由電荷所做的功，理解電功的公式，能進行有關的計算。

　　2、理解電功率的概念和公式，能進行有關的計算。

　　3、知道電功率和熱功率的區別和聯系。

　　（二）過程與方法

　　通過推導電功的計算公式和焦耳定律，培養學生的分析、推理能力。

　　（三）情感、態度與價值觀

　　通過電能與其他形式能量的轉化和守恒，進一步滲透辯證唯物主義觀點的教育。

　　三、教學重點難點

　　【教學重點】電功、電功率的概念、公式；焦耳定律、電熱功率的概念、公式。

　　【教學難點】電功率和熱功率的區別和聯系。

　　四、學情分析

　　學生學好這節知識是非常必要的， A.重點：理解電功和電功率和焦耳定律。B.難點：幫助學生認識電流做功和電流通過導體產生熱量之間的區別和聯系是本節的教學難點，防止學生亂套用公式。C.關鍵：本節的教學關鍵是做好通電導體放出的熱量與哪些因素有關的實驗。在得出了焦耳定律以后介紹焦耳定律公式及其在生活、生產上的應用

　　五、教學方法

　　等效法、類比法、比較法、實驗法

　　六、課前準備

　　燈泡（36 V，18 W）、電壓表、電流表、電源、滑動變阻器、電鍵、導線若干、投影儀、投影片、玩具小電機

　　七、課時安排

　　八、教學過程

　　（一）預習檢查、總結疑惑

　　（二）情景引入、展示目標

　　教師：用電器通電后，可以將電能轉化成其他形式的能量，請同學們列舉生活中常用的用電器，并說明其能量的轉化情況。

　　學生：（1）電燈把電能轉化成內能和光能；

　　（2）電爐把電能轉化成內能；

　　（3）電動機把電能轉化成機械能；

　　（4）電解槽把電能轉化成化學能。

　　教師：用電器把電能轉化成其他形式能的過程，就是電流做功的過程。電流做功的多少及電流做功的快慢與哪些因素有關呢？本節課我們學習關于電功和電功率的知識。

　　（三）合作探究、精講點播

　　1、電功和電功率

　　教師：請同學們思考下列問題

　　（1）電場力的功的定義式是什么?

　　（2）電流的定義式是什么?

　　學生：（1）電場力的功的定義式W=qU

　　（2）電流的定義式I=

　　教師：投影教材圖2.5-1（如圖所示）

　　如圖所示，一段電路兩端的電壓為U，由于這段電路兩端有電勢差，電路中就有電場存在，電路中的自由電荷在電場力的作用下發生定向移動，形成電流I，在時間t內通過這段電路上任一橫截面的電荷量q是多少?

　　學生：在時間t內，通過這段電路上任一橫截面的電荷量q=It。

　　教師：這相當于在時間t內將這些電荷q由這段電路的一端移到另一端。在這個過程中，電場力做了多少功？

　　學生：在這一過程中，電場力做的功W=qU=IUt

　　教師：在這段電路中電場力所做的功，也就是通常所說的電流所做的功，簡稱電功。

　　電功：

　　（1）定義：在一段電路中電場力所做的功，就是電流所做的功，簡稱電功.

　　（2）定義式：W=UIT

　　教師：電功的定義式用語言如何表述？

　　學生：電流在一段電路上所做的功等于這段電路兩端的電壓U，電路中的電流I和通電時間t三者的乘積。

　　教師：請同學們說出電功的單位有哪些？

　　學生：（1）在國際單位制中，電功的單位是焦耳，簡稱焦，符號是J.

　　（2）電功的常用單位有：千瓦時，俗稱“度”，符號是kW·h.

　　教師：1 kW·h的物理意義是什么？1 kW·h等于多少焦？

　　學生：1 kW·h表示功率為1 kW的用電器正常工作1 h所消耗的電能。

　　1 kW·h=1000 W×3600 s=3.6×106 J

　　說明：使用電功的定義式計算時，要注意電壓U的單位用V，電流I的單位用A，通電時間t的單位用s，求出的電功W的單位就是J。

　　教師：在相同的時間里，電流通過不同用電器所做的功一般不同。例如，在相同時間里，

　　電流通過電力機車的電動機所做的功要顯著大于通過電風扇的電動機所做的功。電流做功不僅有多少，而且還有快慢，為了描述電流做功的快慢，引入電功率的概念。

　　（1）定義：單位時間內電流所做的功叫做電功率。用P表示電功率。

　　（2）定義式：P==IU

　　（3）單位：瓦（W）、千瓦（kW）

　　［說明］電流做功的“快慢”與電流做功的“多少”不同。電流做功快，但做功不一定多；電流做功慢，但做功不一定少。

　　教師：在力學中我們講功率時有平均功率和瞬時功率之分，電功率有無平均功率和瞬時功率之分呢？

　　學生分組討論。

　　師生共同總結：

　　（1）利用P=計算出的功率是時間t內的平均功率。

　　（2）利用P=IU計算時，若U是某一時刻的電壓，I是這一時刻的電流，則P=IU就是該時刻的瞬時功率。

　　教師：為什么課本沒提這一點呢？

　　學生討論，教師啟發、引導：

　　這一章我們研究的是恒定電流，用電器的構造一定，通過的電流為恒定電流，則用電器兩端的電壓必是定值，所以U和I的乘積P不隨時間變化，也就是說瞬時功率與平均功率總是相等的，故沒有必要分什么平均功率和瞬時功率了。

　　［說明］利用電功率的公式P=IU計算時，電壓U的單位用V，電流I的單位用A，電功率P的單位就是W。

　　2、焦耳定律

　　教師：電流做功，消耗的是電能。電能轉化為什么形式的能與電路中的電學元件有關。在純電阻元件中電能完全轉化成內能，于是導體發熱。

　　設在一段電路中只有純電阻元件，其電阻為R，通過的電流為I，試計算在時間t內電流通過此電阻產生的熱量Q。

　　學生：求解產生的熱量Q。

　　解：據歐姆定律加在電阻元件兩端的電壓U=IR

　　在時間t內電場力對電阻元件所做的功為W=IUt=I2Rt

　　由于電路中只有純電阻元件，故電流所做的功W等于電熱Q。

　　產生的熱量為

　　Q=I2Rt

　　教師指出：這個關系最初是物理學家焦耳用實驗得到的，叫焦耳定律，同學們在初中已經學過了。

　　學生活動：總結熱功率的定義、定義式及單位。

　　熱功率：

　　（1）定義：單位時間內發熱的功率叫做熱功率。

　　（2）定義式：P熱==I2R

　　（3）單位：瓦（W）

　　［演示實驗］研究電功率與熱功率的區別和聯系。

　　（投影）實驗電路圖和實驗內容：

　　取一個玩具小電機，其內阻R=1.0 Ω，把它接在如圖所示的電路中。

　　（1）先夾住電動機軸，閉合電鍵，電機不轉。調整滑動變阻器的阻值，使電壓表的示數為0.50 V，記下電流表的示數，算出小電機消耗的電功率和熱功率，并加以比較。

　　（2）再松開夾子，使小電機轉動，調整滑動變阻器的阻值，使電壓表的示數為2.0 V（此電壓為小電機的額定電壓），記下電流表的示數，算出小電機消耗的電功率和熱功率，并加以比較。

　　師生共同活動：總結：

　　（1）電功率與熱功率的區別

　　電功率是指輸入某段電路的全部功率或在這段電路上消耗的全部電功率，決定于這段電路兩端電壓U和通過的電流I的乘積。

　　熱功率是在某段電路上因發熱而消耗的功率，決定于通過這段電路的電流的平方I2和電阻R的乘積。

　　（2）電功率與熱功率的聯系

　　若在電路中只有電阻元件時，電功率與熱功率數值相等。即P熱=P電

　　教師指出：上述實驗中，電機不轉時，小電機就相當于純電阻。

　　若電路中有電動機或電解槽時，電路消耗的電功率絕大部分轉化為機械能或化學能，只有一少部分轉化為內能，這時電功率大于熱功率，即P電＞P熱。

　　教師指出：上述實驗中，電機轉動時，電機消耗的電功率，其中有一部分轉化為機械能，有一部分轉化為內能，故P電＞P熱。

　　教師活動：讓學生概括總結本節的內容。請一個同學到黑板上總結，其他同學在筆記本上總結，然后請同學評價黑板上的小結內容。

　　學生活動：認真總結概括本節內容，并把自己這節課的體會寫下來、比較黑板上的小結和自己的小結，看誰的更好，好在什么地方。

　　點評：總結課堂內容，培養學生概括總結能力。

　　（四）反思總結、當堂檢測

　　（五）發導學案、布置作業

　　課后作業：P57 問題與練習2、3、4、5

　　九、板書設計

　　1、電功和電功率

　　（1）定義：在一段電路中電場力所做的功，就是電流所做的功，簡稱電功.

　　（2）定義式：W=UIT

　　2、焦耳定律

　　（1）定義：單位時間內發熱的功率叫做熱功率。

　　（2）定義式：P熱==I2R

　　（3）單位：瓦（W）

　　十、教學反思

　　教師要放開，讓學生自己總結所學內容，允許內容的順序不同，從而構建他們自己的知識框架。

　　（四）實例探究

　　☆求兩點間的電勢差

　　【例1】不考慮溫度對電阻的影響，對一個“220V，40W”的燈泡，下列說法正確的是

　　A.接在110 V的電路上時的功率為20 W

　　B.接在110 V的電路上時的功率為10 W

　　C.接在440 V的電路上時的功率為160W

　　D.接在220 V的電路上時的功率為40 W

　　解析：正確選項為BD。

　　（法一）由得燈泡的電阻Ω＝1210Ω

　　∴電壓為110V時， W=10 W

　　電壓為440V時，超過燈炮的額定電壓一倍，故燈泡燒壞，P=0.

　　（法二）由。可知R一定時，P∝U2，

　　∴當U=110V=，P=P額/4=10 W

　　說明：燈泡是我們常用的用電器，解題時一般不考慮溫度對其電阻的影響。用電器的標稱值，指其額定值，即用電器在正常工作時的電壓、功率以及電流值，由P額=U額·I額可知，P、U、I有同時達到、同時超過、同時不滿足的特點。

　　【例2】一直流電動機線圈內阻一定，用手握住轉軸使其不能轉動，在線圈兩端加電壓為0.3V，電流為0.3A。松開轉軸，在線圈兩端加電壓為2 V時，電流為0.8 A，電動機正常工作。求該電動機正常工作時，輸入的電功率是多少?電動機的機械功率是多少?

　　解析：電動機不轉動時，其消耗的電功全部轉化為內能，故可視為純電阻電路，由歐姆定律得電動機線圈內阻：

　　電動機轉動時，消耗的電能轉化為內能和機械能，其輸入的電功率為

　　P入=I1U1＝0.8×2W＝1.6 W

　　電動機的機械功率

　　P機=P入-I12r=1.6-0.82×1 W=0.96W

　　說明：在非純電阻電路里，要注意區別電功和電熱，注意應用能量守恒定律。①電熱Q=I2Rt。②電動機消耗的電能也就是電流的功W=Iut。③由能量守恒得W=Q+E，E為其他形式的能，這里是機械能；④對電動機來說，輸入的功率P入=IU；發熱的功率P熱=I2R；輸出的功率，即機械功率P機=P入-P熱=UI-I2R。

　　【例3】潮汐發電是利用漲落潮的水位差來工作的，潮差越大，海水流量越大，發電功率也越大。我國潮汐能的可供開發的總裝機量為3.6×１０7 kW。1980年8月，在浙江江廈建成第一座潮汐電站，裝機量為3×103 kW，平均年發電量為1.7×107 kW·h，其規模居世界第二位。

　　（1）試根據上文中給出的數據，計算我國建造的江廈潮汐電站平均每天滿負荷工作幾

　　小時?

　　（2）設江廈潮汐電站漲潮和落潮時的平均潮差為6 m，計算每次漲潮時流量是多大?（設潮汐電站的總能量轉換效率為50%）

　　解析：（1）江廈潮汐電站功率為3×103 kW，年發電量為1.07×１０7 kW·h，由公式W=Pt可算出每天滿負荷工作的時間為

　　s=9.8 h

　　（2）由文中給出數據及每天漲、落潮的次數可知，平均每次的發電量為

　　J

　　因為

　　所以每次漲潮的平均流量為

　　m3/次

　　說明：本題涉及到潮汐這種自然現象，漲潮和落潮時均有水流的機械能轉化為電能。

　　【例4】如圖所示，有一提升重物用的直流電動機，內阻r=0.6Ω，R=10Ω，U=160 V，電壓表的讀數為110 V，求

　　（1）通過電動機的電流是多少？

　　（2）輸入到電動機的電功率是多少？

　　（3）在電動機中發熱的功率是多少？

　　（4）電動機工作1 h所產生的熱量是多少？

　　解析：

　　（1）設電動機兩端的電壓為U1，電阻R兩端的電壓為U2，則

　　U1=110 V，U2=U-U1=（160-110）V=50 V

　　通過電動機的電流為I，則I== A=5 A

　　（2）輸入到電功機的電功率P電，P電=U1I=110×5 W=550 W

　　（3）在電動機中發熱的功率P熱，P熱=I2r=52×0.6 W=15 W

　　（4）電動機工作1 h所產生的熱量Q，Q=I2rt=52×0.6×3600 J=54000 J

　　說明：電動機是非線性元件，歐姆定律對電動機不適用了，所以計算通過電動機的電流時，不能用電動機兩端的電壓除以電動機的內阻。

　　通過計算發現，電動機消耗的電功率遠大于電動機的熱功率。